有限元分析助力骨质疏松症的研究

10月20日，是世界骨质疏松日。这一天是由世界卫生组织于1998年正式确立，旨在对大众普及有关骨质疏松症的知识，预防和减少骨质疏松性骨折的发生。骨质疏松症是中老年人的常见病、多发病，我国目前约有患者7000万人。骨质疏松症严重地危害中老年人的健康，已成为21世纪初世界广泛关注的严重社会问题之一。

一般来说，双能X射线检查骨密度已广泛用于骨质疏松症的诊断，然而，临床观察表明双能X射线吸收法预测却在敏感性和特异性方面存在缺陷，从生物力学角度来看，需要一种能够准确表现骨三维几何形状及骨材料属性异质性分布的研究方法，才能更好地对骨强度进行评估，研究人员将目光投向了有限元分析。

由于有限元法能处理复杂的几何形状及材料属性分布，其常用于估计正骨及小梁骨的强度和刚度，还用于计算组织内应力及应变分布。此外，有限元还能预测骨强度，用于验证调节骨量及结构的力学-生物学理论模型、探究骨骼疾病和骨骼脆性的病理生理学机制。

小梁骨有限元分析

通过有限元分析，表明了小梁骨组织疏松结构的影响，当小梁组织受到特定外加负荷时其内部不同部分组织水平的应力及应变变化范围较大。

上图为人类胫骨近端骨小梁5*5*5mm标本为有限元分析结果。颜色分布表示在三个方向上单轴压缩负荷产生的标本内最小主应变值。结果显示，即使是在单一的载荷状态下，显著水平的负荷也会导致广泛多样的组织水平应变。显著水平应变为-0.73%（表观抗压屈服应变），某些区域经受可以忽略不计的最小主应变（蓝黑区域），而其他区域经受的最小主应变当量可以是显著水平应变量的25倍（红色区域）

整骨有限元分析

通过QCT扫描生成的人类骨腰椎椎体有限元模型，QCT扫描出的每个像素都被转换成立方体有限单元，有限单元颜色表示单元轴向弹性模量，其中红色表示最大、绿色表示中间、蓝黑色表示最小。要注意相邻单元可以被赋予不同的下料属性，从而能够忽的结构的几何学形态及材料异质性。

研究人员运用九千六百万和七千一百万个单元的为有限元模型来评估正常和疏松股骨的应力及应变分布。结果显示，在行走时，疏松骨伤的应变量更大，其分布更不均匀。因此，在疏松股骨中有较大比例的骨组织存在被破坏的危险。有限元法对研究骨折基本机制、制定增加骨强度的治疗原则都非常有帮助。

正常股骨（左）和骨质疏松股骨（右），行走状态下小梁组织内的最小主应变分布

有限元分析不仅能对整骨及骨标本的强度及刚度进行评估，还有利于探究骨力学行为内在机制及骨适应的生物力学调节。当模型是由单个骨的CT或MRI扫描生成时，有限元分析可以对特殊对象的骨强度及与骨植入物的相互作用进行评估。随着未来计算能力和成像技术的继续发展，有限元分析技术将发挥更大的作用在生育医疗领域。元王作为国内CAE技术应用领域的佼佼者，期待与更多优秀企业合作，为医疗行业发展提供技术支持。