老年人跌倒腕关节背伸损伤机制的有限元分析

参考文献：[1]侯泽欣,许本柯,戴媛等.老年人跌倒腕关节背伸损伤机制的有限元分析[J].中国组织工程研究,2024,28(06):886-890.

摘    要：

背景：目前国内外设计的腕部防护佩戴产品尚没有解决既保护腕关节不受损伤又保持腕关节灵活运动的矛盾。目的：探讨老年人跌倒腕关节背伸性损伤的生物力学机制，为预防和治疗老年人跌倒腕关节损伤提供生物力学依据。方法：选取1名65岁老年人对其左侧前臂中下2/3直至手指末端进行不间断CT扫描获取原始数据，利用ANSYS 12.0有限元软件建立腕关节背伸状态的有限元模型，约束模型的手掌面，给予模型一个大小为2 m/s、方向垂直向下的速度载荷模拟老年人跌倒时手掌撑地的受伤状态，观测载荷作用后腕关节软组织、骨骼的应力分布以及应力随时间改变情况。结果与结论：(1)研究建立了真实有效的老年人腕关节背伸位有限元模型，载荷作用后软组织应力主要集中于手掌小鱼际以及腕背侧，骨骼应力背侧主要集中于尺桡骨下端，桡骨下端的应力最大，掌侧应力主要集中于桡骨中下1/3、钩骨，尺桡骨的应力分布不对称，以桡骨应力更集中；(2)研究结果与临床老年人跌倒腕部损伤情况相符，可用于腕背伸损伤机制的解释，可为预防老年人因跌倒而发生腕关节损伤的腕部防护用品的设计以及腕部损伤的治疗提供生物力学依据。

关键词：腕关节;背伸损伤;老年患者;生物力学;有限元;

0引言Introduction

随着中国经济社会的发展，人均寿命大幅提高，人口老龄化程度不断加重，老年问题不断凸显，这已然成为了如今以及今后不得不面对的一个非常严峻的社会问题[1]。老年人由于内在功能减退、反应迟钝、肌肉萎缩、步态不稳和平衡功能下降，时常发生跌倒[2,3,4]，而且随着年龄的增长，跌倒发生率逐渐增加，每年65岁以上的人群中28%-35%发生过跌倒，70岁以上的老人跌倒发生率则高达32%-42%[5]，中国老年人每年发生跌倒的比例也高达18%[6]。老年人由于骨质疏松，一旦跌倒，多会发生骨折，这也是老年人跌倒带来严重后果的主要原因[7]。从临床来看，腕部、髋部以及脊柱骨折最为常见，一旦骨折，患者不仅要承受伤病疼痛，还会因此而短时或是长期丧失自主生活能力，有的甚至卧床不起，生命终结[8,9]。因此，跌倒是严重影响老年人生活质量和生命健康的危险因素。在人跌倒发生时，由于本能的反应，往往手掌撑地以求减轻伤害，但也容易造成腕部骨折。因此，如何预防跌倒或是采取一定的防护设备减轻跌倒造成的伤害就非常重要，可以很大程度提高老年人的生活质量，增强他们的个人、家庭幸福感，同时也极大程度地减轻了社会经济、护理等负担。在手腕部防护设备的研究中要根据老年人的特点以及跌倒时手腕部受力情况有针对性地设计佩戴方便、外形美观、防护作用强而又甚少影响手腕的正常活动功能的产品。国内外不少学者通过体外生物力学实验和有限元理论生物力学研究，根据研究结果设计了不同的腕部佩戴产品，都各有特色，也各有不足，尚没有解决既能保护腕关节不受损伤又保持腕关节灵活运动的矛盾[10,11]。为设计出更好的产品，对老人跌倒手掌撑地时手腕受力情况进行可视化的研究非常重要。该研究利用老年人CT原始资料建立包括前臂中下2/3和整个手腕的有限元模型，模拟老年人跌倒时受伤状态，可视化分析软组织、骨骼的应力情况，以期为更深入认识腕部跌倒损伤以及设计更加科学有效的防护设备提供一定的生物力学依据。

