不同松质骨体积分数影响股骨近端表观力学响应的有限元分析

摘要

背景:目前评估骨折风险仍依靠骨密度测试,然而,骨密度检测忽略了影响骨折的其他机制,包括多个尺度上的骨三维结构和材料特性。尽管骨密度提供了有用的信息,但其在预测骨折风险方面的价值有限。目的:通过构建不同松质骨体积分数股骨近端三维有限元模型,探究微观参数松质骨体积分数对股骨近端表观力学响应的影响。方法:收集1例健康志愿者股骨近端CT数据,以DICOM格式导入Mimics重建三维模型,并赋予骨质疏松皮质骨、松质骨相应材料参数,导入Abaqus中通过单元均匀删除脚本,构建35%,30%,25%,20%,15%松质骨体积分数的有限元模型。在股骨头上方建立参考点并施加载荷于股骨头上方与髋臼接触区域,分析股骨近端在生理站立位应力下的力学响应差异。结果与结论:(1)站立位载荷条件下,股骨颈外上侧所受张应力始终大于颈内下侧压应力值,随着松质骨体积分数降低,股骨近端所受张应力、压应力均逐渐增大,15%模型最大张应力、最大压应力分别是35%模型的1.91倍和1.42倍,最大主应变增加4.76倍,股骨整体刚度下降58%;(2)单足站立状态下,股骨皮质骨较松质骨相比承担了更多的应力,而松质骨在股骨整体弹性响应中承担不可或缺的作用;(3)随着松质骨体积分数的下降,股骨颈外上侧张应力增加幅度更大,结合颈外上侧区域作为骨量丢失最为显著的区域,在跌倒载荷下同样处于应力集中区域,在临床中常常为骨折断裂的起点,这提示着颈外上侧的相关参数(如骨密度和体积分数)是否可能成为预测脆性股骨颈骨折更为敏感的指标,值得进一步探究。