史方石,袁維

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050000)

隨著學(xué)科交叉融合的不斷深化,數(shù)字醫(yī)療成為未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的“藍(lán)海”之一,其中有限元分析方法(finite element analysis,FEA)在分析骨生物力學(xué)方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。有限元分析法能夠把復(fù)雜的實(shí)體模型轉(zhuǎn)變?yōu)楸舜酥g有關(guān)聯(lián)的小單元,具有操作簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn),相較于體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)活體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn),利用有限元分析法可以獲取多位置、多狀態(tài)下的模擬結(jié)果,更加直觀的展示極其復(fù)雜狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變的變化。得益于計(jì)算機(jī)的發(fā)展和計(jì)算能力的提高,有限元技術(shù)在解決骨骼肌肉系統(tǒng)的生物力學(xué)方面起著愈發(fā)重要的作用。

骨科器械和植入物在近年來得到快速發(fā)展,預(yù)計(jì)到2023年全球醫(yī)療器械市場可達(dá)到4 095億美元。隨著骨科器械和植入物的大量使用,需要嚴(yán)格的測試方法來探明荷載作用時的組織力學(xué)行為,傳統(tǒng)的測試方法往往局限于表面分析,具有極大的不準(zhǔn)確性。有限元分析法作為一種新的測試方法被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,可以為預(yù)測新器械的功能、可行性等提供參考。

現(xiàn)歸納整理近年來有限元分析法在生物力學(xué)中的應(yīng)用研究,重點(diǎn)闡述有限元分析法在植入物材料選擇、植入物入路方式、植入物固定方式、植入物結(jié)構(gòu)選擇等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。依據(jù)最新的研究進(jìn)展和熱點(diǎn)趨勢,對該領(lǐng)域的發(fā)展前景進(jìn)行展望,指出有限元分析法在骨科器械和骨科植入物方面具有廣泛深入的發(fā)展前景。

1 有限元建模過程

有限元分析是一種利用簡單而又相互作用的元素來代替真實(shí)的復(fù)雜結(jié)構(gòu),其基于圣維南原理實(shí)現(xiàn)了對任意變形體材料的定義。最早在1972年,有限元法被用以分析骨骼的力學(xué)特征,相較于步態(tài)分析、尸體研究分析等其他分析方法,因其實(shí)驗(yàn)條件方便、成本低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)而被迅速推廣應(yīng)用,廣泛應(yīng)用于手術(shù)模擬、療效對比、預(yù)測手術(shù)風(fēng)險、骨科內(nèi)植物設(shè)計(jì)等方面,給臨床研究和診療工作提供了巨大的幫助。

1.1 有限元建模流程

生物力學(xué)有限元建模方法有坐標(biāo)點(diǎn)建模、組織切片建模、基于醫(yī)學(xué)影像建模,其中最主要是從醫(yī)學(xué)影像獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行三維有限元建模,醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)包括電子計(jì)算機(jī)掃面(computed tomography,CT)圖像、磁共振(magnetic resonance imaging,MRI)圖像等,其特點(diǎn)如表1所示。醫(yī)學(xué)影像的掃描厚度是影響模型重構(gòu)精度的關(guān)鍵因素,厚度越小,模型精準(zhǔn)率越高,層厚小于1 mm時,即可滿足術(shù)前模擬的需求。人體各組織的密度均不相同,對應(yīng)著CT圖像和MRI圖像中不同的灰度值[1],如表2所示。因此可以將CT圖像導(dǎo)入Mimics圖像處理軟件中,根據(jù)閾值分割、建立蒙板等功能實(shí)現(xiàn)不同骨骼的提取,如圖1所示。但是軟組織界限在CT圖像中顯示的不清楚[2],需要借助于MRI圖像進(jìn)行提取,根據(jù)解剖位置和MRI圖像顯示,可以實(shí)現(xiàn)各軟組織的分割提取,并以STL格式文件進(jìn)行保存。

