基于三維有限元?jiǎng)討B(tài)模擬分析健脾活骨方治療ARCOⅡ期股骨頭壞死的生物力學(xué)研究.pdf

1、目的：
　　1.建立一個(gè)具有較好幾何和物理相似性的、可重復(fù)應(yīng)用、可供動(dòng)態(tài)力學(xué)模擬分析的股骨頭壞死有限元模型。
　　2.基于三維有限元?jiǎng)討B(tài)模擬分析健脾活骨方治療ARCOⅡ期股骨頭壞死后，股骨頭內(nèi)部的生物力學(xué)變化情況，為中醫(yī)治療股骨頭壞死提供力學(xué)方面的理論依據(jù)。
　　研究方法：
　　1.可供動(dòng)態(tài)力學(xué)模擬分析的股骨頭壞死有限元模型的建立
　　(1)選擇1例單側(cè)股骨頭壞死為ARCOⅡ期的患者，取其另一側(cè)正常股骨頭作

2、為對(duì)照。
　　(2)將患者Dicom3.0格式的CT數(shù)據(jù)資料導(dǎo)入到Amira圖像處理軟件中讀取圖像，進(jìn)行圖像分割，分別提取股骨頭整體表面輪廓及松質(zhì)骨、壞死骨輪廓后建立各自的三維模型。
　　(3)經(jīng)Geomagic進(jìn)行采樣、光滑處理、表面擬合等處理后，將各模型導(dǎo)入到Ansys14.0有限元分析軟件中。
　　(4)在Ansys14.0有限元分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料屬性定義與賦值、定義邊界條件及載荷區(qū)域等處理，分別建立松

3、、密質(zhì)骨區(qū)分和不區(qū)分下的正常和壞死股骨頭有限元模型。
　　(5)對(duì)生成的各股骨頭有限元模型進(jìn)行普通行走下的應(yīng)力分析，觀察各模型的應(yīng)力特點(diǎn)，總體分析更為真實(shí)可靠的建模方法。
　　2.健脾活骨方治療ARCOⅡ期非創(chuàng)傷性股骨頭壞死的生物力學(xué)研究
　　(1)選取經(jīng)健脾活骨方治療后1年臨床療效顯著的股骨頭壞死患者4例，收集其治療前后的Dicom3.0格式的CT數(shù)據(jù)資料。
　　(2)分別建立4例患者治療前及治療后1年的股骨頭

4、壞死有限元模型。
　　(3)對(duì)建立好的股骨頭壞死有限元模型分別施加正常行走、慢速跑步、快速跑步時(shí)的力學(xué)載荷，觀察治療前后股骨頭應(yīng)力及位移變化情況，并判斷不同步態(tài)下股骨頭塌陷的風(fēng)險(xiǎn)。
　　結(jié)果：
　　1.股骨頭有限元模型建立
　　(1)對(duì)生成的模型網(wǎng)格劃分后，壞死股骨頭中松、密質(zhì)骨材料不區(qū)分時(shí)其節(jié)點(diǎn)數(shù)為562682，單元數(shù)為406764。區(qū)分后模型中節(jié)點(diǎn)數(shù)分別降為189287、123274。但壞死部分骨模型中材料不

5、區(qū)分時(shí)，其節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)分別為6213、3724。而在材料區(qū)分后的模型中，其節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)分別增加到45385、30006。但在正常股骨頭中，松、密質(zhì)骨材料是否區(qū)分，其節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)差別并不明顯。分析后認(rèn)為，相比正常股骨頭，壞死股骨頭更有必要將松、質(zhì)骨的材料區(qū)分。
　　(2)兩種賦值下的正常股骨頭模型股骨頸內(nèi)外側(cè)、股骨干近端內(nèi)側(cè)、股骨干外側(cè)均表有明顯的應(yīng)力集中，該區(qū)域深層則為股骨距，即人體直立負(fù)重時(shí)最大壓應(yīng)力的部位，但在股骨頭上的

6、應(yīng)力集中卻不明顯。這樣的特點(diǎn)與正常人體股骨頭的生理特點(diǎn)及以往的文獻(xiàn)研究相符合。而在股骨頭壞死的兩個(gè)模型中，在小轉(zhuǎn)子附近及股骨頸處均出現(xiàn)了兩個(gè)較大應(yīng)力的集中區(qū)域，股骨頭負(fù)重區(qū)的應(yīng)力也明顯集中，尤其在松、密質(zhì)骨區(qū)分的模型中表現(xiàn)更為明顯。與正常股骨頭相比，其應(yīng)力發(fā)生了轉(zhuǎn)移，在股骨頭上形成了多處應(yīng)力集中的區(qū)域，易引起股骨頭壞死的進(jìn)一步發(fā)展。
　　(3)各模型中，股骨頭負(fù)重區(qū)位移值最大，越往股骨遠(yuǎn)端值越減小，顯示股骨頭負(fù)重區(qū)是塌陷容易產(chǎn)生。

