正常与骨质疏松髋关节模型的建立及有限元分析

背景：骨密度是临床上判断骨骼强度的金标准，但骨密度对骨量变化的敏感较低，只有骨量明显降低时骨密度才会出现大幅变化，故骨密度对骨强度变化和骨折危险度的预测能力有限。目的：建立正常与骨质疏松髋关节模型，分析单腿站立工况下正常及骨质疏松患者髋部应力及形变情况。方法：选择1例健康成年女性志愿者为研究对象，年龄36岁，获得该志愿者的髋部CT数据并以DICOM格式保存。对髋关节模型进行三维重建，通过灰度赋值法赋予材料属性，按照经验公式，获得正常与骨质疏松髋关节模型。设定相同的边界条件和载荷，模拟单腿站立位状态下正常与骨质疏松髋关节应力及形变情况。结果与结论：(1)在正常及骨质疏松髋关节有限元模型中，股骨颈内侧区域应力分布较为集中；(2)在髋骨中，应力分布主要集中于髋臼上部；(3)正常髋关节模型比骨质疏松性髋关节模型在股骨颈内侧、髋臼上部的应力峰值大，可能是由于骨质疏松性骨骼骨强度降低导致；(4)正常及骨质疏松髋关节模型的Von Mises峰值都集中于股骨颈内侧，髋骨Von Mises峰值较小，说明骨质疏松对髋骨受力整体影响相对较小；(5)单腿站立位下形变方面，正常髋关节模型最大形变位于髋臼与股骨头处，骨质疏松髋关节模型最大形变位于股骨大转子上部；(6)提示有限元分析法模拟骨质疏松症骨组织的相关参数，可能会提高临床上对骨质疏松患者骨强度变化的监测和骨折风险的预测能力，从生物力学角度解释了股骨转子间、股骨颈是骨质疏松性髋部骨折的好发部位。