表1 醫(yī)學(xué)影像特點(diǎn)[3-5]

表2 各部位閾值[1]

曲面重構(gòu)是逆向工程技術(shù)的關(guān)鍵步驟,主要方法有:參數(shù)化曲面、網(wǎng)格化曲面、基于變形的曲面、基于智能算法的曲面重構(gòu)等,其中非均勻有理B樣條曲線(non-uniform rational B-splines,NURBS)參數(shù)化應(yīng)用最多。運(yùn)用逆向工程軟件Geomagic Wrap可以實(shí)現(xiàn)對Mimics生成的STL文件進(jìn)行三維重構(gòu),同時可以對不規(guī)則的曲面進(jìn)行修復(fù)以提高模型質(zhì)量。一般處理過程為:點(diǎn)云階段→多邊形階段→曲面階段→計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design,CAD)階段,如圖2所示,其中弧形網(wǎng)格使得NURBS曲線擬合效果更好[8]。通過擬合曲面完成實(shí)體建模,如圖3所示,并以STP格式導(dǎo)出保存。將保存結(jié)果可以直接導(dǎo)入有限元分析軟件(Abaqus、Ansys、SolidWorks等)進(jìn)行網(wǎng)格劃分三維重構(gòu),也可以將保存結(jié)果導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并調(diào)整模型質(zhì)量。不同的人體組織用不同形式的單元進(jìn)行表征,三維應(yīng)力四面體單元(C3D4)用來表征骨骼和軟組織,二節(jié)點(diǎn)Truss(T3D2)單元表征韌帶[10],建模流程如圖4所示。

圖2 骨盆環(huán)Geomagic處理流程[8]

圖4 有限元建模流程示意圖[11]

1.2 材料屬性

骨骼結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,主要包括骨膜、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨等,人體組織還包括了復(fù)雜的軟組織。對于不同的骨質(zhì)和軟組織,其材料屬性差別很大,在生物力學(xué)分析過程中,合理的材料賦值對分析結(jié)果有重要的影響。

為簡化計(jì)算模型,很多學(xué)者將骨骼材料設(shè)置為均質(zhì)材料,其靈活性較高。張家豪等[12]為了分析脛骨和股骨的應(yīng)力,將骨骼的彈性模量取為17 GPa,泊松比取為0.36;將韌帶組織的彈性模量取為390 MPa,泊松比取為0.4。郭圖聖等[13]對骨骼賦予均質(zhì)材料屬性,探究了膝關(guān)節(jié)的應(yīng)力場。統(tǒng)計(jì)了眾多學(xué)者常用的骨骼材料屬性如表3所示。這種單一賦值的方法不符合骨骼的實(shí)際狀況,另有眾多學(xué)者將骨骼劃分為密質(zhì)骨和松質(zhì)骨,其參數(shù)如表4所示。羅輝卿等[11]將椎體劃分為1 mm厚的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨分別賦值并對椎體應(yīng)力進(jìn)行了分析。材料屬性引自其他參考文獻(xiàn),通用性有待確認(rèn)。

表3 各材料的彈性模量和泊松比[12-13]

表4 材料參數(shù)[11]