1 材料和方法Materials and methods

1.1设计

三维有限元分析，单一样本观察。

1.2时间及地点

实验于2022年1-6月在长江大学机械学院生物力学实验室完成。

1.3 材料

1.3.1 建模原始资料

选取65岁健康女性志愿者1名，在签署知情同意书后对其左侧前臂中下2/3、腕关节、手进行正侧(斜)位X射线片检查排除骨质病变，对其上述部位在腕关节最大背伸状态下进行精细的CT扫描(64排，GE公司，美国)，扫描条件：选择骨组织窗，电压120 k V，像素大小0.43 mm，层厚0.625 mm，共387层，扫描数据以Dicom 3.0标准直接存入光盘备用。

研究方案的实施符合长江大学的相关伦理要求(伦理批件号：20221035，审批时间：2022年1月)。

1.3.2 建模环境

电脑配置：AMDAthlon64 3200+中央处理器、2G内存、24寸液体显示器、64 M显存、ATI 8550显卡、Windows XP/Professional操作系统；软件：医学3-D图像生成及编辑处理软件Mimics 10.01(Materialise公司，比利时)、Geomagic图像处理软件(Geomagic公司，美国)、大型有限元分析软件Ansys12.0(Ansys公司，美国)。

1.4 方法

1.4.1 正常手腕部三维有限元模型的建立

通过工作站将扫描获得的CT图像导入三维成像软件Mimics 10.01，经定位图像、组织图片、内插值处理，界定阈值、区域增长、边缘分割、选择性编辑及除噪补洞处理，Custon 3D计算得到手腕部几何模型；再将几何模型导入Geomagic进行处理后，导入有限元软件ANSYS 12.0进行赋材质、网格划分、添加软组织建立完整手腕部有限元模型，模型各结构材料参数见表1[12,13,14]。

1.4.2 手腕部三维有限元模型的加载与分析

由于老年人跌倒时本能的反应以手掌着地，腕关节最大背伸且瞬间发生(约20 ms)，模型约束手掌面，设定各方向的运动为0，由于人体滑倒瞬间的速度为2 m/s[15,16]，对模型加载一个大小为2 m/s[17,18]、方向垂直向下的速度载荷[19]。

进入求解器，计算该加载方式下手腕部的应力、应变及位移的分布情况和绝对值大小。计算完成后，进入ANSYS软件的有限元后处理模块，导出相关计算结果。

1.5主要观察指标

手腕部模型的应力应变及位移随时间变化规律和分布云图。

2 结果Results

建立了外形逼真的手腕部有限元模型，见图1；所建模型的节点数、单元类型及数目见表2。

2.1 手腕不同部位软组织应力情况

大鱼际应力为(3.34±0.23) MPa，小鱼际应力为(3.59±0.38) MPa，掌根应力为(4.15±0.19) MPa，拇指应力为(2.39±0.48) MPa，示指应力为(2.10±0.30) MPa；掌指关节应力为(2.64±0.29) MPa；背侧手腕应力为(4.03±0.18) MPa，见图2。

2.2 跌倒瞬间软组织主要应力点应力随时间改变情况

读取中指尖(A)、小鱼际(B)、大鱼际(C)3点应力随时间变化，A在0.019 s前应力值为0 MPa，从0.019-0.020 s达到2.4 MPa;B在0.000-0.007 s应力值为0 MPa，从0.008 s应力值开始逐渐上升，到0.020 s达到3.25 MPa;C在0.000-0.011 s应力值为0 MPa，从0.012 s开始逐渐上升，到0.020 s达到3.0 MPa；见图3。