7、材料區(qū)分的模型中，同一位置下，壞死股骨頭位移值都大于正常股骨頭，這在材料不區(qū)分的模型中表現(xiàn)不明顯。其中負(fù)重區(qū)下壞死骨部分發(fā)生位移的程度更大，而非負(fù)重區(qū)下的壞死骨，位移程度相對(duì)較小。
　　(4)各模型中，左側(cè)壞死股骨頭最大應(yīng)力值均小于右側(cè)正常股骨頭模型明顯減少，尤其是在松、密質(zhì)骨區(qū)分時(shí)更為明顯，最大應(yīng)力值從52.1103GPa降低到30.1069MPa。當(dāng)密、松質(zhì)骨不區(qū)分時(shí)，右側(cè)正常股骨頭模型與左側(cè)壞死股骨頭模型最大位移值分別為1.

8、0022mm、1.3214mm，不符合正常和壞死股骨頭受到應(yīng)力時(shí)的真實(shí)狀況。而當(dāng)松、密質(zhì)骨區(qū)分時(shí)，左側(cè)壞死股骨頭模型的最大位移值為1.0069mm，明顯大于右側(cè)正常股骨頭模型的0.5836mm，間接顯示了在相同力學(xué)載荷時(shí)壞死骨負(fù)重區(qū)塌陷的風(fēng)險(xiǎn)和程度更大。
　　2.健脾活骨方治療ARCOⅡ期非創(chuàng)傷性股骨頭壞死的生物力學(xué)研究
　　(1)在普通步行、慢速跑步、快速跑步下，相比治療前，4例患者均在治療后股骨頭整體最大應(yīng)力及位移值明顯

9、降低，股骨頭負(fù)重區(qū)位移值較治療前明顯減小(p＜0.05)，股骨頭負(fù)重區(qū)應(yīng)力值明顯增高(p＜0.05)，壞死骨的應(yīng)力值明顯降低(p＜0.05)。
　　(2)根據(jù)塌陷準(zhǔn)則，在普通步行時(shí)，壞死骨的應(yīng)力值均小于0.55MPa，壞死骨塌陷的可能性較低。在慢速跑步時(shí)，壞死骨的應(yīng)力在治療前已趨于0.55MPa，壞死塌陷的風(fēng)險(xiǎn)增大，應(yīng)積極進(jìn)行治療，預(yù)防股骨頭塌陷。在快速跑步時(shí)，壞死骨的應(yīng)力在治療前已大于0.55MPa，壞死塌陷的可能很大，此時(shí)應(yīng)在

10、積極進(jìn)行治療的基礎(chǔ)上，告知患者避免快速跑步，否則塌陷的可能很大，并且危害的程度更深。
　　(3)隨著步態(tài)由正常行走到慢速跑步，再到快速跑步，其股骨頭的最大應(yīng)力值及位移值隨之增大。三種步態(tài)下的壞死股骨頭在治療后，其最大應(yīng)力值及位移值明顯減小。而治療后壞死骨位移值較治療前減小，股骨頭負(fù)重區(qū)應(yīng)力值增加，而壞死骨應(yīng)力值降低。隨著步態(tài)頻率增加，壞死區(qū)所承受壓力及位移值增加明顯，塌陷的風(fēng)險(xiǎn)和程度逐漸增大。
　　研究結(jié)論：
　　1.

11、股骨頭有限元模型建立
　　(1)應(yīng)用Amira圖像分析軟件、Geomagic Studio逆向工程軟件、Ansys有限元分析軟件，成功建立了一個(gè)具有較好幾何和物理相似性的、可重復(fù)應(yīng)用、可供動(dòng)態(tài)力學(xué)模擬分析的股骨頭壞死有限元模型。
　　(2)相比正常股骨頭建模，股骨頭壞死模型建立時(shí)，將松質(zhì)骨和密質(zhì)骨材料區(qū)分賦值更有必要。
　　2.健脾活骨方治療ARCOⅡ期非創(chuàng)傷性股骨頭壞死的生物力學(xué)研究
　　(1)健脾活骨方可有效