為更加貼合實(shí)際的骨骼,眾多學(xué)者利用Mimics軟件中,根據(jù)其不同位置灰度值的差異進(jìn)行賦值。通過建立灰度值、密度、彈性模量之間的關(guān)系對不同組織的材料進(jìn)行賦值,方法比較簡單,能夠滿足對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析需求[14]。顏繼英[15]建立了股骨密度與灰度的關(guān)系:ρ=0.04+0.000 8HU,密度與彈性模量的關(guān)系:E=10 200|ρ2.01,泊松比μ=0.3,并對比了不同的賦值方法,為股骨有限元建模提供理論依據(jù)。張馨元等[16]由ρ=-13.4+1 017 Gv和E=-388.8+5 925ρ來確定髖骨和股骨的密度和彈性模量,其中ρ表示密度,HU表示CT值;Gv表示灰度值,E表示彈性模量。但是運(yùn)用灰度差異對材料進(jìn)行賦值,對圖像的要求很高,隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)愈來愈成熟,灰度值賦值法的局限性逐漸被打破。除此之外,當(dāng)骨骼的形狀和位置發(fā)生變化時,使其灰度值發(fā)生改變,對準(zhǔn)確賦值產(chǎn)生干擾。為了提高工作的效率,李鐘鑫等[17]在建立全膝關(guān)節(jié)有限元模型時,把MRI圖像和CT圖像的特征點(diǎn)融合之后建立了韌帶軟組織,使得建模效率和質(zhì)量得到提高。

1.3 載荷與邊界條件

在有限元模型創(chuàng)建過程中,載荷的大小和邊界條件會直接影響分析結(jié)果。腰椎可以發(fā)生前、后、左、右、旋轉(zhuǎn)等多姿勢的形變,為建立合理的腰椎有限元模型,設(shè)置椎體的載荷和邊界條件如圖5所示。為了模擬人體上半身的重量和肌肉的穩(wěn)定作用,需要在Y軸負(fù)方向設(shè)置500 N的荷載,為模擬不同的運(yùn)動姿態(tài),需要施加7.5 N·m的力矩載荷[18-20]。

圖5 椎體載荷和邊界條件[27]

在骨盆骨骼系統(tǒng)有限元建模過程中,需要模擬人體站立和坐位的狀態(tài),在骶骨上表面施加一個500 N的載荷以模擬人體上半身的重量。相關(guān)研究表明,雙腿站立靜止時,一側(cè)髖關(guān)節(jié)承受的負(fù)荷為總質(zhì)量的20%～30%;單腿站立靜止時,髖關(guān)節(jié)承受負(fù)荷約為總質(zhì)量的81%。設(shè)置雙側(cè)髖臼和坐骨結(jié)節(jié)完全約束[10],如圖6所示。骨盆植入物與骨折面之間可以用有摩擦的硬接觸表征,一般取摩擦系數(shù)為0.2,用于固定的鋼板與螺釘之間設(shè)置為綁定約束。人體正常運(yùn)動狀態(tài)下,股骨頭受到的載荷比正常人體重力大,約為兩倍[21],在施加載荷時,通常在股骨頭球面上選取一個點(diǎn)作為參考點(diǎn),并將該點(diǎn)與股骨頭面的部分幾點(diǎn)進(jìn)行耦合,并設(shè)置遠(yuǎn)端為完全約束,如圖7[22]所示。在建立股骨骨折有限元模型時,設(shè)置骨與骨之間為摩擦接觸,摩擦系數(shù)取0.46[23]。安玉章等[24]在探究股骨折時,取骨折線縫隙為0.2 mm,為表征無松動情況下的力學(xué)分析,設(shè)定股骨與釘之間為接觸關(guān)系,鎖定釘與板之間為鎖定關(guān)系,非鎖定釘與板之間為接觸關(guān)系。另外,鄭利欽等[25]為探究股骨在動荷載作用下的骨折斷裂力學(xué)影響,設(shè)置股骨干和大轉(zhuǎn)子固定,并設(shè)置載荷F與時間t的函數(shù)為:F=2 500t,進(jìn)行有限元求解。李鵬飛等[26]在模擬老年股骨頸骨骨折時,采取準(zhǔn)靜態(tài)分析來模擬跌倒受力,取750 N的載荷自上而下施加到股骨頭上,保持股骨頭與矢狀位呈20°,也同樣完全固定了股骨遠(yuǎn)端。

圖6 骨盆系統(tǒng)載荷示意圖[28]

圖7 股骨載荷和邊界條件[22]

