基于3D-DXA非线性有限元模型的骨质疏松性髋部骨折非弹性力学描述符鉴别研究

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Inelastic mechanical descriptors for osteoporotic hip fracture discrimination with 3D-DXA-based nonlinear finite element models

本综述系统阐述了基于三维双能X射线吸收测定法（3D-DXA）的非线性有限元（FE）模型在骨质疏松性髋部骨折鉴别中的创新应用。研究通过弹性-塑性假设推导出强度、非线性变形、残余位移及能量吸收等力学描述符，证实结合残余位移的有限元强度参数（AUROC=0.80）较传统面积骨密度（aBMD）和三维体积骨密度（vBMD）显著提升骨折鉴别能力（ΔAUROC=0.11/0.08），为临床骨质疏松管理提供了高效且可整合于现有工作流程的力学评估新策略。

　　

引言

骨质疏松症以骨量减少导致的骨强度下降为特征，其隐性进展可能导致脆性骨折、生活质量下降及患者死亡率显著增加。目前临床诊断依赖双能X射线吸收测定法（DXA）获取的面积骨密度（aBMD），但aBMD无法捕捉体积骨密度（vBMD）分布、骨几何形态及力学载荷等关键因素。尽管FRAX和Garvan等工具整合了临床风险因素，仍缺乏对骨骼力学行为的量化评估。近年来，基于定量计算机断层扫描（QCT）或DXA的个体化有限元（FE）模型通过物理原理整合骨骼力学特性，为骨折风险评估提供了新思路。

材料与方法

研究采用回顾性病例对照设计，纳入64例髋部骨折患者与64例匹配对照。通过3D-Shaper?软件对DXA图像进行统计形状和外观模型（SSAM）重建，生成患者特异性三维股骨模型。采用非线性有限元方法模拟侧向跌倒载荷，使用弹性-完美塑性材料模型，其中弹性模量基于表观密度（ρ_app）和灰密度（ρ_ash）的幂律关系计算，屈服应力通过密度依赖的压缩/拉伸公式确定。边界条件模拟股骨干端全约束及大转子面单向约束，通过股骨头参考点施加位移至力学失效。从力-位移曲线提取强度（F₀）、失效位移（D₀）、非线性能量等全局力学描述符，并采用分段线性方法分析弹性/塑性特征参数（如残余位移D₃、耗散能量等）。

结果

力学响应分析显示，股骨颈区域在最大反应力时出现高主塑性应变和应力集中，提示其为结构失效关键区域。病例组相较于对照组表现出显著较低的aBMD、整体vBMD、小梁vBMD、皮质表面骨密度（sBMD）及有限元强度参数（P<0.05），而位移相关参数（如非线性变形、残余位移）显著升高。受试者工作特征曲线（AUROC）分析表明：有限元强度（AUROC=0.72）与小梁vBMD鉴别能力相当，但结合残余位移后显著提升至0.80（ΔAUROC=0.11 vs. aBMD）。其他有效组合包括强度+非线性能量（0.79）、线性弹性力+残余位移（0.79）等。多方向跌倒场景分析进一步验证了低内收/内旋载荷下力学描述符的稳定性。

讨论

本研究首次系统评估3D-DXA非线性有限元模型在髋部骨折鉴别中的力学描述符价值。残余位移作为塑性应变累积的代理指标，与强度组合后凸显出超越传统密度参数的优势，反映了骨骼在屈服后阶段的能量耗散能力。与既往QCT有限元研究相比，本研究在保持临床可行性（单例分析耗时约16.5分钟）的同时，通过引入非线性力学响应模拟，克服了二维DXA有限元模型无法评估三维载荷分布的局限。值得注意的是，该方法已获得监管批准，且与QCT有限元模型高度相关，为整合于现有骨质疏松诊疗流程奠定基础。

结论

3D-DXA非线性有限元模型通过全局力学描述符（尤其是强度+残余位移）显著提升髋部骨折鉴别能力，证实骨骼后屈服行为量化对骨折风险评估的临床意义。该策略在不增加辐射暴露的前提下，为骨质疏松患者提供了可应用于常规临床工作流程的力学风险评估新范式。