髖關(guān)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(xué)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(jì)40年代就已提出，50年代初曾將這種方法用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(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)、力學(xué)、電磁學(xué)等物理問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，目前該方法已進(jìn)入工程技術(shù)的所有領(lǐng)域。自從1972年Brekelmans和R

2、ybicki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，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，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。既往的研究，為了方便計(jì)算，所建立的有限元往往把皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨假設(shè)為各向同性的均質(zhì)連續(xù)彈性材料。而實(shí)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(shí)際單元屬性之間的差異，用一個(gè)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(shí)際情況。利用這樣的模型不能很好的解釋骨的真實(shí)的結(jié)構(gòu)和材料力學(xué)性能，其計(jì)算得到的結(jié)果將與實(shí)際情況存在較大的誤差。 目的：①尋求髖關(guān)節(jié)三維有限元模型構(gòu)建中有限元模型材料屬性設(shè)定辦法，建立具有非均勻及各向異性的髖關(guān)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(chǔ)上，研究髖臼骨折后的應(yīng)力分布，探討髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎產(chǎn)生病理基礎(chǔ)和力學(xué)機(jī)制。 方法：對一成年女性志愿者的骨盆進(jìn)行CT斷層成像

4、；在CT成像過程中，要求標(biāo)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(jì)算機(jī)。使用Mimies軟件構(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，采用實(shí)體模型建模法，進(jìn)行網(wǎng)格劃分；通過計(jì)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(jì)算出有限元材料屬性進(jìn)行單元屬性設(shè)定，建立三維有限元模型。再在已建立模型的基礎(chǔ)上模擬

5、單腿站立負(fù)重狀態(tài)，分析髖臼負(fù)重區(qū)及近負(fù)重區(qū)在不同骨折類型和位移下的應(yīng)力分布。 結(jié)果: 1.在計(jì)算出三維有限元模型單元平均化CT值基礎(chǔ)上，利用擴(kuò)展的經(jīng)驗(yàn)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(dǎo)入ANSYS軟件從而給各單元設(shè)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(guān)節(jié)三維有限元模型，通過分析得到髖關(guān)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(guān)節(jié)骨質(zhì)的非均勻分布。 3.通過對單腿站立負(fù)重狀態(tài)的生物力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：髖臼負(fù)重區(qū)的裂縫型和臺階型骨折局部應(yīng)力增大；負(fù)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(yīng)力集中。近負(fù)重區(qū)較負(fù)重區(qū)內(nèi)的骨折所產(chǎn)生的應(yīng)力小。 結(jié)論: 1.通過計(jì)算模型密度和彈性模量，進(jìn)一步確定單元材料屬性，對于建立接近實(shí)際的髖關(guān)節(jié)三維有限元具有重要的意義。 2.對每一個(gè)單元進(jìn)行材料屬性設(shè)定使所建立