郭 昊, 闫静茹, 于 淼, 李子涛

(1.牡丹江医学院;2.牡丹江医学院附属红旗医院,黑龙江 牡丹江 157011;3.青岛恒星科技学院,山东 青岛 266000)

股骨是人体的主要承重骨,股骨头部分被髋臼所包裹参与构建髋关节,下端股骨内外侧髁与其相连接的韧带、半月板参与构建膝关节。在股骨相关疾病的研究中发现,由于创伤、先天因素、激素、慢性疾病和炎症等因素导致股骨结构遭到严重破坏从而很难维持下肢力学的稳定性[1],这对患者的生活和生命都带来了极大的影响[2]。有限元分析法早期较为成熟的应用在工科领域,最大特点在于操作简便、高度仿真及可重复利用等优势[3],其在生物力学上的分析完全适用于骨科相关疾病的研究与探索,因此有限元分析法在骨科尤其是于股骨的应用日益丰富。

CiteSpace是由陈超美博士所研究开发的软件,其最大优势在于通过绘制知识图谱来分析与该领域相关的研究方向,进一步生动客观的揭示此领域的研究进展及热点[4]。目前尚未发现对探讨有限元分析法在股骨方面进行文献计量学的相关研究,因此本文运用CiteSpace软件来对该领域近些年的发展演变、研究现状及趋势来进行系统阐述,方便今后相关研究者深入了解有限元分析法在股骨方面研究的应用价值和意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源以Web of Science核心集数据库为文献检索唯一来源,检索式TS=(femur OR femoral OR hip joint) AND (finite element analysis OR finite element model OR finite element tech),检索年限:2012-01-01至2022-12-31。纳入标准:与有限元分析法在股骨方面应用研究相关的文献。排除标准:去除类别为“Review”、“Conference”类型文献及和与主题不相关文献。检索总共所得文献2 787篇文献,经去重及筛选后得到2 344篇文献纳入研究分析。

1.2 研究方法将Web of Sciences核心集数据库中所检索到的文献以纯文本的格式下载所有内容,并以“download*.txt”格式进行命名。将文献导入CiteSpace V 6.1 R1中,时间设置为2012～2022,时区分割为1,其它选项默认,分别以作者、国家、机构、关键词及共被引期刊为节点进行绘制知识图谱。

2 结果

2.1 年发文量CiteSpace软件中点击“Date”选项导入相关文件,选择“Remove Duplicates”进行去重筛选,再通过对话框中每个年份对应的数值来对年发文量进行统计,进而将该领域的年发文量以折线图形式展现如图1。通过2012年至2022年有限元分析法在股骨中应用研究上的年发文量可见,其整体呈波动性上涨趋势,整体涨幅较为平稳,只有在2016年和2019年的年发文量呈下降趋势,该领域最大年发文量出现在2021年共发表292篇。

图1 有限元分析法在股骨相关研究文献中的年发文量

2.2 作者以作者为节点进行可视化分析,如图2所示,2012年至2022年共有618位作者在该领域做出相应贡献,节点间的连线代表作者间的合作,共得到1946连线,提示各作者之间合作较为密切,以紧密团队型的模式存在。作者发文量如表1所示:作者发文量排名前三的为Keaveny TM(27)、Jin ZhongMin(23)、Boyd SK(22),且发文高产前五的作者平均发文量均大于20篇,其中发文量最高的作者是Keaveny TM,所研究的方向为应用有限元分析法随访验证Romosozumab(罗莫单抗)、Denosumab(狄诺塞麦)在改善骨质椎体及股骨强度来治疗骨质疏松症的有效性[5-6],以及应用生物力学计算机断层扫描法(BCT)测量评估骨质疏松程度[7]。作者共被引用频次及作者共被引用频次中排名前三的作者为Bergmann G(227)、Keyak J(206)、Schileo E(122),其中前两位作者共被引频次均大于200,说明Bergmann G、Keyak J两位作者在领域的研究同样具有很高的价值。

