踝关节三维有限元模型的建立及其损伤的力学分析-人体解剖与组织胚胎学专业论文.docxVIP

目 目 录 中文摘要 1 英文摘要 ．．3 研究论文 踝关节三维有限元模型的建立及其损伤的力学分析 前言日!J百．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 6 材料与方法 8 结果 ．11 附图 ．14 附表 ．27 讨论 ．29 结论 ．35 参考文献 ．37 综述有限元分析在踝关节生物力学研究中的应用 ．．40 致谢 ．49 个人简历 ．．50 中文摘要 踝关节三维有限元模型的建立及其损伤的力学分析 摘 要 目的：踝关节是人体承重关节中最末端的关节，由于其特定的解剖结 构和复杂的运动机制，造成了该关节是运动损伤的常见部位。本研究通过 CT数据的采集，对人体踝部主要结构进行三维重建，从而建立有限元数 字模型，在不同的载荷下，对踝关节各组成部位的受力进行有限元分析。 以此方法来探讨踝关节各组成骨的应力分布规律及发生形变情况。并通过 与临床统计数据和踝足系统其他有限元模型的生物力学研究对比，来验证 本模型的有效性，从生物力学的角度分析踝关节损伤的原因，为临床上研 究踝关节损伤的机制提供理论支持。 方法：本实验首先选取一名中国成年女子(志愿者)，34岁。身高 164cm，体重60蝇，踝部无畸形，无明显外伤史。对其右踝足部行螺旋 CT扫描。范围自胫腓骨中下段1／3至足跟部，总长度16．625cm。采用仪 器为美国GE公司的lightspeed 16排螺旋CT。扫描参数为：120kv，240mA， 螺旋层厚1．25mm，曝光时间12．053s。共得到133幅分辨率为512x512 像素的二维断层图像。将CT扫描数据以DICOM格式存储入可读写光盘。 为简化模型，本实验选取包含胫骨下段、腓骨下段、距骨在内的共82幅 横断扫描图像，建立踝关节的数字模型。 将DICOM文件导入MIMICSl0．0软件，对原始图像进行蒙皮、分割、 光滑等处理，生成踝部的三维模型。并以点云的形式输入逆向工程软件 Geomagic9．0，再生成实体模型。将得到的实体模型经过装配，导入到有 限元分析软件Ansysl0．0中去，格式为IGES。采用十节点的四面体结构 实体单元SOLID92模拟骨组织，三维仅受压杆单元LINK8模拟软骨，最 终生成踝关节的三维有限元模型。 对模型施加载荷，进行求解试算。对胫腓骨进行全方位约束，在距骨 下端加载纵向向上压力300N(相当于静止站立时，单踝关节所承受的压 力)，运算求解得出正常生理状态下，静止中立位相时胫腓骨中下段和距 骨的形变图、Von Mises应力云图以及位移图。然后在相同的约束条件下， 增加载荷至600N、900N、1200N、1500N、1800N，(资料表明，踝关节 中文摘要最大能承受人体5倍体重的压力)模拟坠落伤时，踝关节中立位相时，各 中文摘要 最大能承受人体5倍体重的压力)模拟坠落伤时，踝关节中立位相时，各 组成骨所承受的应力和位移情况。通过观察所得踝关节各部的形变图、应 力云图和位移图变化，判断哪些部位最容易发生骨折。并将其与临床统计 数据和已有的生物力学理论对比，验证模型的有效性。 结果：本实验成功建立了包括胫腓骨中下1／3段和距骨的踝关节数字 有限元模型。采用10节点四面体solid92模拟骨组织，仅受压杆单元link 8模拟关节软骨；网格划分尺寸为7mm。建立了共包含11603个单元，17882 个节点的踝关节的数字模型。得到了正常生理状态下，中立位相时静止站 立及高空坠落情况下，踝关节各组成骨所发生的形变图、应力云图和位移 图，并以形象、直观的彩图形式展示结果。踝关节在正常生理情况下，中 立位静止站立时(只承受自身重力时)，最大应力区集中在胫骨中下段前 内侧皮质、胫骨远端关节面外侧部和髁间线前部、距骨滑车外侧部、内踝； 最大位移在距骨头；逐渐增加载荷，至相当正常人体6倍体重时，踝关节 各部所受应力均逐渐增加；其中胫骨中下段最大应力集中区由前侧皮质移 动至内侧皮质。这与汤欣的四柱分型理论相符合。， 结论： l利用CT扫描原始数据建立了踝关节三维可视化模型。 2建立了包括胫腓骨中下1／3及距骨的踝关节三维有限元模型。 3分别模拟中立位相静止站立以及高空坠落的工况，对踝关节各组成 骨进行有限元分析，得到了踝关节各组成骨的形变图、Von Mises应力云 图以及位移图。从图上可以看出，中立位相时，踝关节各组成骨所受应力 主要分布在胫骨远端关节面外侧、髁间线前部、距骨滑车的外侧、内踝和 胫骨中下段前缘。这完全符合汤欣的四柱理论。临床统计数据也表明，踝 关节损伤中以胫骨远端关节面外侧、内踝最多见。与本实验结果相符。从 而间接证实了本有限元模型的有效性，为踝关节损伤病因学研究提供一定