2.3 骨骼应力分布情况

背侧应力主要集中于尺桡骨远端、钩骨，掌侧应力主要集中于桡骨中下1/3、钩骨，见图4。

2.4 跌倒瞬间骨骼主要应力点应力随时间改变情况

选取钩骨掌侧(A)、桡骨掌侧中下1/3(B)、桡骨远端背侧(C)、尺骨远端背侧(D)、尺骨中下1/3背侧(E)应力随时间变化。A在0.000-0.003 s应力值为0 MPa，从0.004 s开始逐渐上升，到0.020 s时达到5.7 MPa;B在0.000-0.007 s应力值为0 MPa，从0.008 s开始逐渐上升，到0.020 s时达到2.75 MPa;C在0.000-0.007 s应力值为0 MPa，从0.008 s开始逐渐上升，到0.020 s时达到4.4 MPa;D在0.000-0.005 s应力值为0 MPa，从0.006 s开始逐渐上升，到0.020 s时达到4.2 MPa;E在0.000-0.007 s应力值为0 MPa，从0.008 s开始逐渐上升，到0.020 s时达到4.3 MPa，见图5。

2.5 手部最大应力值随时间改变情况

在整个跌到过程中0-5 ms最大应力值均为0 MPa，随后逐渐增大，到20 ms时达到最大值5.2 MPa，见图6。

3 讨论Discussion

老年人日常生活中发生的跌倒造成的影响非常严重，为减轻跌倒所造成的腕部损伤，一方面要对老年人群进行健康管理，比如抗骨质疏松的早期干预预防骨质疏松[20]，平衡能力的训练增强老年人的平衡感[21,22,23]，日常生活功能锻炼增强老年人运动协调感[24,25]，基础疾病的治疗以及减轻体质量等都可以起到一定的预防老人跌倒的作用[26,27,28,29,30,31]；另一方面要加强手腕部的防护，比如佩戴一定的防护设备，分散老人跌倒手掌撑地时手掌的应力，进而减轻手腕部的受力情况。手腕部和膝关节等下肢关节部位不一样，其承受外力的能力有限，因此腕部的防护设备就要求有一定的强度，同时手腕部在人的日常生活和工作中具有运动灵活的特点，如何做到既要保持手腕的灵活活动，又要具有较大的强度，这是手腕防护设配设计上的一对矛盾，从目前国内外研制的相关产品来看，这一矛盾尚不能很好地解决[32]。为更好地解决这一矛盾，材料学研究必不可少，但生物力学基础研究尤其是老年人跌倒时手腕部的受力研究对产品的开发研究更具指导意义。

此次研究应用有限元方法以真实老年人原始CT数据建立手腕部有限元数字模型，CT扫描时让腕关节处于过伸位以模拟老人跌倒时手腕的体 位，减少了在进行生物力学分析时对体 位的再次处理，这使得分析结果更接近于真实。建模时将骨骼和软组织独立开来，这使得在力学分析时可以对骨骼和软组织分别进行，也使分析结果更具有指导意义。在进行具体分析时，根据老年人跌倒的实际情况，约束手掌跟部，由于人体跌倒手掌接触地面的时间非常短暂，手指其他关节来不及做出反应而有活动，因此在具体分析时忽略了手其他关节的活动；为排除不同的人体质量不一样的顾虑，施加一个方向垂直向下的速度载荷，虽然2 m/s的速度载荷来源于髋部跌倒时的受力状态，考虑到人体跌倒整体的受力情况，腕部的受力状态同样也适合2 m/s的速度载荷，从国内外对腕部跌伤生物力学研究加载来看，多数学者也采取了这一载荷形式[17,18,33]。整个建模、加载、分析过程都能很好地模拟老人跌倒的现实，因此所得结果真实有效。