图2 有限元分析法在股骨相关研究文献中的作者共现图

表1 有限元分析法在股骨研究文献中发文前五的作者

2.3 国家以国家为节点所得共现图谱如图3所示,共有76个国家参与该领域的研究,所得的419条连线表明各国家之间交流合作紧密。排名前五的国家频次如表2所示,美国、中国、德国、英国是发文量及中心性均排在前五的国家,其中在该领域发文最多的国家是美国(542),中国的发文量排名第二总共375篇,领先其他国家;中心性排名前五的国家均>0.1,有关研究表明中心性>0.1的国家文献具有值得深入阅读的价值[8]。中心性排名前五的国家依次是美国、法国、德国、中国和英国,中心性排名最高的国家也同样是美国,达到0.31,说明美国在该领域的研究贡献较大,反观中国在该领域研究发文量排名第二但在中心性排在第四位,在该领域的影响力有待进一步提升。

图3 有限元分析法在股骨相关研究文献中的国家合作共现图

表2 有限元分析法在股骨研究文献中国家频次排名表

2.4 机构如图4所示,机构共现图谱中可见共390个机构参与此项研究,之间连线705,合作交流联系紧密度尚可。如表3所示,发文最多的机构是来自加拿大的Univ Calgary达到46篇,其余机构发文平均仅有30篇左右;中心性最高的机构是来自加拿大的Univ Calgary和美国的Univ Calif San Francisco,二者同样达到0.17,可见北美地区在有限元分析法与股骨应用研究中的世界影响力很高,其余机构中心性排名依次是Univ Sheffield(0.16)、Univ Bern(0.14)、Chinese Univ Hong Kong(0.12)、Mayo Clin(0.10)。相比之下,国内Shanghai Jiao Tong Univ、Chinese Univ Hong Kong分别位列频次、及中心性排名第6位和第5位,在国内处于领先水平但在与国际最高水平相比仍存在较大差距,在机构突现中惊喜发现西安交通大学突现值最高且达到7.16,证明在一段时间内该机构对该领域贡献极大(突现值>3具有重大意义)[9]。

图4 有限元分析法在股骨相关研究文献中的机构共现图

表3 机构频次及其中心性排名统计表

2.5 关键词

2.5.1 关键词共现 关键词共现可反映文献集中关键词共同出现的情况,直观显示学科的关注焦点,揭示学科的发展方向[10]。如图5所示,在CiteSpace软件分析中,共引出关键词节点515个(节点大小反应关键词出现的频次),连线4 971条。关键词频次出现最高的是有限元分析达到936次,中心性最高的是人股骨达到0.05,其余详见表4、5。综合关键词频次及中心性情况可得出有限元模型、有限元分析法、股骨近端、髋臼软骨、髋关节置换、应力分布是有限元分析法在股骨研究中此领域的研究热点。

图5 有限元分析法在股骨相关研究文献中的关键词共现图

表4 关键词频次排名统计表

表5 关键词中心性排名统计表

2.5.2 关键词聚类 应用LLR方法对排名前10的聚类集群进行聚类分析,聚类序号越小反应聚类集群越大,当相关模块值Modularity Q>0.3和总体Mean Silhouette值S>0.6时表示聚类集群较为成功,有价值进行相关讨论[11]。所得关键词聚类分析见图6,其中Q>0.82,S>0.9证明聚类集群具有分析价值,所得10个集群#0～#9依次为:全髋关节置换术、应力遮挡、生物力学、压力、有限元、髋关节成形术、松质骨、有限元法、髋,其中平均轮廓值最大的是#1应力遮挡。

图6 有限元分析法在股骨相关研究文献中的关键词聚类分析图

2.5.3 关键词突现 选取突现值排名前10的关键词生成该领域关键词突现图如图7所示。关键词突现呈现三个时区分布:2012年-2013年、2013年-2018年、2019年-2022年,固定和界面是最早出现的两个突现词,突现值在5.1左右;长骨、骨质疏松性骨折和接触压力出现在第二个时区,突现值平均为5.0;股骨颈骨折、内固定物、空心螺钉、动力髋螺钉和最大应力值是出现在第三个时区的突现词,同样也是延续到现在的突现词,突现值平均为6.54,证明其是当今或者是未来一段时间内该领域的研究热点。在所有突现词中突现值最大的是内固定,达到8.14。