膝關(guān)節(jié)是人體活動量最大的重要承重關(guān)節(jié),其活動如圖8所示,在有限元建模過程中難度也是最大的。膝關(guān)節(jié)主要包括:股骨、脛骨、腓骨和半月板、韌帶等軟組織,如圖9所示。通常設(shè)置脛骨底部施加全約束,股骨完全自由不受約束,設(shè)置韌帶與骨之間為共節(jié)點(diǎn)接觸,骨組織與軟組織之間設(shè)置為無摩擦的接觸。由于膝關(guān)節(jié)具有上下位移、前后位移、內(nèi)外翻轉(zhuǎn)、內(nèi)外旋轉(zhuǎn)4種位移,因此其載荷種類較為復(fù)雜。楊駿良等[29]用以下4種載荷方式來模擬膝關(guān)節(jié)的生理功能:①在股骨頂端施加750 N的縱向載荷;②在股骨頂端施加750 N的縱向載荷和脛骨后方的134 N的向前載荷;③在股骨頂端施加750 N的縱向載荷和10 N·m的內(nèi)翻力矩來模擬膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻;④在股骨頂端施加750 N的縱向載荷和4 N·m的內(nèi)旋力矩來模擬膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋。

圖9 膝關(guān)節(jié)幾何模型[31]

1.4 有限元模型的論證

為驗(yàn)證有限元模型的有效性和可靠性,中外眾多學(xué)者通過實(shí)體試驗(yàn)和有限元結(jié)果進(jìn)行對比分析,吳慧敏等[32]建立了骨折有限元模型,并將計(jì)算結(jié)果與臨床醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行比對,證明其可靠性。但是Kluess等[33]對比了力學(xué)試驗(yàn)測定結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩者存在較大偏差,并注意到有限元模型的參數(shù)設(shè)置對計(jì)算結(jié)果有著較大影響。因此改善模型的質(zhì)量是保證有限元計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的重中之重[34]。

2 不同材料植入物的有限元分析

骨科植入物作為國家三類醫(yī)療器械可以修復(fù)人體骨骼軟組織病損,植入物材料主要包括金屬、高分子和陶瓷材料,金屬材料主要有鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金等,其彈性模量如圖10所示。假體材料與自然骨組織材料屬性的差異會導(dǎo)致假體無法提供合適的支撐力,在長期使用的情況下,假體經(jīng)常出現(xiàn)松動、斷裂等不良癥狀。

圖10 生物材料彈性模量[38]

在植入假體治療過程中,如果植入物的彈性模量比骨組織的彈性模量大,應(yīng)力會更多地集中在植入的假體上,進(jìn)一步導(dǎo)致骨組織吸收,出現(xiàn)骨萎縮、假體脫落的情況,即出現(xiàn)應(yīng)力遮擋現(xiàn)象。李寧遠(yuǎn)等[35]對鈷鉻鉬合金、鈦合金、復(fù)合材料3種假體置換后的股骨應(yīng)力進(jìn)行有限元分析,統(tǒng)計(jì)了不同位置的應(yīng)力遮擋率如圖11所示。李偉等[36]對鈦合金、碳纖維增強(qiáng)聚砜復(fù)合材料、CoCrMo合金和不銹鋼材質(zhì)的股骨假體進(jìn)行正應(yīng)力和剪切應(yīng)力分析,論證了碳纖維增強(qiáng)聚砜復(fù)合材料和鈦合金材料的假體具有較理想的應(yīng)力分布。王海羽等[37]通過對全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的不同材料進(jìn)行探究,發(fā)現(xiàn)鈦合金-膠原蛋白假體材料可以有效減少應(yīng)力遮擋作用,可以提高脛骨所能承擔(dān)的應(yīng)力。選擇合適的股骨假體材料還可以減少膝關(guān)節(jié)襯墊的磨損[30]。如果植入假體的彈性模量比骨骼的彈性模量小,應(yīng)力將會更多地集中于人體骨骼上,骨骼更易受損。為促進(jìn)骨骼生長愈合,應(yīng)選擇與骨骼彈性模量相近的材料。

