基于CT灰度值赋值的股骨头坏死有限元模型对比
发布时间：2020-02-22
摘要背景：目前研究股骨头有限元模型多采用单例或较少样本建模用于特定的生物力学研究，对于模型稳定性研究不多。目的：以正常股骨头和股骨头坏死建模进行多样本的模型对照，通过应力分布规律和力学参数的对比，分析模型的准确性和稳定性，为股骨头坏死塌陷防治提供力学基础。方法：选择20髋经1年非手术治疗稳定未塌陷的股骨头为实验组，20髋单侧股骨头坏死患者的健侧设为正常组。采集股骨头CT数据分别建立有限元模型，观察正常股骨头与股骨头坏死应力分布、股骨头负重区最大等效应力与最大总形变量，对比并统计分析。研究方案经中国中医科学院望京医院医学伦理委员会批准，患者签署知情同意书。结果与结论：①建立了正常股骨近端、无坏死股骨近端和坏死骨有限元模型，单元数和节点数分别为502568±114196、692608±154678，449954±125824、623311±171401，19133±13167、27577±19131;②模拟单足站立位进行载荷设定的云图显示：当施以体质量2.5倍压强作用于股骨头负重区表面时，正常股骨头负重区表面应力均匀，应力延压力性骨小梁均匀分布在股骨头内，股骨距承受大部分应力;股骨头坏死负重区表面及坏死区出现应力集中区域，头内应力分散于股骨头颈交界，股骨颈内外侧应力相当，且股骨头坏死产生的形变多于正常股骨头;③股骨头坏死与正常股骨头的负重区最大总形变量分别为(4.14±1.31)，(1.36±0.22)mm，最大等效应力分别为(1.94±0.77)，(0.75±0.19)MPa，差异有统计学意义(P<0.05)，且两组数据偏于集中，模型稳定性较好。通过多样本的正常股骨头与股骨头坏死比较，证明了基于CT灰度值直接赋值反映了股骨头坏死的实际力学特性，具有较好的准确性和稳定性。
关键词：CT灰度值赋值;股骨头坏死;有限元模型;单元数;节点数;应力分布;最大等效应力;最大总形变量
0引言Introduction
股骨头坏死(osteonecrosisofthefemoralhead，ONFH)是世界性的难治病，学术界较为公认的治疗原则是早诊断、早治疗，预防或延缓股骨头塌陷[1-4]。对于塌陷的发生，多数研究者认为是坏死与修复交替进行的组织学变化，及其带来的生物力学改变未能达到有效的力学强度，因此明确股骨头坏死的生物力学特征对有效保护股骨头形态具有重要意义[5]。建立真实准确、稳定性高的有限元模型是研究股骨头坏死生物力学机制的关键步骤[6-8]，在目前的建模方法中，不同研究者采用的方法和工具各不相同，但都利用有限元模型对股骨头坏死的生物力学进行了相关分析，这其中包括利用CT图像数据区分皮质骨、松质骨和坏死骨及只区分股骨近端和坏死骨进行图像分割建模[9-10]，描述股骨头的组织特性。
但是，大部分研究将有限元模型用于某种特定研究，单例或是较少样本模型的稳定性并不明确，同时，建模过程中的人为因素参与为模型的几何和物理相似性带来一定的偏倚风险，很少有研究对有限元模型进行多例样本的稳定性研究。基于此，该研究在前期利用单例股骨头坏死患者CT数据区分皮质骨和松质骨建模基础上，拟不区分皮质骨、松质骨，减少图像分割及人为参与过程，通过CT灰度值直接对正常股骨头和股骨头坏死各部位组织进行赋值，得到有限元模型，对其稳定性进行多样本的验证。
1对象和方法Subjectsandmethods
1.1设计多样本计算机模拟仿真生物力学实验。
