正常兒童髖關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立及初步生物力學(xué)分析.pdf

1、研究背景：有限元分析方法是一門應(yīng)用數(shù)學(xué)、現(xiàn)代力學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)相互滲透、綜合利用的邊緣科學(xué)，其主要應(yīng)用于模擬并且解決工程力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等物理問(wèn)題。自從1972年Brekelmans和Rybicki首次將有限元分析法應(yīng)用于骨科生物力學(xué)的研究以來(lái)，有限元分析法逐漸被廣泛應(yīng)用于人體生物力學(xué)的研究，并取得了顯著的成績(jī)，使之成為了骨科領(lǐng)域生物力學(xué)研究最重要的手段之一。國(guó)內(nèi)外有限元分析法應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)的研究主要集中在成人髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)的評(píng)估、優(yōu)化假

2、體輔助設(shè)計(jì)參數(shù)和個(gè)體化方案探討等方面，關(guān)于兒童髖關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立和其應(yīng)力分析的文獻(xiàn)報(bào)道甚少，雖然馬承宣、阿良等建立了兒童髖關(guān)節(jié)的二維有限元模型，但目前尚未見(jiàn)包含真實(shí)軟骨的正常兒童髖關(guān)節(jié)三維有限元模型及其生物力學(xué)研究的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。 目的：①探討正常兒童包含軟骨在內(nèi)的髖關(guān)節(jié)三維有限元模型的構(gòu)建方法。②通過(guò)對(duì)髖關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)學(xué)測(cè)量，初步探討兒童髖關(guān)節(jié)軟骨的分布特點(diǎn)及生物學(xué)意義。③在建立三維有限元模型的基礎(chǔ)上，模擬單腿站立位對(duì)正

3、常兒童髖關(guān)節(jié)進(jìn)行初步的生物力學(xué)分析，驗(yàn)證該模型能否進(jìn)行生物力學(xué)研究，并探討正常兒童髖關(guān)節(jié)表面生物力學(xué)分布特點(diǎn)。 方法：獲取正常兒童髖關(guān)節(jié)標(biāo)本，完整去除髖關(guān)節(jié)周圍肌肉韌帶等軟組織，僅保留骨與軟骨組織，進(jìn)行64排CT薄層掃描得到Dicom格式的計(jì)算機(jī)圖像數(shù)據(jù)，使用醫(yī)學(xué)影像處理軟件Mimics及逆向工程和三維檢測(cè)軟件Geomagic Studio Version 8.0構(gòu)建髖關(guān)節(jié)三維幾何實(shí)體模型，將模型導(dǎo)入ANSYS10.0軟件，采用

4、實(shí)體模型建模法，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并設(shè)定單元屬性，建立三維有限元模型。同時(shí)在重建的髖關(guān)節(jié)軟骨模型中對(duì)不同部位的軟骨厚度進(jìn)行測(cè)量，此外還在標(biāo)本中對(duì)髖臼盂唇切除前后的容積變化進(jìn)行了測(cè)量，以初步探討分析髖關(guān)節(jié)軟骨的分布特點(diǎn)及其生物學(xué)意義。再在已建模型的基礎(chǔ)上模擬單腿站立位，在有限元分析軟件ANSYS10.0中確定邊界條件，加載生理負(fù)荷，進(jìn)行有限元法分析計(jì)算。 結(jié)果: 1．成功構(gòu)建了正常兒童髖關(guān)節(jié)的三維有限元模型：建立的模型包含了髖關(guān)

5、節(jié)諸骨及完整軟骨成分，具有良好的生物形態(tài)，其外形與實(shí)體標(biāo)本高度一致，模型可以任意旋轉(zhuǎn)從不同角度觀察，可獲得髖關(guān)節(jié)的直觀及整體的印象。 2．通過(guò)形態(tài)學(xué)測(cè)量發(fā)現(xiàn)髖臼軟骨及股骨頭軟骨并非為均一的厚度，總體分布趨勢(shì)為：股骨頭軟骨中間厚四周薄，而髖臼軟骨呈中間薄四周厚，髖臼唇的存在大約增加了髖臼36﹪的容積。 3．通過(guò)對(duì)兒童髖關(guān)節(jié)單腿站立位進(jìn)行三維有限元生物力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：正常兒童髖關(guān)節(jié)單腿站立位時(shí)應(yīng)力主要集中于股骨頭軟骨表面的最上