圖11 股骨不同位置應(yīng)力遮擋率[35]

人體關(guān)節(jié)受力較為復(fù)雜,同時承受拉、壓、扭轉(zhuǎn)和界面剪切力等反復(fù)作用,人工假體在循環(huán)變應(yīng)力作用下容易發(fā)生疲勞強(qiáng)度破壞。唐剛等[39]對鈦合金假體和不銹鋼假體進(jìn)行了疲勞性能分析,統(tǒng)計(jì)了鈦合金假體的使用壽命最小為568萬次,符合標(biāo)準(zhǔn)。黃敏等[40]對斷柄過程進(jìn)行研究,并利用有限元方法分析其力學(xué)機(jī)理,表明有限元分析法對于分析假體疲勞破壞是有效的方法。高亞軍[41]利用有限元分析法對人工鈦合金假體進(jìn)行疲勞性能分析,表明其設(shè)計(jì)的人工頸椎間盤假體可以極大地恢復(fù)頸椎節(jié)段的運(yùn)動功能,滿足抗疲勞性能的設(shè)計(jì)要求。

合適的植入物假體強(qiáng)度、剛度可以保證假體的使用壽命,同時也可以降低手術(shù)并發(fā)癥發(fā)病風(fēng)險。螺釘作為一種固定元件通常被用來植入人體起到固定作用,但是螺釘與人體骨骼過大的剛度差會引起螺釘切割現(xiàn)象,尤其在骨質(zhì)疏松患者中表現(xiàn)的明顯。因而眾多學(xué)者嘗試?yán)玫蛣偠炔牧匣蛘邚椈刹牧线M(jìn)行固定,但是剛度降低影響會增大固定失效的風(fēng)險。張科[42]對碳纖維復(fù)合聚醚醚酮材質(zhì)的螺釘進(jìn)行分析,雖然其彈性模量低于鈦合金,但仍具有可靠的固定強(qiáng)度。

植入假體的耐磨性能直接影響著其使用性能,在關(guān)節(jié)處保證植入球體的光滑可以減少患者的痛苦。張剛[43]對水凝膠基復(fù)合物材料制成的人工股骨頭進(jìn)行有限元分析,探究了人工股骨頭的孔隙應(yīng)力應(yīng)變、孔隙流速和孔壓,得到了復(fù)合材料內(nèi)模型的流動導(dǎo)致模型受力情況產(chǎn)生變化,滲出材料表面的液體可以起到潤滑的作用,減小了摩擦。

3 植入物入路及固定方式的有限元分析

微創(chuàng)治療在治療骨折、脊柱疾病方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,相較于傳統(tǒng)手術(shù),微創(chuàng)手術(shù)對人體損傷較小,恢復(fù)時間短,術(shù)后并發(fā)癥少,更有利于康復(fù)。對于不同的植入物入路和固定方式,植入物的臨床效果不盡相同,在術(shù)前規(guī)劃、術(shù)后生物力學(xué)評估和微創(chuàng)技術(shù)改進(jìn)方面,有限元模型都起著重要的作用[44]。

腰椎間盤退行性疾病多發(fā)生于中老年人,腰椎融合術(shù)可以有效治療腰椎間盤退行性疾病,其入路方式主要有后方、前方、側(cè)方、斜外側(cè)入路腰椎融合術(shù)和經(jīng)椎間孔入路腰椎融合術(shù)5種[45],不同的入路方式對脊柱的生物力學(xué)穩(wěn)定性有著重要影響。張泓等[18]對側(cè)前方入路的椎間融合器進(jìn)行生物力學(xué)特征探究,建立了L3-S1節(jié)段的有限元模型,分別模擬了3種手術(shù)模型,為手術(shù)治療方案提供理論指導(dǎo)。陳政宇等[46]對L3-4節(jié)段的腰椎進(jìn)行有限元分析,對比了4種入路方式術(shù)后椎體活動度、融合器應(yīng)力和終板應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)直接外側(cè)椎間融合術(shù)具有綜合性的優(yōu)勢,適合微創(chuàng)手術(shù)。陳柳旭等[47]同樣建立了腰椎椎間融合術(shù)中的3種固定方式的有限元模型,分析了3種術(shù)式中的6種工況下的腰椎的力學(xué)性能。