1.2时间及地点于2017年6月至2019年1月在中国中医科学院望京医院及北京理工大学生命科学学院完成。
1.3对象
1.3.1病例来源选择在中国中医科学院望京医院骨关节三科就诊并接受系统治疗的成人股骨头坏死患者，共35例，选择20髋经1年治疗稳定未塌陷的股骨头为实验组，20髋单侧股骨头坏死患者的健侧为正常组。患者知晓全部过程自愿参加，并签署知情同意书。该研究方案经中国中医科学院望京医院医学伦理委员会批准。
1.3.2诊断标准参照MONT等[11]提出的股骨头坏死的诊断标准，分期参考国际骨循环学会(AssociationResearchCirculationOsseous，ARCO)的标准[12]。
1.3.3纳入标准至少有一侧为ARCOII期的股骨头坏死;随访1年股骨头无塌陷者。
1.3.4排除标准合并其他髋关节疾病;CT图像有噪点或无法拷贝。
1.4材料软硬件设备：GE公司Brightspeed16排螺旋CT;联想(LenovoThinkStation)P510图形塔式工作站;图像处理软件为Mimics16.0;逆向工程软件：GeomagicStudio2012(64bit);有限元分析软件：Ansys14.0。
1.5方法
1.5.1原始资料收集采用GE公司Brightspeed16排螺旋CT进行双髋关节骨组织窗扫描，层厚1.25mm，层间隔为0.625mm，得到二维CT图像，将获得的图像原始数据以DICOM3.0标准保存。
1.5.2建立模型髋关节CTDICOM3.0图像的bim格式导入Mimics16.0，基于CT灰度值进行阈值分割，界定阈值在226-1672Thresholdinig单位，修剪蒙板，擦除噪点，填充目标区域，建立股骨近端和坏死骨区域三维模型(图1)。此步骤需2名从事股骨头坏死研究的高年资医师共同依据X射线片、CT和MRI确认坏死区域。
1.5.3生成网格模型GeomagicStudio2012软件导入model文件，利用软件工具将坏死骨三维模型与股骨近端做表面润滑操作。润滑操作需注意力度，以保持原型为原则。再次，利用布尔运算(BooleanCommand)，将整个股骨头与坏死区作减法运算，得到不包括坏死骨的无坏死股骨近端三维模型与坏死骨三维模型。最后，应用ANSYSMechanicalAPDL选择单元类型，进行网格划分，保存nodes节点数、elements单元数和prep7文件(图2)。
1.5.4材料赋值与力学加载参考前期研究[13-16]，根据CT灰度值-表观密度-计算弹性模量值，公式：ρ[kg/m3]=0.0464·HU+1000，E[Pa]=3790·ρ3(ρ表示密度，E表示杨氏模量)。其中坏死骨赋予10级材料属性，股骨近端赋予30级材料属性[17-18]。参考BROWN等[7]研究结果设置股骨头的负重区，此区域位于股骨内外方向对向股骨头中心的弧度为40°，前后方向对向股骨头中心的弧度为80°，模拟单足站立位进行载荷设定和静态分析，施加压力以体质量的2.5倍进行模拟计算[19]，见图3。
1.6主要观察指标有限元模型节点数与单元数;实验组与正常组的应力分布情况及股骨头负重区的最大等效应力与最大总形变量的变化。
1.7统计学分析采用SPSS20.0对数据进行统计学分析，其中计量资料符合正态分布则将数据表示为_x±s，采用t检验统计分析;不符合正态分布则用中位数代表平均水平，采用秩和检验;计数资料采用卡方检验或者秩和检验进行统计分析。P<0.05则代表差异有显著性意义。
2结果Results