从此次研究分析结果来看，软组织和骨骼的应力大小以及集中部位不一致，这可能与软组织直接和地面接触，外力首先直接作用于接触部位而骨骼主要在传导外力有关。(1)从软组织的应力情况来看，其应力主要集中于手掌小鱼际以及腕背侧，而大鱼际部以及前臂的应力则相对较小，由于人体跌倒手掌根部触地，同时有一定的向外倾斜，故小鱼际受力集中，由于跌倒时腕关节处于背伸状态，腕背部受到瞬间的挤压力，因此腕背部应力集中。手腕软组织的应力分布情况可以解释人体跌倒容易造成手掌跟部、小鱼际皮肤擦伤；同时从软组织应力集中情况来看，在设计腕部防护设备时首先要采取外力吸收能力更强的材质放置于手掌根部尤其应偏向小鱼际部，起到减轻跌倒腕部损伤的第一道防线。(2)从骨骼的应力分布情况来看，掌背侧应力集中的部位和最大应力大小均不一致，尺桡骨的分布也不一致，总体来看，背侧比掌侧应力更大，桡骨比尺骨应力更大。背侧则主要集中于尺桡骨下端，尤其是桡骨下端的应力最大，尺骨则主要集中于尺骨茎突，这可以解释在背伸跌倒时多发Colles骨折的机制。从临床来看，Colles骨折发生时，桡骨远端骨折并向背侧移位同时合并尺骨茎突骨折，其骨折以及移位情况与此次作者的力学分析结论一致；从掌侧来看应力则主要集中于桡骨中下1/3、钩骨，而且尺桡骨的应力分布不对称，桡骨下端的应力较小。腕骨掌尺侧应力集中与手掌撑地接触地面有关，尺桡骨应力分布不均并以桡骨应力更加集中可以解释跌倒时桡骨骨折高发而尺骨骨折则较少。从骨骼应力分布以及集中情况来看，设计腕部防护设配的前臂部分时更应该考虑对桡骨和前臂背侧的保护，同时由于前臂尺桡骨在跌倒损伤发生时主要起传导暴力的作用，从力学分析来看，桡骨下端承载了比尺骨更大的载荷，因此在设计时要通过防护设备将外力越过尺桡骨下端而向尺桡骨中段进行应力分散。此次研究分析结果与国内外相关学者进行的手腕部生物力学研究结论一致[33,34]，但此研究对跌倒瞬间手腕部的受力分析更为全面，而且对跌倒20 ms时间内手腕不同部位受力情况随时间变化的规律和具体受力情况进行了精细化分析和结果展现，这可为研究手腕部跌倒损伤的防治提供时间学上的参考。

此次研究选用1名老年人进行CT扫描建立有限元模型，分析了老年人跌倒瞬间手腕部的受力情况，从跌倒受伤来看，年轻人同样也会出现手腕部损伤，该文没有进一步扩展研究；从建立有限元模型来看，作者考虑了软组织，但没有对软组织进行细分，比如不同的肌肉、肌腱以及分布的部位等；人体在跌倒时受伤部位的肌肉会强力收缩以对抗跌倒，可一定程度减轻跌倒造成伤害的程度，研究尚没有考虑手腕、前臂肌肉收缩对手腕的保护作用。有限元法生物力学分析是一种模拟分析，作为一种理论生物力学实验方法有其自身的诸多优势，但也存在一定的不足。为使研究结果更具说服力，尚需将此次研究结果和其他实验生物力学方法进行结合。

结论：此次研究建立了真实有效的老年人腕关节背伸位有限元模型。分析结果表明，骨骼应力背侧主要集中于尺桡骨下端，桡骨下端的应力最大；掌侧应力主要集中于尺桡骨中下段交界偏下处以及腕中部，以桡骨应力更集中。设计腕部防护设备的前臂部分时应该考虑对桡骨和前臂背侧的保护，通过防护设备将外力越过尺桡骨下端而向尺桡骨中段进行应力分散。研究的结论可为分析老年人跌倒手腕部损伤以及设计手腕部防护设备提供一定的生物力学依据。

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