髖關節(jié)非均勻及各向異性三維有限元模型建立及髖臼骨折生物力學三維有限元分析.pdf

1、研究背景：有限元(Finite element)這一概念早在20世紀40年代就已提出，50年代初曾將這種方法用于結(jié)構(gòu)設計，即所謂結(jié)構(gòu)分析的矩陣方法。有限元分析方法(finite element method，F(xiàn)EM)是一門應用數(shù)學、現(xiàn)代力學及計算機科學相互滲透、綜合利用的邊緣科學，其主要應用于模擬并且解決工程力學、力學、電磁學等物理問題。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，目前該方法已進入工程技術的所有領域。自從1972年Brekelmans和R

2、ybicki首次將有限元分析法應用于骨科生物力學的研究以來，有限元分析法逐漸被廣泛應用于人體生物力學的研究，并取得了顯著的成績，使之成為了骨科領域生物力學研究最重要的手段之一。既往的研究，為了方便計算，所建立的有限元往往把皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨假設為各向同性的均質(zhì)連續(xù)彈性材料。而實際上皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨均屬各向異性材料。因此對于骨骼的單元屬性采用這樣同一性處理，而忽略骨骼的實際單元屬性之間的差異，用一個統(tǒng)一的參數(shù)來描述其材料特性所建立的有限元模型不

3、符合實際情況。利用這樣的模型不能很好的解釋骨的真實的結(jié)構(gòu)和材料力學性能，其計算得到的結(jié)果將與實際情況存在較大的誤差。 目的：①尋求髖關節(jié)三維有限元模型構(gòu)建中有限元模型材料屬性設定辦法，建立具有非均勻及各向異性的髖關節(jié)三維有限元模型，使所建立的三維有限元模型能夠更接近原始骨。②在建立三維有限元模型的基礎上，研究髖臼骨折后的應力分布，探討髖關節(jié)骨性關節(jié)炎產(chǎn)生病理基礎和力學機制。 方法：對一成年女性志愿者的骨盆進行CT斷層成像

4、；在CT成像過程中，要求標本在骨盆縱軸方向保持不動，每隔1mm掃描1次，共320層。所得CT斷層圖像以DICOM格式的圖像數(shù)據(jù)直接存入計算機。使用Mimies軟件構(gòu)建髖關節(jié)三維幾何實體模型，將模型導入ANSYS10.0軟件，采用實體模型建模法，進行網(wǎng)格劃分；通過計算股骨及髖臼三維有限元模型單元平均化的CT值，采用經(jīng)典理論公式分析骨密度及骨骼彈性模量，最終計算出有限元材料屬性進行單元屬性設定，建立三維有限元模型。再在已建立模型的基礎上模擬

5、單腿站立負重狀態(tài)，分析髖臼負重區(qū)及近負重區(qū)在不同骨折類型和位移下的應力分布。 結(jié)果: 1.在計算出三維有限元模型單元平均化CT值基礎上，利用擴展的經(jīng)驗公式演算出了各單元彈性模量和泊松比的函數(shù)式，將函數(shù)直接導入ANSYS軟件從而給各單元設定材料屬性。 2.成功構(gòu)建了具有各向異性材料屬性的髖關節(jié)三維有限元模型，通過分析得到髖關節(jié)的表觀密度分布：最小密度分布于髓腔附近，在“Ward三角區(qū)”密度較小，而高密度區(qū)位于股骨近

6、端及髖臼前壁的受壓面。通過表觀密度得到了髖關節(jié)骨質(zhì)的非均勻分布。 3.通過對單腿站立負重狀態(tài)的生物力學分析發(fā)現(xiàn)：髖臼負重區(qū)的裂縫型和臺階型骨折局部應力增大；負重區(qū)內(nèi)位移一致的臺階型較裂縫型骨折局部出現(xiàn)應力集中。近負重區(qū)較負重區(qū)內(nèi)的骨折所產(chǎn)生的應力小。 結(jié)論: 1.通過計算模型密度和彈性模量，進一步確定單元材料屬性，對于建立接近實際的髖關節(jié)三維有限元具有重要的意義。 2.對每一個單元進行材料屬性設定使所建立