摘要:【摘要】 目的：構建起肘關節三維有限元模型，藉助三維有限元法對橈骨頭在各種損傷程度下、各種位【摘要】 目的：構建起肘關節三維有限元模型，藉助三維有限元法對橈骨頭在各種損傷程度下、各種位置上及肘關節各種屈曲程度下生物力學改變的情況進行分析，為研究橈骨頭病理形態及生理功能變化提供實驗依據。方法：將1名身體健康的成人志願者作為研究物件，不考慮肘部的所患有的疾病，前薄層掃描CT影象掃描右肘及前臂，在軟體中匯入Mimics、ANASY、LS.DYNA97資料以構建起肘關節三維模型，開展裝配、分配網格、將屬性賦予材料以及有限元計算等工作。結果：所構建起來的肘關節三維有限元無限接近實體解剖標本，對橈骨頭實際解剖狀態與生物力學行為進行了全面真實的體現，同時與CT切片圖相對比以驗證了其精確性。結論：藉助三維有限元模型將生物力學模型可以為橈骨頭正常力學行為以其病變、損傷的臨床診療提供病理形態及生理功能變化基礎，為臨床診療奠定更堅實基礎。
理功能具體指的是傳遞應力以及保持肘關節外側處於穩定狀態，在維持肘關節穩定與功能方面發揮著舉足輕重的作用[1]。橈骨頭骨折屬於一種關節內部發生骨折，相當於肘部骨折的30%左右，其骨折過程實際上是肘關節所在的部位稍微彎曲、前臂旋轉到前位過程中手掌以較大力度與地面貼合在一起，引發肱骨小頭與橈骨頭受到猛烈碰撞而導致骨折[2]。對於橈骨頭的治療手段，從剛開始的非手術治療逐步演變到在內部固定、切除橈骨頭、以人工假體進行代替等，但治療方案的選擇大多以臨床實踐為基礎，治療後常遺留較為嚴重的後遺症[3]。近年來，有限元法在骨科領域的研究越來越多，國內外學者也提出了不少腕關節的數字模型[4-7]，其基本原理是根據幾何外形、材料性質以及受力條件等因素將彈性物體劃分成有限數量且互相連續的單元，在不傷害身體組織的前提下重新建立複雜構建的構造、外形、所能承受的重量以及材料力學效能，使傳統實驗生物力學能夠重複與不具有可比性、對身體組織造成傷害的缺點得到較大彌補。所以，本實驗在建立肘關節三維有限元模型的基礎上，立足於各個層面對橈骨的生物力學做了全面深入的研究與分析，而且透過多個側面給出了治療橈骨骨折的手段，同時為更加深入地探究做好鋪墊，現報道如下。 1 材料與方法
1.1 研究物件 將1名身體健康的成人志願者作為研究物件，男，31歲，身高：175 cm，體重：74 kg，不考慮肘關節與前臂受到的損傷及其他疾患。該研究已經倫理學委員會批准，患者知情同意。
1.2 裝置與軟體 Philips 64排螺旋CT掃描機。軟體為Mimics 16.0（比利時Materialise公司）、Hypermeshl 0.0（美國Altair 司）和LS.DYNA971（美國LSTC公司）。
1.3 資料獲得 志願者身穿防護鉛衣，應當藉助64排雙螺旋CT分別實施0°、30°、60°、90°以及120°彎曲度的薄層掃描，並以DICOM格式儲存，並將資料匯入Mimics 16.0。
1.4 建立肘關節的三維模型 在三維軟體Mimics中匯入CT資料，對影象進行仔細篩選，將四周組織影象完全剔除，同時設定目標影象的閾值，重新構建肘關節、肱骨下部、橈骨、尺骨上部以及環形韌帶的三維影象，而且將邊界座標完全對外輸出。藉助普遍使用的Auto CAD造型軟體Unigraphics NX當做實體搭建模型的平臺。匯入由Mimics產生的輪廓資料，進而形成三維實體模型，提高模型的光滑度，將它承受重力的一面與接觸面都成為平面。此外借助Hypermesh軟體把相對的肘關節輪廓線I GES線條全部連線以後成為平面，再將幾何模型的表面以單元大小1 mm為單位進行面網格劃分，最後採用四面體實體網格劃分技術生成四面體，也就是在對模型的線條、平面以及體進行有關操作的基礎上得到肘關節三維有限元模型，同時劃分有限元網格，構建起有限元網格模型。
1.5 將材料屬性賦予有限元模型 開展有限元分析與計算，將密度、彈性模量、泊松比等各種材料屬性都賦予有限元模型中的所有單元，進而成功搭建起材料性質非均勻特點的有限元模型。本實驗把模型所包含的組織材料都精簡成具有相同屬性的均勻彈性材料。按照相關文獻資料開展材料屬性賦值，從而構建起肘關節三維有限元模型，見表1。
1.6 負荷載入實驗 為了對模型的有效程度進行檢驗，針對模型實施負載實驗，把獲得的結果和過去得到的實驗資料相互比較對模型的有效性進行驗證。固定好模型肱骨一端，透過腕關節對尺骨施加100 N垂直負載，將有限元計算軟體LSDYNA971匯入以後對前臂旋前位肘關節進行0°、30°、60°、90°以及120°彎曲角度下肘關節橈骨與尺骨關節面承受力與力量分佈進行分析，見表2。