老年人由于骨質(zhì)疏松導(dǎo)致骨質(zhì)量降低,容易引發(fā)脆性骨折,嚴(yán)重影響著老年人群的生活,椎體成形術(shù)能夠有效治療骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折[48]。單、雙側(cè)椎弓根入路是實(shí)施椎體成形術(shù)的常規(guī)入路方式,隆全利等[49]對兩種入路方式注射骨水泥的生物力學(xué)進(jìn)行有限元分析對比,發(fā)現(xiàn)兩種方法應(yīng)力分布類似。在注入骨水泥后,骨水泥注入量對相鄰椎體的生物力學(xué)有顯著影響,李安明等[50]提出較小劑量的骨水泥有利于椎體的恢復(fù),為減少對鄰近椎體的不良影響應(yīng)保證骨水泥雙側(cè)彌散分布。

除了由于骨質(zhì)疏松引發(fā)的脆性骨折,由高能量所致的骨折數(shù)量日益增加,髖臼骨折多與車禍或高出墜落等高能量損傷有關(guān)。髖關(guān)節(jié)是人體主要的承重結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,因而微創(chuàng)手術(shù)成為髖臼骨折的治療趨勢。眾多研究表明髖臼的生物力學(xué)性能不會因內(nèi)固定方式和入路方式的不同而產(chǎn)生較大差異,但是穩(wěn)定性表現(xiàn)不同。王慶等[51]對髖臼橫行骨折兩種內(nèi)固定方式進(jìn)行有限元分析,發(fā)現(xiàn)生物力學(xué)性能沒有差別,但是Stoppa入路可以替代常規(guī)鋼板入路,減少了人體損傷。對于髖臼的內(nèi)固定物有多種選擇,常用的內(nèi)固定物包括:鋼板、螺釘、鋼絲等,章浩偉等[10]對比了4種內(nèi)固定方式,也表明生物力學(xué)性能差別不大,與傳統(tǒng)螺釘、鋼板固定相比,Magic螺釘應(yīng)力分布更加均勻,值得推廣應(yīng)用。文獻(xiàn)[52-53]對動力化前路方形區(qū)鈦板螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)(dynamic anterior plate-screw system for quadrilateral area,DAPSQ)進(jìn)行研究分析,發(fā)現(xiàn)第二代DAPSQ與雙柱鈦板生物力學(xué)性能差別不大,但是穩(wěn)定性較強(qiáng)。

髖部骨折中股骨頸骨折約占50%,股骨頸骨折根據(jù)骨折部位可以分為以下3種:頭下型、經(jīng)頸型、基底型,其中頭下型骨折壞死率最高。為尋找股骨頸頭下型骨折的最優(yōu)固定方式,韓彪等[54]通過有限元分析方法對空心釘置入角度以達(dá)到增加內(nèi)固定的穩(wěn)定性的目的。股骨轉(zhuǎn)子由于受力狀態(tài)極其復(fù)雜,再加上應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響,骨折后經(jīng)常出現(xiàn)顯著移位的情況。用于轉(zhuǎn)子間骨折固定方法主要分為兩類:髓內(nèi)固定系統(tǒng)和髓外固定系統(tǒng)。其中髓內(nèi)固定系統(tǒng)以頭髓釘為代表,髓外固定系統(tǒng)以滑動髖螺釘為代表。周天健等[55]對兩種固定方式進(jìn)行了動力學(xué)研究,對比兩種方式的應(yīng)力分布發(fā)現(xiàn)股骨近端抗旋髓內(nèi)釘固定更具有優(yōu)勢。

