肌骨生物力学有限元研究发展历程

由于现代生物力学和有限元方法的发展历程并不长，其历史轨迹清晰可见。以史为鉴，可知得失。回顾学科发展历程，对于其现状和未来会有更加明确的认识。

5.3.1.1 世界发展历程

有限元方法的发展是从20世纪60年代开始的。该方法被应用到骨生物力学研究中，则源于1972年，Brekelmans等人[22]建立了二维均质各向同性的股骨模型，对其材料参数进行假设赋值后进行了加载分析，并用实验测试结果与数值分析结果进行比较。1983年，荷兰内梅亨大学Huiskes与美国梅奥诊所赵以甦对骨生物力学有限元分析最初10年的104篇文献进行了回顾[23]。他们指出，在最初10年中，该领域的大部分工作，是致力于方法学方面，而不是解决问题。在这段时间内研究的案例和应用的模型都是简单直接的，但这些工作无疑为今后的发展奠定了重要基础。他们预测，在之后的10年中，最大的挑战是产生足够的可靠数据来输入计算机模型。当精确模拟非线性和动态载荷结构的能力增大时，材料性能、边界条件和载荷特性的更精确的表述将越来越成为重点。

在该领域最初发展10年内，我国的骨生物力学有限元研究也开始起步。在20世纪80年代初期，太原工学院（太原理工大学前身）吴文周、上海科技大学（上海大学前身）王以进等老一辈骨科生物力学先驱就率先发表了其最初的研究成果。也有研究者第一时间将Huiskes和赵以甦的《骨科生物力学有限元分析头10年工作综述》翻译过来发表，催生了最初一代研究高潮。这个时期国内研究的参与者主要来自于力学界，对新技术新方法非常敏感，奠定了此后几十年发展的基础。

在第二个10年之末，已经到密歇根大学工作的Huiskes与另外一名合作者Hollister对该领域进行了回顾，并将重点放在结构优化、过程分析、微结构建模这三个发生深刻变化的方面[24]。10年前的综述写道：“有限元方法，创造了一个激动人心的环境，提供为之前做梦都想不到的潜在应用”[23]。“十年之后，梦想成真”[24]。在这第二个10年中，我国的相关研究是一个普及和教育的阶段，越来越多的研究者参与其中。除力学工作者之外，戴力扬等一批有远见卓识的医学青年也参与其中。从历史的角度来看，这段时期的发展影响了之后的学科发展脉络。

在第三个10年里，有限元方法在生物力学中的应用被广泛认可，在骨科各个分支中的应用也百花齐放。1995年，吉尔伯特森等人对有限元方法在脊柱外科中的应用头25年进行了综述[25]。1998年，张明、麦福达和罗伯茨[26]对有限元方法在下肢假体接受腔研究中的应用的最初10年进行了回顾，认为当时的模型精度还有待提高，并提出要在以后的研究中将非线性和动态影响考虑进去。在这一时期，国内的研究也取得一定进步，但是主要以跟踪性研究为主。

只有到了第四个10年，骨生物力学有限元研究才得到真正意义上的蓬勃发展。2015年，Taylor和Prendergast[27]回顾了有限元方法在过去40年对骨科器械发展的作用，并阐述了其应用现状及未来趋势。2013年，德国、意大利和加拿大的科学家则共同回顾了过去40年内的腰椎间盘有限元模型研究，他们认为：“有限元方法帮助我们降低对动物或尸体实验的依赖，是生物力学和临床研究的无价之宝”[28]。

5.3.1.2 国内研究现状

近十年来，在骨生物力学研究领域，来自中国的研究成果，在国际期刊的发表数量增长尤甚。香港理工大学在该领域的研究对大陆学界的影响非常大。香港理工大学与四川大学、北京航空航天大学、同济大学和山东大学等单位都在骨生物力学有限元研究方面有合作。香港理工大学张明教授与北京航空航天大学樊瑜波教授合著《Computational Biomechanicsofthe Musculoskeletal System》（肌骨系统计算生物力学），是该领域研究的一个里程碑。该书由25章组成，以人体部位为划分标准，每章为一个主题，概括了近年来我国在计算生物力学，尤其是有限元分析技术在肌骨系统生物力学方面的应用进展。

北京航空航天大学樊瑜波教授团队的研究工作可圈可点。郭欣等人应用有限元方法，研究了腕橫韧带松解术对轴向压缩载荷下腕骨力学行为的影响。都承斐等人联合有限元模型和多刚体模型，研究了飞行员弹射逃生时胸腰椎的生物力学。课题组还研究了假体治疗股骨转子间骨折的生物力学，跪姿和站姿下膝关节软骨的生物力学，膝关节前交叉韧带重建术的生物力学，以及使用U型椎间盘假体进行颈椎关节成形术的生物力学影响。

同济大学在骨有限元分析领域的工作也引人注目。2005年前后，牛文鑫在ANSYS中建立的足踝有限元模型，研究了跖筋膜松解对人体足部的变形和应力影响。朱睿等人比较研究了全骶骨切除后四种方法重建的生物力学。郑龙坡等人则比较研究了骶骨部分切除术后腰骶椎两种方法重建的生物力学。倪明等人研究了不同内固定方法用于固定跟骨关节内骨折的即时稳定性。

近年来，足踝生物力学研究成为我国骨生物力学研究的一个特色。宁波大学顾耀东等人研究了在步态中触地时足跟皮肤刚度对足部的生物力学影响。宁波第二人民医院研究了载距突螺钉固定治疗SandersⅡ型跟骨骨折的力学影响。吴立军[39]基于中国数字人女1号建立了足踝部二维有限元模型，并研究了筋膜切开术和足底韧带损伤对肌骨系统的应力影响。该模型还被用来分析跖骨髓腔和跟骨窦对足弓结构的应力应变影响等。

我国的另外一个特色研究方向是骨盆生物力学。雷建银等人建立了六面体骨盆三维有限元模型，并验证了其有效性。上海交通大学研究了在人体载荷传导过程中骶髂关节的滑液状态。同济大学比较了骨盆Ⅰ区切除后四种方法重建的力学稳定性。清华大学和北大医院合作研究了有限元分析中边界条件对轴向压缩下骨盆的生物力学影响。四川大学研究了CroweⅠ和Ⅱ型髋臼发育不良高位定位的生物力学影响。

生物力学在脊柱外科中应用甚广，也是有限元方法的传统用武之地。上海交通大学王成煮课题组将有限元方法应用于青少年特发性脊柱侧弯个体化支具的设计研究中。上海理工大学方新国等人进行了颈胸段脊柱全脊椎切除术后不同重建方式的有限元分析比较研究。苏州大学骨科研究所张文等人研究了腰椎行椎间孔入路椎间融合术固定。北京航空航天大学项嫔等人研究了不同牵拉条件对腰椎的生物力学影响。温州医学院吴信雷等人研究了下腰椎Coflex动态固定的生物力学影响。