有限元分析助力骨質(zhì)疏松癥的研究

10月20日，是世界骨質(zhì)疏松日。這一天是由世界衛(wèi)生組織于1998年正式確立，旨在對大眾普及有關(guān)骨質(zhì)疏松癥的知識，預(yù)防和減少骨質(zhì)疏松性骨折的發(fā)生。骨質(zhì)疏松癥是中老年人的常見病、多發(fā)病，我國目前約有患者7000萬人。骨質(zhì)疏松癥嚴(yán)重地危害中老年人的健康，已成為21世紀(jì)初世界廣泛關(guān)注的嚴(yán)重社會問題之一。

一般來說，雙能X射線檢查骨密度已廣泛用于骨質(zhì)疏松癥的診斷，然而，臨床觀察表明雙能X射線吸收法預(yù)測卻在敏感性和特異性方面存在缺陷，從生物力學(xué)角度來看，需要一種能夠準(zhǔn)確表現(xiàn)骨三維幾何形狀及骨材料屬性異質(zhì)性分布的研究方法，才能更好地對骨強(qiáng)度進(jìn)行評估，研究人員將目光投向了有限元分析。

由于有限元法能處理復(fù)雜的幾何形狀及材料屬性分布，其常用于估計(jì)正骨及小梁骨的強(qiáng)度和剛度，還用于計(jì)算組織內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)變分布。此外，有限元還能預(yù)測骨強(qiáng)度，用于驗(yàn)證調(diào)節(jié)骨量及結(jié)構(gòu)的力學(xué)-生物學(xué)理論模型、探究骨骼疾病和骨骼脆性的病理生理學(xué)機(jī)制。

小梁骨有限元分析

通過有限元分析，表明了小梁骨組織疏松結(jié)構(gòu)的影響，當(dāng)小梁組織受到特定外加負(fù)荷時其內(nèi)部不同部分組織水平的應(yīng)力及應(yīng)變變化范圍較大。

上圖為人類脛骨近端骨小梁5*5*5mm標(biāo)本為有限元分析結(jié)果。顏色分布表示在三個方向上單軸壓縮負(fù)荷產(chǎn)生的標(biāo)本內(nèi)最小主應(yīng)變值。結(jié)果顯示，即使是在單一的載荷狀態(tài)下，顯著水平的負(fù)荷也會導(dǎo)致廣泛多樣的組織水平應(yīng)變。顯著水平應(yīng)變?yōu)?0.73%（表觀抗壓屈服應(yīng)變），某些區(qū)域經(jīng)受可以忽略不計(jì)的最小主應(yīng)變（藍(lán)黑區(qū)域），而其他區(qū)域經(jīng)受的最小主應(yīng)變當(dāng)量可以是顯著水平應(yīng)變量的25倍（紅色區(qū)域）

整骨有限元分析

通過QCT掃描生成的人類骨腰椎椎體有限元模型，QCT掃描出的每個像素都被轉(zhuǎn)換成立方體有限單元，有限單元顏色表示單元軸向彈性模量，其中紅色表示最大、綠色表示中間、藍(lán)黑色表示最小。要注意相鄰單元可以被賦予不同的下料屬性，從而能夠忽的結(jié)構(gòu)的幾何學(xué)形態(tài)及材料異質(zhì)性。

研究人員運(yùn)用九千六百萬和七千一百萬個單元的為有限元模型來評估正常和疏松股骨的應(yīng)力及應(yīng)變分布。結(jié)果顯示，在行走時，疏松骨傷的應(yīng)變量更大，其分布更不均勻。因此，在疏松股骨中有較大比例的骨組織存在被破壞的危險。有限元法對研究骨折基本機(jī)制、制定增加骨強(qiáng)度的治療原則都非常有幫助。

正常股骨（左）和骨質(zhì)疏松股骨（右），行走狀態(tài)下小梁組織內(nèi)的最小主應(yīng)變分布

有限元分析不僅能對整骨及骨標(biāo)本的強(qiáng)度及剛度進(jìn)行評估，還有利于探究骨力學(xué)行為內(nèi)在機(jī)制及骨適應(yīng)的生物力學(xué)調(diào)節(jié)。當(dāng)模型是由單個骨的CT或MRI掃描生成時，有限元分析可以對特殊對象的骨強(qiáng)度及與骨植入物的相互作用進(jìn)行評估。隨著未來計(jì)算能力和成像技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，有限元分析技術(shù)將發(fā)揮更大的作用在生育醫(yī)療領(lǐng)域。元王作為國內(nèi)CAE技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的佼佼者，期待與更多優(yōu)秀企業(yè)合作，為醫(yī)療行業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持。