4 植入物假體結(jié)構(gòu)的有限元分析

隨著近年來增材制造技術(shù)(3D打印技術(shù))的快速發(fā)展,制造內(nèi)外部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的新型假體植入物成為可能,在探究新型植入物生物力學(xué)性能方面,有限元分析法起到了重要的作用,同時優(yōu)化植入物的結(jié)構(gòu)、體積等可以提高患者的使用感受。

為解決假體脫落、磨損嚴(yán)重等問題,劉恩渤[56]設(shè)計(jì)了一種新型的全半月板假體,并通過有限元進(jìn)行了生物力學(xué)性能分析,這種新型結(jié)構(gòu)在可打印方面具有優(yōu)勢。張亮等[57]通過3D打印技術(shù)制作了個性化鈦網(wǎng),通過這種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少了應(yīng)力集中引起的局部斷裂。同時為了提高骨折分析的穩(wěn)定性,提高骨愈合和骨重塑效果,丁曉紅等[58]對接骨板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。李楠等[59]對頸椎融合器進(jìn)行優(yōu)化,通過去除冗余材料和增加柔度,減少了應(yīng)力遮擋,并且有利于促進(jìn)融合。

在外科領(lǐng)域,設(shè)計(jì)、制造可定制的仿生結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的植入物是骨組織工程研究的重要方向,Peng等[60]采用有限元分析和3D打印技術(shù)對新型多孔Ti6AI4V植入物進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)研究,證明層狀片桿連接網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性。同時石志良等[61]在探究不同孔徑分布的鈦合金梯度多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能時,運(yùn)用有限元進(jìn)行數(shù)值模擬,并與實(shí)體力學(xué)測試結(jié)果進(jìn)行印證,為植入物設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀奇怪的骨科植入物假體植入過程中,用以模擬松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)的骨小梁結(jié)構(gòu)可以提高生物活性和維持植入假體的長期穩(wěn)定性。胡如印[62]對3D打印多鈦金屬骨小梁髖臼杯的生物力學(xué)進(jìn)行分析研究,驗(yàn)證其生物固定可靠,較普通鈦金屬髖臼杯更加穩(wěn)定,尤其對于骨質(zhì)疏松的髖臼。

5 結(jié)論與展望

有限元分析法在人體骨骼植入物中的應(yīng)用為假體植入的手術(shù)設(shè)計(jì)和術(shù)后評估帶來了極大的幫助,盡管人體骨骼的結(jié)構(gòu)和受力極為復(fù)雜,但是隨著圖像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,三維有限元模型的精度日益提高。通過設(shè)置不同的接觸和邊界條件,使得仿真效果更加貼近實(shí)際情況,可以更加便捷、精確地計(jì)算出各種工況下各個位置的應(yīng)力應(yīng)變信息,因而可以廣泛應(yīng)用于臨床規(guī)劃、診斷以及術(shù)后康復(fù)建議等方面。

雖然有限元分析法在人體骨骼植入物的生物力學(xué)分析方面有諸多便利,但是其仍然具有局限性,其局限性在于:①基于CT、MRI等圖像建立的有限元模型具有個體化特性,其廣泛適用性需要進(jìn)一步討論,因此有必要針對不同患者建立的有限元模型進(jìn)行對比分析其共有特性;②有限元模型參數(shù)的設(shè)置尚未有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),因參數(shù)設(shè)定的差異可能導(dǎo)致結(jié)果有較大的波動,因此有必要加強(qiáng)有限元模型與實(shí)際工況的相近性的論證;③人體組織結(jié)構(gòu)是運(yùn)動的,三維有限元的動態(tài)分析相對較少,因此應(yīng)當(dāng)在動態(tài)工況下對髖膝關(guān)節(jié)展開生物力學(xué)研究分析。