【中图分类号】R318 【文献标识码】A 【文章编号】2095-6851（2017）10--01
与传统的实验生物力学分析相比，具有可视化、无创性等特点的理论生物力学研究方法，日渐受到学者青睐，有限元分析法便是其典型代表[1]。研究人体膝关节解剖结构和生物力学特性对于了解骨折发生机制、制定出手术规划、术后康复和假体设计等具有重要作用。为了总结膝关节建模新思路及其有限元分析的应用现状，展望发展方向，本文就数据获取方法、主要相关软件、临床成果等方面作一综述。
1 膝关节有限元建模
如何建立一个准确逼真的、可视化的膝关节有限元模型一直是学者们关注的焦点，是有限元生物力学分析应用于临床实践的基础。
1.1 有限元法的基本原理
有限元法实质是一种离散数学计算方法，广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学、结构分析等连续性问题。它是将一个连续的由无限个质点所构成的弹性体，通过一定的数学计算法分割成为有限个体单元，利用有限元软件在计算机中对原物体进行合成，并对几何体定义单元类型、赋予材质，从而获得与所模拟的实际物体相类似的材料质地、结构、物理参数和机械性能，逐步研究每个单元，最终达到对弹性体整体进行分析的目的，即基于“化整为零，集零为整”的基本思想[2]。
1.2 有限元力学分析流程
通常可分为三步骤：一、建立实物的有限元模型；二、边界条件和激励、求解；三、查看结果。将获取到的膝关节原始数据导入Mimics、3D-Doctor等三維建模软件中，建立对象的几何模型，再导入Hypermesh、Geogamic等软件中滤波去噪、平滑、网格化等修饰图像，进行有限元分析前处理，然后再导入ANSYS、ABAQUS等有限元分析软件中，定义单元类型、材料赋值、边界约束及加载、求解等，在后处理器中查看结果。以上为国内大部分文献建立膝关节有限元模型、力学分析的常规流程，部分研究者用自编软件完成。因有限元建模的主要数据来源不同，所用软件可自行选择，所以目前尚无膝关节有限元分析的统一路径，呈多样化发展态势。
1.2.1 数据获取及新思路 常用的建模数据获取方法主要有三种，即连续断层切片法、三维激光扫描法、断层扫描成像法。连续断层切片法：将人尸体组织通过各种处理，使标本固定硬化并予连续切片，获取断面图像，通过计算机技术整合，将二位平面信息转换为三维体成像，获取人的三维立体结构信息[3]。三维激光扫描法：利用三维激光扫描仪对物体进行空间三维测量、定位，获取其表面的空间位置点云信息，再通过软件把点云再现成三维实体数字模型。该法因需特殊的三维扫描仪器，且只能获取表面信息，目前多用于膝关节金属假体的有限元建模[4]。断层扫描成像法：以计算机X线断层扫描和核磁共振成像为代表，这两种方法都具有无创性、数据易获取等特点，目前应用最为广泛。前者具有定位精确、扫描层厚薄、速度快等优点，所建模型较精准，于骨骼系统有限元建模中应用更广泛[5]。核磁共振成像利用组织中含水率不同，即质子振动释放信号强弱不同显像，在软组织显示方面可弥补前者不足[6]。
近年来，多位研究者综合上述多种方法的优势，建立了更加准确可靠的有限元生物模型。如有人利用CT和MRI图像配准融合的方法构建人体膝关节有限元模型，保证了各解剖结构的真实性，并为准确模拟膝关节生物力学特性提供了前提，是值得借鉴的建模新思路[7]。因CT和MR图像的配准融合技术，存在数据获取时的伦理学问题，扫描时的定位、标定，配准融合时的坐标转换、变换矩阵、重定位等技术难点，故较少实际应用于临床实践。
1.2.2 重建膝关节数字化模型的常用软件 有限元分析所涉及软件种类繁多，可灵活选择不同软件的组合形式。常用软件有：Mimics软件是目前数字医学领域应用最广泛的软件，它是模块化结构的、交互式软件，可以根据用户的不同需求有不同的搭配。它具有强大的体数据浏览功能，可将CT或MRI扫描的二维DICOM数据导入，利用图像分割工具提取感兴趣区域，重建其三维模型，利用其测量工具进行人体解剖学分析。其自带的MedCAD模块，可创建基本的CAD对象，是其与医学影像的桥梁；Simulation模块可虚拟手术、假体植入，术前即可对手术进行预期和评估；FEA模块是有限元分析前处理工具。
GeomagicStudio软件是被广泛应用的逆向软件，可从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换成NURBS曲面。利用该软件对图像进行优化处理，拟合曲面，网格划分，消除模型中不合理的点、面，使所建立的模型更加美观、舒适。