2.1一般资料研究共纳入患者35例，其中男性20例，女性15例;双侧发病14例，左侧10例，右侧11例。纳入20髋经1年治疗稳定未塌陷的股骨头为实验组，20髋单侧股骨头坏死患者的健侧为正常组进行研究。两组患者年龄、侧别、体质量指数等一般临床资料比较见表1，两组患者年龄、侧别、体质量指数差异无显著性意义(P>0.05)。
2.2模型建立结果分别建立了20个正常股骨近端、不包括坏死骨的无坏死股骨近端和坏死骨的有限元模型，且不同模型的单元数与节点数均有不同，同一模型的数值较集中，有利于后续有限元分析的运算，具体见表2。
2.3股骨头坏死力学传导分析结果对正常及坏死的股骨头模拟单足站立位进行应力分布(图4)及形变分析(图5)。云图显示：当施以体质量2.5倍压强作用于股骨头负重区表面时，正常股骨头负重区股骨头表面应力均匀，股骨头内应力延压力性骨小梁均匀分布在股骨头内;股骨头坏死显示股骨头负重区、坏死骨出现多个应力集中区域，股骨头表面应力分布不均匀，股骨头内应力分散于股骨头颈交界处，内外侧应力相当，且股骨头坏死产生的形变多于正常股骨头。
2.4最大等效应力、最大总形变量比较三维有限元模型结果显示，股骨头坏死负重区较正常股骨头负重区比较最大等效应力与最大总形变量明显增大，差异有显著性意义(P<0.05)，说明力学参数较真实的反映了股骨头的力学特性，且两组标准差偏于集中，数值稳定性较好，具体结果见表3。
3讨论Discussion
3.1股骨头坏死有限元模型现状与对比股骨头坏死是致残率极高的骨伤科疑难病，未经治疗的患者80%股骨头会在1-4年内塌陷，不得不通过人工关节置换恢复关节功能，给社会、家庭带来了沉重的负担[20]，因此，预防或延缓塌陷具有重要的研究意义。股骨头塌陷是生物学和生物力学共同作用的结果[21-22]，除生物学研究之外，股骨头作为负重关节髋关节的组成部分，其生物力学的认识和研究对髋关节生理功能的体现尤为重要，因此有必要进行股骨头的生物力学研究，模拟真实股骨头坏死的受力情况，为股骨头坏死塌陷的防治提供数据基础。
有限元分析是分析股骨头坏死生物力学的主要研究方法之一，建立真实准确、稳定性好的有限元模型是其关键步骤[23-24]。目前的研究中，不同研究者采用的方法和工具各不相同，包括利用几何模型、力学参数或是利用真实股骨头标本逆向建模，尽可能的还原股骨头的组织特性和形态不规则性。在影像资料选择方面，现阶段的有限元模型主要采用CT图像来提供几何形态信息和参数，股骨头区域分割包括区分皮质骨、松质骨赋值，不区分皮质骨、松质骨赋值，其中，区分皮质骨和松质骨的建模方法需准确区分皮质骨、松质骨和坏死核的范围;不区分皮质骨、松质骨的建模采用整体建模方法。有研究将股骨头分为软骨、软骨下坏死区、肉芽带、硬化带和正常骨小梁进行人为划分建模[25]，但是人为划分区域在技术上显得相对复杂，人为误差不可避免，且需要大量时间操作，难以模拟多个坏死区及不同坏死区交叉的真实情况。
在研究对象的选择方面也存在差异。有研究选择健康成人股骨头作为研究对象[18，26]，通过赋值及力学加载模拟股骨头坏死受力;有研究选择成人股骨头坏死患者[27];有研究利用尸体的股骨头解剖标本进行生物力学研究[28];有采用人工关节置换术后的新鲜股骨头标本作为对象进行CT扫描[29]，其样本多是单例或较少样本。
该研究利用通过CT灰度值直接赋值的方法，区别于以往，利用20个正常股骨头与20个股骨头坏死的有限元模型进行多样本的对比研究，严格的区域分割、模拟真实情况进行力学加载，证明了有限元模型结果的准确性与稳定性。