图7 有限元分析法在股骨相关研究文献中的关键词突现图

2.6 共被引期刊以共被引期刊为节点,共有631个共被引期刊参与该领域研究见图8,其中来自荷兰的J BIOMECH共被引频次最高达到869,其余期刊如表6所示,来自英国的INT J NUMER METH BIO中心性最高达到0.1,其余共被引期刊中心性排名依次为RADIOLOGY(0.06)、ANAT RECORD(0.05)、CURR OSTEOPOROS REP(0.04)、INT J SOLIDS STRUCT(0.04),共被引期刊频次及中心性排名前5的期刊中约60%来自美国,且在CiteScore分区中大部分排在Q1区,其影响因子均>4,其中来自美国的RADIOLOGY期刊影响因子最高为17.7。

图8 有限元分析法在股骨相关研究文献中共被引期刊共现图

表6 被引期刊频次及其中心性排名统计表

3 讨论

有限元分析法属于工程学科范围内的一项研究方法,最早在骨科领域的应用可追溯到1972年,其所研究的骨科领域正是股骨的应力分析[12]。股骨属于人体长轴骨且参与构建下肢髋关节及膝关节,据统计股骨相关疾病是致残的最主要因素[13],随着人们对生活质量的要求不断提高,有限元分析法在股骨的方面应用具有重大价值。有限元分析法在股骨研究中的应用范围较为广泛,研究时间较为悠久,本文应用CiteSpace软件对此领域进行可视化分析,由整体到部分的对该领域进行系统介绍。

3.1 有限元法在内固定物方面研究股骨骨折包括股骨颈骨折、股骨转子间骨折及股骨干骨折,内固定的治疗方式已得到认可,其中包括髓内钉如:PFNA、Intertan、Gamma钉、空心压力螺钉、动力髋螺钉,和加压钢板等内固定物[14-16]。有限元方析法通过计算机建模或者人体尸骨的方式来测量股骨和内固定物各部位的位移变化、角度偏倚、应力分布,也可模拟断钉和步行过程中的动态演变[17-18]。

3.2 有限元法在关节置换中的应用价值股骨头及股骨髁分别参与髋关节及膝关节的置换。关节置换可结合3D打印技术配合有限元分析法设置个性化假体[19],并且有限元分析通过构建股骨头及髋臼假体模型模拟植入股骨来观察假体的最大应力及位移变化,也可为新技术及新术式来进行治疗可行性模拟[20]。膝关节置换包含胫骨假体和股骨髁假体,有限元分析法同样可以测量评估股骨髁假体的最大应力情况,评估股骨假体的最佳植入位置[21]。

3.3 有限元法模拟韧带及骨质有限元分析法中可以通过赋予股骨不同弹性模量来模拟不同骨质疏松程度,进而可在研究老年骨质疏松相关疾病时进行相关治疗方式的力学分析试验[22-23]。同样股骨周围有相邻韧带连接,韧带同样对关节及骨骼之间起着连接牵拉作用,对于韧带的模拟牵拉作用有助于提高实验的真实性,其参与的力学分析具有很高的临床意义[24]。

本文分析2012年至2022年此领域的相关文献,年发文量整体呈上升趋势,上涨幅度较为平稳,可见此领域的研究热度逐年提升且发展状况十分稳定。通过研究作者发文量可见Keaveny TM是该领域研究的领军人物,其专注于骨质疏松症方面的相关研究。国家及机构研究分析中,美国和北美地区的机构在有限元分析法对股骨应用中的贡献颇丰,中国及中国机构影响力相对较低,但国内上海交通大学、香港大学及西安交通大学在此领域今后的发展值得期待。关键词共现、聚类及突现方面上,有限元模型、股骨、髋关节置换、内固定物方面的研究是此领域的主要研究热点,也代表着今后发展的方向。共被引期刊中可见该领域所在期刊的影响因子平均较高,其中美国期刊的占比较大。然而,本文仅纳入研究分析Web of Science数据库中的实验类文献,一定程度上会将有关文献遗漏,而且纳入文献均为外文,对于国内该领域的分析较为欠缺,CiteSpace仅可对该领域进行定量分析,但后期通过详细浏览相关文献进行相关定性分析予以弥补。