2 結果
利用計算機輔助技術手段與軟體Mimics、Hypermesh，完成了肘關節與橈骨三維有限元模型構建，也就是獲得在各種肘關節彎曲程度下，肘關節的五大有限元模型。成功建立模型以後透過肘關節各種程度旋轉的縱向負載實驗獲得有關資料，與實際解剖的結果比較接近，從而對模型的有效性進行了科學檢驗。本研究藉助即時掃描與儲存的方式，有效地防範了收集資料過程中核心資訊的流失，而且保證了以全數字化方式構建模型，使模型的建立更加精準。
3 討論
3.1 構建橈骨三維模型的意義 橈骨遠端骨折在臨床常見，約佔所有骨折10%，且隨著老齡化加劇，骨質疏鬆患者增加，更加劇了橈骨遠端骨折的趨勢，故對這方面的研究也顯得更加必要[9-13]。尤其對於不穩定型別的橈骨遠端骨折，手術行復位治療是最佳選擇，但是各種併發症也屢見不鮮[14-18]。過去人們對骨骼骨折與固定的相關情況實施有限元分析過程中，由於形態不規整大部分只做簡單處理，把骨的形狀看作圓柱體，同時將其等同於一個剛體來分析它的應力，導致骨骼腔的存在被忽視，分析得到的結果將不可避免地存在偏差，並且與其相關的骨折或內部固定的探究與分析都需要重新審視[19]。為了保證計算模型體現現實狀況，本論文將橈骨的物理外形作為分析目標，以構建起肘關節三維有限元模型，而且透過實驗獲得的橈骨負載的重力，按照橈骨的真實部位在橈骨模型上進行新增，進行有限元分析，具有精度高、成本低、可重複等優點，為橈骨頭的生物力學分析及疾病治療等奠定基礎。
3.2 橈骨受力的分析 透過本實驗分析研究可得到以下結論：肘關節在0°、30°、60°、90°以及120°彎曲角度下，橈骨頭的負荷分別是57.8 N、59.8 N、55.1 N、47.3 N、49.5 N。橈骨頭傳遞應力的大小由於肘關節位置不同而有所差別，如果位於前臂旋轉伸軸時，橈骨頭將發揮槓桿功能，對肘關節負載的重力進行傳遞，同時對肘關節加以固定，在肘關節傳遞應力與保持肘關節外側穩定性方面，橈骨頭有著非常關鍵的作用。橈骨頭在很大程度上決定了肱尺遲關節外側應力的傳遞，而且肱尺關節外側面深受橈骨頭的作用，二者相輔相成、緊密聯絡。肱尺關節內側面與尺骨鷹嘴中間嵴應力傳遞的變化並不明顯，發揮分散和平衡肘部應力的功能，其他國家的研究人員在對負荷容器傳導器與肱橈關節之間的應力傳導情況進行分析研究的基礎上，獲得的結論是：肘關節在0°～30°前臂向前旋轉時透過橈骨頭傳導的應力最大，當前臂向後旋轉與肘關節彎曲角度提高時透過橈骨頭傳導的應力逐步削弱，如果肘關節完全處於水平狀態時，肘關節接觸面積超過彎曲時的接觸的面積，經橈骨頭傳導的應力亦較大[20]。說到穩定性，如果內側副韌帶抗外翻穩定性是最重要的結構，那麼重要性緊隨其後的就是橈骨頭，其在維護肘關節後外側旋轉穩定性方面同樣發揮著重要作用[21]。另外，橈骨頭的尺寸也關係到前臂軸向穩定性，在置換人造關節時，假體尺寸必須與橈骨頭完全吻合[22]。Takatori等[23]為代表的研究人員利用觸感感測裝置、壓力敏感膜、三維有限元分析法對肱橈關節之間應力的分佈情況進行分析，得到的結論是當橈骨頭前臂向後旋轉時應力大部分分佈在橈骨頭外側，當前臂向前旋轉與保持在中間位置時應力大部分分佈於橈骨頭內側。同時我國學者對肘關節處於水平位置?r橈骨頭應力傳導的情況作了研究與剖析[24]，切除橈骨小頭以後，肘關節負載的應力全部載入到肱尺關節上，肱尺關節外側將發生較為突出的應力集中的現象，繼而使其退變更加嚴重。這有力驗證了在肘關節傳導應力過程中，橈骨頭髮揮著重要作用，其對保持肘關節穩定性的關鍵作用。 3.3 本研究的意?x 對於發生橈骨頭骨折以後是否需要切除，人們並未形成一致認識，站在解剖學與生理學的立場進行分析，功能完善的肘關節可以更順利地發揮它的功能和作用。本論文以三維重新構建與有限元分析作為切入點，有力地證明了在維持肘關節的功能方面，橈骨頭髮揮著舉足輕重的作用。
總之，本論文構架起的肘關節三維有限元模型接近於人體解剖的現實情況，肘關節有限元接觸模型能夠對各關節之間接觸範圍與應力的調整進行更科學地分析與計算。對肘關節進行力學分析可知橈骨頭在肘關節的應力傳導及穩定性方面起到重要作用，應避免在肘關節屈曲0°～60°時受到較大暴力，或者受到外力作用時應當採取相應的保護措施加以保護，防止損傷關節或造成骨折，臨床上出現的多種橈骨頭損傷應當儘量重構建橈骨頭，預防由於橈骨頭損傷引發相應的併發症，將肘關節的穩定與完整性恢復到正常水平。
