人体髋关节三维有限元模型的建立及其生物力学意义.docx
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1、人体髋关节三维有限元模型的建立及其生物力学意义【摘要】 目的:构建正常人体髋关节的三维有限元模型,作为该部位进一步有限元分析的基础。方法:采用活体髋关节为标本,应用CT扫描技术及图形数字化方法获取髋关节的三维坐标,输入有限元分析软件,并通过确定材料特性参数和网格化,建立髋关节的三维有限元模型。结果:所构建髋关节三维有限元模型客观反映髋关节真实解剖形态及其生物力学行为,还原性良好,可以满足有限元分析的需要。结论:采用CT扫描资料建立的三维有限元模型切实可靠,实体建模法将有限元模型的几何特征和边界条件的定义与有限元网格的生成分开进行,减少了模型生成的困难。所构建的髋关节三维有限元模型,可以为髋关节
2、力学行为以及骨折内固定、髋关节成型术的力学基础研究提供精确模型。【关键词】 髋关节 三维有限元模型 生物力学 有限元分析 CT Abstract: Objective:To establish a three-dimensional finite element model of normal human hip as a foundation of finite element analysis in this area. Methods:Normal hip joint in vivo was used as specimen. CT scan was used to obtain con
3、figuration, three-dimensional coordinate of the hip joint was obtained using autoCAD software. With the software of finite element analysis determining property parameter of material and meshing, a three-dimensional finite element model of the hip joint was set up. Results:The constructed three-dime
4、nsional finite element model of normal human hip joint objectively reflected the real hip joints anatomy and biomechanical behavior and could satisfy the need of finite element analysis. Conclusion:It was reliable to build three-dimensional finite element model with CT scan data and to simulate real
5、 and complicated geometry figure accurately. By the method of building the three-dimensional finite element model depends on entity, define border condition, determine the geometry character of finite element model, and meshes the model, respectively. The difficulty of building the finite element mo
6、del can be reduced. The consruction of three-dimensional finite element model of normal human hip joint provides basic data for research on mechanical behavior of hip joint, internal fixation after fracture and hip arthroplasty. Key words: hip joint; three-dimensional finite element model; biomechan
7、ics; finite element analysis; computer tomography 近年来,医学与工程力学的结合,使分析有限元作为一种较新的生物力学研究手段,逐渐应用到医学领域。随着计算机技术的发展,三维非线性有限元软件的开发,有限元分析能够精确分析骨骼假体的内部应力分布及定量分析应力集中等1。髋关节是人体重要承重关节,其骨折创伤程度重,无论保守治疗还是手术治疗经常由于复位不完全,出现股骨头坏死或骨关节炎等严重后果。传统的生物力学研究从不同的角度分析了髋关节的生物力学,并从不同侧面提出了髋关节骨折的治疗方法。由于髋关节形状和结构的复杂性和特殊性,本研究旨在探讨利用CT扫描技术,
8、取得正常髋关节的各种结构的三维坐标值,在有限元分析软件中采用实体建模,从而建立起正常髋关节的有限元模型,并对材料特性和网格大小等参数设定进行探讨,以期为髋关节损伤的相关研究提供多维思路,进一步丰富髋关节生物力学行为的研究手段2,3。 1 材料和方法 材料和设备 选择1名健康自愿者作为对象,女性,49岁,实验前行X线检查,排除病理改变后,进行髋关节CT扫描,获取用于建立三维计算机模型的相关资料。西门子SOMATOM Volume Zoom CT机。Unigraphics 、SolidWorks2006和 有限元分析软件。Windows XP 操作系统。图像处理软件。建模方法与步骤对髋关节进行CT
9、断层成像:在CT成像过程中,要求髋关节在纵轴方向保持不变,每隔 mm间距扫描一次,共278层。所得图像以DICOM格式直接存入CT机,刻录光盘,从而得到表示髋关节每层横截面的图像。同时对所得的每一张CT图像按照扫描的顺序逐张进行处理,去除骨骼周围肌肉和软组织后得到处理后的髋关节每一个断层CT图像,在处理过程中保持骨骼灰度处理前与扫描时一致,为骨密度计算和弹性摸量设定打下基础。切片对齐:为了保证重建的模型能逼真反映髋关节的实际情况,选取图片左边标尺的上端点为第一基准点,下端点为第二基准点,使每一层的两基准点严格保持一致,从而避免了图像的相对位移和偏移。坐标原点的确定:提取出股骨头中间断面上距离最
10、大的2个像素点,取该2个像素的中点定为三维坐标系的原点,髋关节的近端为Z轴正方向,远端为负方向。轮廓提取:图像中的轮廓信息通过计算各像素点间的灰度值“梯度”确定,梯度值大的地方通常是轮廓所在位置。对每层图像处理,提取髋臼和股骨近端内表面和外表面的一系列关键点,逐步建立代表各种结构轮廓的点、线、面和体,并适时运用布尔运算,最终形成区分松质骨、皮质骨和骨髓腔的近视自然人正常髋关节的实体模型。有限元分析 输出的实体以IGS格式的文件展示,将其导入Unigraphics 软件中,转换成UG格式,并利用Unigraphics 软件强大的缝合功能进行面片之间的缝合,缝合完成之后再导入SolidWorks2
11、006软件转换成SolidWorks格式的文件,采用CAE有限元分析软件COSMOSWorks2006进行网格划分,网格大小参数设置根据精细与经济兼顾的原则。 单元类型采用有限元分析软件单元库所提供的第三号角锥单元,每一单元具有四个节点,每个节点具有6个自由度。髋关节骨骼在应力不超过其强度极限时,它的应力-应变关系与许多工程材料很类似,呈线性,因此对髋关节进行应力分析时,假设髋关节为连续、均质、各向同性的线弹性材料,综合前人实验测量及有限元模型验证结果,有关材料力学参数选择如下: 皮质骨弹性模量17000 MPa,泊松比;软骨下皮质骨弹性模量2000 MPa,泊松比;松质骨弹性模量70 MPa
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