踝關節(jié)三維有限元模型的建立及其損傷的力學分析.pdf

1、目的：踝關節(jié)是人體承重關節(jié)中最末端的關節(jié)，由于其特定的解剖結(jié)構(gòu)和復雜的運動機制，造成了該關節(jié)是運動損傷的常見部位。本研究通過CT數(shù)據(jù)的采集，對人體踝部主要結(jié)構(gòu)進行三維重建，從而建立有限元數(shù)字模型，在不同的載荷下，對踝關節(jié)各組成部位的受力進行有限元分析。以此方法來探討踝關節(jié)各組成骨的應力分布規(guī)律及發(fā)生形變情況。并通過與臨床統(tǒng)計數(shù)據(jù)和踝足系統(tǒng)其他有限元模型的生物力學研究對比，來驗證本模型的有效性，從生物力學的角度分析踝關節(jié)損傷的原因，為臨床

2、上研究踝關節(jié)損傷的機制提供理論支持。
　　 方法：本實驗首先選取一名中國成年女子（志愿者），34歲。身高164cm，體重60kg，踝部無畸形，無明顯外傷史。對其右踝足部行螺旋CT掃描。范圍自脛腓骨中下段1/3至足跟部，總長度16.625cm。采用儀器為美國GE公司的lightspeed16排螺旋CT。掃描參數(shù)為：120kv，240mA，螺旋層厚1.25mm，曝光時間12.053s。共得到133幅分辨率為512×512像素的二維斷

3、層圖像。將CT掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式存儲入可讀寫光盤。為簡化模型，本實驗選取包含脛骨下段、腓骨下段、距骨在內(nèi)的共82幅橫斷掃描圖像，建立踝關節(jié)的數(shù)字模型。將DICOM文件導入MIMICS10.0軟件，對原始圖像進行蒙皮、分割、光滑等處理，生成踝部的三維模型。并以點云的形式輸入逆向工程軟件Geomagic9.0，再生成實體模型。將得到的實體模型經(jīng)過裝配，導入到有限元分析軟件Ansys10.0中去，格式為IGES。采用十節(jié)點的四面體結(jié)構(gòu)實

4、體單元SOLID92模擬骨組織，三維僅受壓桿單元LINK8模擬軟骨，最終生成踝關節(jié)的三維有限元模型。
　　 對模型施加載荷，進行求解試算。對脛腓骨進行全方位約束，在距骨下端加載縱向向上壓力300N（相當于靜止站立時，單踝關節(jié)所承受的壓力），運算求解得出正常生理狀態(tài)下，靜止中立位相時脛腓骨中下段和距骨的形變圖、Von Mises應力云圖以及位移圖。然后在相同的約束條件下，增加載荷至600N、900N、1200N、1500N、180

5、0N，（資料表明，踝關節(jié)最大能承受人體5倍體重的壓力）模擬墜落傷時，踝關節(jié)中立位相時，各組成骨所承受的應力和位移情況。通過觀察所得踝關節(jié)各部的形變圖、應力云圖和位移圖變化，判斷哪些部位最容易發(fā)生骨折。并將其與臨床統(tǒng)計數(shù)據(jù)和已有的生物力學理論對比，驗證模型的有效性。
　　 結(jié)果：本實驗成功建立了包括脛腓骨中下1/3段和距骨的踝關節(jié)數(shù)字有限元模型。采用10節(jié)點四面體solid92模擬骨組織，僅受壓桿單元link8模擬關節(jié)軟骨；網(wǎng)格劃

6、分尺寸為7mm。建立了共包含11603個單元，17882個節(jié)點的踝關節(jié)的數(shù)字模型。得到了正常生理狀態(tài)下，中立位相時靜止站立及高空墜落情況下，踝關節(jié)各組成骨所發(fā)生的形變圖、應力云圖和位移圖，并以形象、直觀的彩圖形式展示結(jié)果。踝關節(jié)在正常生理情況下，中立位靜止站立時（只承受自身重力時），最大應力區(qū)集中在脛骨中下段前內(nèi)側(cè)皮質(zhì)、脛骨遠端關節(jié)面外側(cè)部和髁間線前部、距骨滑車外側(cè)部、內(nèi)踝；最大位移在距骨頭；逐漸增加載荷，至相當正常人體6倍體重時，踝關

7、節(jié)各部所受應力均逐漸增加；其中脛骨中下段最大應力集中區(qū)由前側(cè)皮質(zhì)移動至內(nèi)側(cè)皮質(zhì)。這與湯欣的四柱分型理論相符合。
　　 結(jié)論：
　　 1、利用CT掃描原始數(shù)據(jù)建立了踝關節(jié)三維可視化模型。
　　 2、建立了包括脛腓骨中下1/3及距骨的踝關節(jié)三維有限元模型。
　　 3、分別模擬中立位相靜止站立以及高空墜落的工況，對踝關節(jié)各組成骨進行有限元分析，得到了踝關節(jié)各組成骨的形變圖、Von Mises應力云圖以及位移圖。