人體足踝部三維有限元仿真模型的構(gòu)建及驗(yàn)證.pdf

1、本文主要從以下幾方面進(jìn)行論述：
　　論文一 人體足踝部三維有限元仿真模型的構(gòu)建及驗(yàn)證
　　目的:
　　依據(jù)1名正常男性志愿者足踝部CT、MRI的影像學(xué)資料，聯(lián)合使用Mimics、SolidWorks、HyperMesh以及ABAQUS軟件構(gòu)建出仿真性能較高的正常足踝部三維有限元仿真模型，為研究足踝部生物力學(xué)、模擬各種足踝部損傷以及內(nèi)固定術(shù)式提供可靠的數(shù)字化平臺(tái)。
　　方法:
　　1.實(shí)驗(yàn)對(duì)象及數(shù)據(jù)獲取

2、>　　選擇一名健康受試者，經(jīng)體格檢查以及X線檢查未發(fā)現(xiàn)足踝部疾病，行64排螺旋CT和3.0T MRI掃描，分別獲得1087層、366層斷層圖像，以DICOM格式存貯，刻錄成光盤。
　　2.三維有限元仿真模型的建立
　　將斷層圖像導(dǎo)入醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimicsl5.0，使用閾值分割和手工分割法獲得足踝部骨骼、軟骨以及外圍軟組織的3D模型，輸出點(diǎn)云(Point Cloud)格式文件。然后導(dǎo)入逆向工程軟件SolidWorks中，

3、使用Scan TO3D插件生成幾何模型并重建裝配體，輸出Parasolid格式文件。將足踝部三維模型導(dǎo)入有限元分析前處理軟件HyperMeshl2.0中，依據(jù)足踝部韌帶的解剖學(xué)信息使用Truss單元和Springs單元建立韌帶模型，同時(shí)補(bǔ)建足部軟骨，然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、賦材質(zhì)以及設(shè)置接觸和工況等前處理，最后導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行仿真分析。
　　3.模型的載荷、邊界條件以及接觸的設(shè)置
　　在ABAQUS軟件中對(duì)

4、足踝部模型進(jìn)行步態(tài)中立相的仿真分析，將模型中軟組織、脛骨以及腓骨上端平面的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行完全固定約束，直接將足部肌肉力施加在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，肌力方向根據(jù)相應(yīng)肌腱解剖學(xué)位置確定，并通過支撐板向上的連續(xù)位移來模擬足底反力。使用ABAQUS中面面(Surface-to-Surface)接觸模擬關(guān)節(jié)間接觸以及腳掌與支撐板之間的接觸，摩擦系數(shù)(Coefficient of Friction)分別設(shè)定為0.01和0.6。
　　結(jié)果:
　?、僬麄€(gè)

5、模型共由205203個(gè)單元和48748個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，建立了包含29塊骨骼、113條韌帶、各關(guān)節(jié)軟骨以及外圍軟組織的足踝部三維有限元仿真模型。模型結(jié)構(gòu)完整、外型逼真，材料屬性較精確，邊界、載荷以及接觸設(shè)置合理，很好的滿足了足踝部有限元仿真分析的需求，同時(shí)利用可視化技術(shù)可獲得任意角度的三維信息。②通過與國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果對(duì)比分析可以看出本模型具有較高的仿真度，其有效性得以驗(yàn)證，可用于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究和臨床應(yīng)用。仿真分析結(jié)果顯示:在步態(tài)中立相時(shí)

6、足底壓力峰值出現(xiàn)在第一跖骨頭下方，其次為足跟下方;距舟關(guān)節(jié)、舟楔關(guān)節(jié)以及第1-3跖骨的應(yīng)力分布較集中，von Mises應(yīng)力值較大，說明其為主要承重部位;脛骨下關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布主要集中在踝穴中部以及前外側(cè)。
　　結(jié)論:本研究采用足踝部CT、MRI的斷層圖像，綜合應(yīng)用Mimics、SolidWorks、HyperMesh以及ABAQUS軟件構(gòu)建出的足踝部三維有限元仿真模型外觀真實(shí)、結(jié)構(gòu)精細(xì)、力學(xué)性能穩(wěn)定，模型可反復(fù)使用，充分體現(xiàn)了方便

7、、快捷、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。本研究使用Mimics和SolidWorks構(gòu)建實(shí)體模型，最大限度的排除了操作誤差、提高了精確度，再現(xiàn)了各組織結(jié)構(gòu)的外觀形態(tài)。利用專業(yè)有限元前處理軟件HyperMeshl2.0劃分了網(wǎng)格，并補(bǔ)建了韌帶、軟骨等結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)大的剖分幾何模型和劃分網(wǎng)格的功能大大提高了模型的仿真性能，可獲得高質(zhì)量的有限元仿真模型。本模型具有良好的生物相似性，可以較精確地模擬足踝部的各種生物力學(xué)問題，各組織結(jié)構(gòu)在仿真分析中均能很好的發(fā)揮各自的功

8、能，其有效性得到充分驗(yàn)證，故本模型可作為足踝部生物力學(xué)研究、模擬各種足踝部損傷以及內(nèi)固定術(shù)式的可靠仿真平臺(tái)。
　　論文二 PVP與PKP治療輕中度骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折的臨床研究
　　目的:
　　探討椎體成形術(shù)(PVP)和經(jīng)皮椎體后凸成形術(shù)(PKP)治療輕中度骨質(zhì)疏松性椎體壓縮性骨折(OVCF)的療效。
　　方法:
　　回顧性分析2007年10月1日～2013年12月30日我院收治符合入選標(biāo)準(zhǔn)的T12或L

9、1OVCF患者78例的臨床資料及治療情況，根據(jù)采用手術(shù)方法不同分為PVP組（A組）和PKP組（B組）。比較兩組在VAS評(píng)分、椎體高度恢復(fù)率、Cobb's角恢復(fù)率、骨水泥滲漏率、術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率以及手術(shù)費(fèi)用的差異，對(duì)手術(shù)療效做出評(píng)估。
　　結(jié)果:
　　A組與B組患者年齡、性別、病程、骨折椎體等一般臨床資料的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。兩組患者的VAS評(píng)分在術(shù)前、術(shù)后均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，而兩組術(shù)后VAS評(píng)分均較術(shù)前明顯改善;兩組患者的椎體高