3.2建立有限元模型的关键环节有限元模型是研究股骨头坏死生物力学的重要基础，模型的精确性和稳定性是后续各种实验研究的关键，因此，建模过程应充分考虑模型的准确性和稳定性。
区域分割尽量减少人为因素参与[30]。人为因素的参与为有限元模型带来了一定的偏倚，因此应在保证模型质量前提下尽量减少人为因素参与，最大程度的将人工处理与软件处理相结合。此次研究在前期分割皮质骨与松质骨建模的基础上，进一步减少人工处理，采用CT灰度值直接赋值，仅分割坏死区和股骨近端，其中坏死区的划分由2名从事股骨头坏死研究的高年资医生共同依据X射线片、CT、MRI检查综合决定。坏死区的组织分割细化尽管更精确的还原了其生物学特性，但增加了人为操作且技术复杂，需要大量时间，不利于临床多样本的重复研究，故此次研究未进一步细化坏死区。
建立具有良好的几何和物理相似性的有限元模型是进行精确力学分析的前提[31]。此次研究在润滑过程中，严格控制润滑力度，多次尝试，以保证股骨头原始几何形态为准。另一方面，研究集中对比了20例正常股骨头与股骨头坏死的模型力学传导情况，正常股骨头负重区股骨头表面应力均匀，应力延压力性骨小梁均匀分布在股骨头内，股骨距承受大部分应力;而股骨头坏死在负重区、坏死骨区域出现应力集中区域，股骨头内应力分散于股骨颈内外侧。同时，实验组与正常组的云图显示股骨头坏死的形变更大，过大的形变超过一定范围得不到及时修复就会出现塌陷，这与股骨头坏死应力集中密切相关[32-35]。
模型的稳定性是股骨头坏死的后续各项力学研究的基本保证[36]。而大部分有限元模型的建立多是采用单样本或较少样本，为进行某种特定的力学研究建模，或研究生物支撑材料的力学效能，或不同手术间的模拟测试，尽管取得了一定的结果，但却无法保证模型的稳定性。此次研究将正常股骨头与坏死股骨头给予体质量2.5倍的压力进行模拟时，提取最大等效应力与最大总形变量参数，股骨头坏死与正常股骨头之间均具有统计学差异(P<0.0.1)，且力学参数集中，模型稳定性较好，并与BAE等[37]发表的研究结论接近。
3.3实验设计的局限性为了保证模型的准确性和稳定性，建模过程的每一步进行了充分的文献研究与实践尝试，并通过对髋关节真实受力情况的模拟，对比了正常股骨头与股骨头坏死的应力分布，但此次研究也存在着一定的局限性。髋关节是负重关节，日常步态包括慢走、快走、慢跑等速度的变化，髋关节周围肌肉群的参与程度也不同，但此次研究只模拟了单足站立位进行载荷设定和静态分析。建模过程中，控制人为因素参与的程度，精确的分配赋值材料数目，髋臼与肌肉等组织结构的建模，多种步态的力学模拟[38-41]，都是完善模型建立的必要研究环节。此次研究只针对坏死骨和股骨近端进行建模，尚未增加髋臼及肌肉等组织结构的建模;其次，根据赋值公式直接定义了坏死区材料属性的赋值，并未进一步分割细化。在下一步工作中，将细化建模步骤，在保证模型的准确性前提下，对各个关键环节进行更为细致的相关因素分析。
基于CT灰度值赋值的股骨头坏死有限元模型对比相关期刊推荐：《中国组织工程研究》(旬刊)创刊于1997年，是中华人民共和国卫生和计划生育委员会主管，中国康复医学会;中国组织工程研究杂志社主办的部级学术期刊。杂志的宗旨为面向国际，立足本土，力争办成传播中国组织工程领域学术研究成果和受中国组织工程研究领域专业读者认可的国际化学术期刊。设有：生物材料研究 、组织工程研究 、干细胞培养与移植研究 、软组织工程研究 、器官移植研究 、硬组织工程及植入物研究 、组织工程实验造模、方法及技术研究等栏目。