Hypermesh软件是一款高性能、高质量、高效率有限元前处理器，它有高度交互的可视化平台帮助用户建立有限元模型；提供了广泛的与CAD、CAE、CFD软件接口，供用户选择，可以与现有大部分仿真环境无缝衔接。其强大的几何清理能力、高质量高效率的网格技术、先进的网格变形技术，能大大提高建模的效率和质量。该软件与Geomagic studio软件是文献中提及的两款主流有限元网格优化前处理软件。
Ansys软件和Abaqus软件是医学领域应用最多的生物力学分析软件，它们各有所长，有多模块、涉及多领域，覆盖了结构分析、电热磁、流体分析等方面。Ansys软件主要致力于线性分析[8]，后者致力于非线性力学分析，能解决结构力学分析较深层次问题。实际工作中，为了简化计算量，通常我们会对模型作大量假设，如假设骨头为同质、同向、线性弹性体，忽略骨皮质和松质的不同，简要的重建膝关节的主要韧带，只能在一定程度上模拟人体膝关节的某些机械性能、力学特征。事实上，非线性是更普遍的现象，故Abaqus软件在生物力学研究方面的结果较前者更加真实、合理、可靠。
2 膝关节有限元生物力学分析的应用
2.1 有限元应用于膝关节损伤、退变机制研究
膝关节是人体全身各骨关节中结构最大、最复杂，承受杠杆作用力最强的关节，由于其形态特征的特异性，膝关节并非非常稳定，损伤很常见。据世界卫生部统计，膝骨关节炎在40岁以上人群中总患病率为28.7%[9]，多见于中老年人，是影响中老年人生存质量的重要因素。二者是膝关节有限元应用于临床非手术领域的主要研究方向。对膝关节的生物力学特性进行分析，不仅可以对膝关节创伤发生的机制进行明确的论述，而且可以对诊断和康复提出科学的指导和计划；可整体上把握膝骨性关节炎的病理生理机制，更直观的分析其易感因素[10]。多位研究者[11-13]利用膝关节有限元模型，模拟膝关节交叉韧带及半月板损伤，分析其对膝关节应力的影响。姚杰等[14]模拟跳伞着陆过程的实验数据，分析了跳伞员特殊人群膝关节损伤的机理。张冠军[15]模拟现实交通事故中膝关节损伤，对研究行人下肢损伤机制及其防护方法提供了参考依据。有限元分析在研究膝关节损伤机制及关节退变、关节炎病理生理机制方面的运用，对于相关疾病的防治有积极指导作用。
2.2 有限元应用于膝关节手术领域研究
主要体现在术式选择与手术效果评价、骨折固定器械及假体的力学研究等方面。骨折导致骨骼失去原有功能及形态，力学性能改变或消失，手术的目的是重建其解剖结构及恢复支撑功能，利用术前的三维数据重建有限元模型，并在计算机中模拟手术，进行应力分析，了解手术是否能尽可能地恢复骨骼原有力学特性，综合评估多种可行术式的优劣点，利于建立更完善、优良的手术规划。叶俊星[16]研究前交叉韧带重建术后股骨隧道角度对股骨隧道壁接触应力的影响，得出最佳股骨隧道角度为25°。刘忠堂[17]对比置换髌骨后对髌股关节生物力学的影响，认为术中可选择性地不进行髌骨置换。对于手术所需的骨折固定器械及假体设计，既要求骨折固定切实可靠，同时应减少应力阻挡、并发术后骨质疏松风险，故适当强度的科学设计方利于患者术后康复。有限元分析法，可以对假体或植入物进行数字化模拟，定量分析应力场变化，进而优化设计方案。刘利等通过在不同工况、不同夹角情况下对相同型号配对和不同型号交叉配对的人工膝关節的对比接触分析，研究了这两种配对之间的应力关系，为人工膝关节相近型号交叉配对的可行性提供了参考。张绪树通过对不同运动状态下国产人工膝关节接触压力分析，认为国产人工膝关节假体符合临床需求。
3 膝关节有限元分析存在的问题与展望
有限元分析具有可反复利用、节约成本、可操控性强、影响因素小等优点。同时，我们也应看到其不足：它只是一种数字化模拟，只能在一定程度上对解剖结构、力学特征进行仿真；目前尚无验证膝关节模型正确性、合理性的统一标准，存在一定的主观性或误差。
综上述，三维可视化膝关节有限元模型构建的数据获取及逆向工程重建方法、途径多样，并随着计算机技术和软件工程的发展，所构建的模型日渐复杂、逼真，可一定程度上模拟真实膝关节的力学特征，为其更广泛地应用于临床奠定了基础。同时，如何将其更好地与临床相结合，实现由基础研究向临床应用转化及提高转化率，是下一个课题。
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