人體肩關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立、驗(yàn)證及在肱骨骨折機(jī)制研究方面的應(yīng)用.pdf

1、背景資料：肩關(guān)節(jié)是人體所有關(guān)節(jié)中活動范圍最大、組成成分最多、運(yùn)動學(xué)最為復(fù)雜的關(guān)節(jié)。廣義的肩關(guān)節(jié)是由肩胛骨、肱骨、鎖骨、胸骨、關(guān)節(jié)囊、韌帶、肌肉、肌腱等各種成分所組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，稱為肩復(fù)合體。由于肱骨頭與關(guān)節(jié)盂的骨性包容度差，因而，軟組織的作用對于維持肩關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和正常力學(xué)行為具有重要的作用。目前對于肩關(guān)節(jié)的生物力學(xué)研究主要進(jìn)行試驗(yàn)力學(xué)測試，而這種測試由于是在離體狀態(tài)下完成的，很多在體狀態(tài)的受力工況被去除，因而無法模擬出在體時(shí)肩關(guān)節(jié)的骨

2、和軟組織的生物力學(xué)行為，故肩關(guān)節(jié)試驗(yàn)生物力學(xué)研究存在著明顯不足，因此，如果能發(fā)展一種肩關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究方法，可以精確模擬肩關(guān)節(jié)組成成分中的骨骼和軟組織材料特性，不丟失在體信息，根據(jù)實(shí)際需要，改變載荷的方向、大小和載荷的數(shù)量，分析肩關(guān)節(jié)的不同受力和應(yīng)變狀況，探討骨折的受傷機(jī)制，甚至指導(dǎo)內(nèi)固定的合理化放置，將是一種理想的力學(xué)分析方法，稱之為理論生物力學(xué)方法，該方法將會是試驗(yàn)力學(xué)研究強(qiáng)有力的補(bǔ)充。本課題正是鑒于這個(gè)考慮，所做的嘗試性的研究。

3、 目的：建立一個(gè)完整的肩關(guān)節(jié)三維有限元分析模型，包括肱骨、鎖骨、肩胛骨，及可以由三維連接單元組成軟組織結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步研究肩關(guān)節(jié)的生物力學(xué)提供基礎(chǔ)的通用工具；作為有限元模型的對應(yīng)研究，系統(tǒng)地測試人體肩關(guān)節(jié)不同的功能位置上關(guān)節(jié)盂與肱骨的應(yīng)力、應(yīng)變狀況，驗(yàn)證肩關(guān)節(jié)有限元分析的有效性、準(zhǔn)確性；運(yùn)用所建立的肩關(guān)節(jié)三維有限元模型，分析肱骨骨折的受傷機(jī)制和力學(xué)特點(diǎn)。 方法：1、采用高分辨率、層厚間隔為1mm的人體肩關(guān)節(jié)斷層解剖圖作為三維

4、重建的數(shù)據(jù)源，選取自鎖骨頂端至肱骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面共380層的肩關(guān)節(jié)斷層圖像，圖像識別軟件讀取肱骨、鎖骨、肩胛骨的邊界點(diǎn)，建立關(guān)鍵點(diǎn)的空間坐標(biāo)，在CatiaV5軟件運(yùn)行環(huán)境下，自下而上建立肩關(guān)節(jié)的三維幾何模型，并反復(fù)修飾，至準(zhǔn)確為止。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道定義肩關(guān)節(jié)各成分的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，將幾何模型網(wǎng)格化。將肩關(guān)節(jié)分別外展和旋轉(zhuǎn)，確定12個(gè)不同的功能位置，根據(jù)盂肱關(guān)節(jié)不同的接觸方式，使用網(wǎng)格化的有限元模型，初步分析關(guān)節(jié)盂、肱骨的應(yīng)力、應(yīng)變等情況，了解此

5、模型能否用來作力學(xué)分析。2、采集兩具新鮮的人體肩關(guān)節(jié)尸體標(biāo)本，制作多角度肩關(guān)節(jié)外展固定架。將肩關(guān)節(jié)固定在12個(gè)與有限元分析相對應(yīng)的功能位置上，分別測試關(guān)節(jié)盂、肱骨外科頸、肱骨干、肱骨髁上等截面的應(yīng)力、應(yīng)變，系統(tǒng)分析肩關(guān)節(jié)的力學(xué)特點(diǎn)，作為對有限元分析法有力對照和補(bǔ)充；平衡有限元方法和試驗(yàn)測試方法的加載和約束邊界條件，對比兩種方法下關(guān)節(jié)盂的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，驗(yàn)證有限元方法的準(zhǔn)確性、有效性。3、運(yùn)用被驗(yàn)證的肩關(guān)節(jié)三維有限元模型，模擬肩關(guān)節(jié)不同的

6、功能位置上摔倒(間接暴力)時(shí)，肱骨的三維應(yīng)力分布和骨折變形情況，探究肱骨骨折的受傷力學(xué)機(jī)制。 結(jié)果：1、本研究根據(jù)由低到高的原理較順利地建立了人體肩關(guān)節(jié)的三維有限元模型，該模型幾何重建精確、逼真，可以順利實(shí)施網(wǎng)格化，能夠被用來進(jìn)行力學(xué)分析。 2、初步的有限元分析表明：在不同的載荷下，我們可以看出，在相同的載荷下，肱骨和盂肱關(guān)節(jié)面的應(yīng)力出現(xiàn)可重復(fù)性的、不均勻的變化，以肱骨外科頸與外科頸相移行的骨干部應(yīng)力最大，以盂肱關(guān)節(jié)面與

7、外科頸之間的區(qū)域應(yīng)力最小，提示在高、低應(yīng)力帶交界區(qū)內(nèi)，應(yīng)力一旦超過骨極限強(qiáng)度，即發(fā)生骨折。當(dāng)30°外展時(shí)，三種不同的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，骨形變區(qū)以內(nèi)旋位最大，外旋時(shí)骨形變其次，中立位相對最??；內(nèi)旋時(shí)時(shí)，高應(yīng)力偏向于前內(nèi)側(cè)，說明前內(nèi)側(cè)是骨折初始斷裂的位置，骨折線走行自后外至前內(nèi)。 3、肩關(guān)節(jié)的試驗(yàn)力學(xué)測試結(jié)果可見：人體肩關(guān)節(jié)在不同的功能位置上，出現(xiàn)可重復(fù)性的應(yīng)力、應(yīng)變變化，在生理載荷的范圍內(nèi)，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈線性分布；在肩關(guān)節(jié)30°～6

8、0°外展、同時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下肱骨干承受更大的應(yīng)力;對于間接暴力所致的肱骨干骨折而言，肱骨干的外側(cè)是張力側(cè)，內(nèi)側(cè)為壓力側(cè)；肱骨外科頸在內(nèi)側(cè)應(yīng)力較大，隨著外展角度的增加，肱骨外科頸的受力將逐漸減小；相同的載荷條件下，關(guān)節(jié)盂的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系驗(yàn)證了有限元模型的有效性。 4、肱骨在承受沖擊載荷下，不同的功能位置上，三維有限元分析直觀地顯示了骨折時(shí)的應(yīng)力分布、位移變形、骨折的移位趨勢，并以動態(tài)的方式進(jìn)行展示。 結(jié)論：肩關(guān)節(jié)三維有限元