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有限元法分析不同负荷下髋臼区的应力分布 张海峰1，尹爱华1，董 毅1，宋翠荣1，刘媛媛1，任国山2，庞 胤1(1沧州医学高等专科学校，河北省沧州市 061001；2河北医科大学，河北省石家庄市 050017) 引用本文：张海峰，尹爱华，董毅，宋翠荣，刘媛媛，任国山，庞胤. 有限元法分析不同负荷下髋臼区的应力分布[J].中国组织工程研究，2016，20(39):5867-5872. DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.39.014 ORCID: 0000-0001-9330-3497(张海峰) 文章快速阅读： 文题释义： 髋臼区的应力分布：髋臼是髋骨与股骨之间的中心结构，可分为4个区域：前部、后部、顶部和中心部。正立位时，髋骨应力最大值集中在髋臼顶部后上方区域，后壁下部次之，前壁应力最小。由于髋骨形状不规则，骨科医师对研究髋臼区的应力分布非常关注，鉴于解剖结构复杂，直接测量较为困难，需探索一种准确可行的分析方法。 髋臼区的应力传导：正常负重下，应力经椎骨-骨盆-髋臼-股骨向下传递，随负荷增大，髋臼区域应力值增大。汽车撞击、电梯按键失灵、高空坠落等意外时，髋臼区域的应力主要来自负荷所致的股骨头-髋臼反作用力，膝部或足底的瞬间冲击力将导致髋骨骨折。应力由4条途径传递：经髋臼顶部向附近髂骨传递、沿骨盆界线向骶髂关节传递、向髋臼窝内传递、向耻骨支传递。分析应力传导途径，遇到意外时人们可以屈髋、屈膝，减弱冲击力，起到预防作用。 摘要 背景：髋骨形状不规则，解剖结构复杂，难以测量其应力分布及传导过程。 目的：基于CT数据，建立髋骨、股骨上段三维有限元模型，分析正立位下加载不同负荷时髋臼区的应力分布与传递特点，探索髋骨骨折的力学机制。 方法：选择1名成年健康男性进行髋部CT扫描，获得影像数据，将数据导入Mimics 14.0，建立髋骨、股骨上段的三维模型；再经过划分网格、赋材质、转化为有限元模型，利用有限元分析软件Ansys 13.0计算负荷300，600，900，1 200 N时，髋臼前壁、髋臼顶部、髋臼后壁的应力分布，髋臼各区应力值及髋臼单元的位移变化。 结果与结论：①成功建立了髋骨和股骨的三维模型，包括284 183个结点、160 665个单元；②髋臼区应力分布特点：正立位各负荷下，应力最大值位于髋臼顶部后上方区域，后壁次之，前壁最小；应力经4条途径传递：经髋臼顶部向临近髂骨、沿骨盆界线向骶髂关节、向髋臼窝内传导、沿耻骨支方向传导；随加载负荷的增大，应力值增大，传导距离变远，髋臼单元应变量增大；③结果提示，基于CT数据应用Mimics 14.0软件建立的髋臼区三维模型仿真性高，可行有限元试验分析其不同负荷下的应力分布，为髋关节人工假体的设计提供指导数据。 关键词： 骨科植入物；数字化骨科；髋臼；三维有限元模型；有限元分析；应力分析 主题词： 髋臼；有限元分析；应力，物理；组织工程 基金资助： 2015年度沧州市科学技术研究与发展指导计划项目(151302001) Finite element method for analyzing the stress distribution of acetabulum under different loads Zhang Hai-feng1, Yin Ai-hua1, Dong Yi1, Song Cui-rong1, Liu Yuan-yuan1, Ren Guo-shan2, Pang Yin1 (1Cangzhou Medical College, Cangzhou 061001, Hebei Province, China; 2Hebei Medical University, Shijiazhuang 050017, Hebei Province, China) Abstract BACKGROUND: The hip is a complicated structure and irregular in shape. It is hard to measure stress distribution and transmission. OBJECTIVE: To establish a three-dimensional finite element model of the hip joint and upper femur, and analyze the stress distribution and transmission characteristics of the acetabulum region under different loads, and