王晓旭，宋晖，曾智，杨俊涛
(1．医院骨科，湖南衡阳；2．深医院手外科)
摘要：
目的建立成人肘关节及前臂三维有限元模型，为进一步进行生物力学研究打下基础。
方法拍摄健康成人肘关节至腕关节薄层cT图像，将其导入Mimics、Hypermesh软件中建立肘关节及前臂三维有限元模型，用模型进行负荷加载实验并在LS—DYNA中运算，将结果与以往的实验数据进行对比验证模型的有效性。
结果建立的肘关节及前臂三维有限元模型与实体解剖标本相似度高，通过模型有效性的验证能准确反映肘关节及前臂的生物力学特性。
结论使用有限元法建立肘关节及前臂三维有限元模型进行生物力学研究是可行的。
关键词：有限元；肘关节；桡骨头；应力
有限元法(finiteelementmethod，FEA)是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。自有限元法问世以来，其首先在航空、航天及力学领域兴起，现已在很多领域得到广泛应用，并于上世纪70年代逐渐开始被运用于骨科生物力学研究。随着CT技术的发展，三维重建技术在骨关节损伤中应用日益广泛。因此，本实验将运用有限元法结合高分辨率CT建立高仿真度的成人肘关节及前臂有限元模型，为后续进行桡骨头生物力学研究打下坚实的基础。
1资料与方法
1．1对象
男性志愿者，27岁，身高em，体重68kg。既往无肘关节及前臂损伤及相关疾病史，通过肘关节及前臂x片、CT及MRI排除相关疾病，医院伦理学委员会批准，经研究对象知情同意。
1．2设备和软件
PhilipsMX型64排螺旋CT扫描机;Mxlite.viewVertion1.18工作站;Inter(R)Xeon(R)CPU?2.40Ghz(双核)?4.0GB内存计算机?软件Mimicsl0.01(比利时Materialise公司),Hypermeshl0.0(美国Ahair公司),LS—DYNA(美国LSTC公司)?
1．3模型的建立
用64排螺旋CT对志愿者的右肘及前臂(包括肘上10.0cm至下尺桡关节)于伸肘0?位分别置前臂于旋前?中立及旋后位进行CT扫描,将得到的影像数据导人Mimicsl0.01进行三维重建,建立肘关节及前臂不同位置的三维数字模型?再导人有限元前处理软件Hypermeshl0.0中,建立肘关节的内?外侧副韧带?桡骨头环状韧带及前臂骨间膜?随后对模型进行有限元网格划分,建立有限元网格模型?
各模型的相关参数如下：前臂旋前位模型节点数，单元数，其中松质骨，皮质骨，骨问膜，韧带；前臂中立位模型节点数，单元数，其中松质骨，皮质骨，骨间膜，韧带；前臂旋后位模型节点数，单元数，其中松质骨，皮质骨，骨间膜，韧带。
最后将模型中的各种组织材料全部简化为各向同性的均质性弹性材料，根据文献进行材料属性赋值(见表1)，最终建立了肘关节及前臂的三维有限元模型(图1)。
1．4负荷加载实验
为验证模型的有效性，对模型进行负荷加载实验，将得出的结果与以往相关的实验数据进行对比来验证模型的有效性。将模型肱骨端固定，从腕关节对尺桡骨施以N轴向载荷，导人有限元运算软件LS．DYNA进行分析计算肘关节分别屈曲0°、30°、60°、90°及°时肘关节桡骨及尺骨关节面的应力大小及分布(表2、3、4)。
1．6有效性分析
根据以上结果可得知，实验中肘关节屈肘0°及30°、前臂旋前时，经桡骨头传导的应力值最大，30°时为极限，而前臂于中立、旋后及屈肘角度增大时经桡骨头传导的应力值相应减少，这与Morrey等的实验结论“在屈肘0°～30°。、前臂旋前时，经桡骨头传导的应力最大；而在前臂旋后及屈肘角度增大时经桡骨头传导的应力减小”是相吻合的。前臂处于旋前位、屈肘0°时桡骨头应力传导分布情况为57.6N,占所施应力的57.6%,结果与杨运平等[4]的实验结论“经桡骨头传导的应力大小约占肘关节总应力的55%”张建新等的实验结果经桡骨头传导的应力值约占肘关节总应力值的58%”类似。且在前臂处于旋后位时(图2A)从关节面应力云图分布情况来看实验中应力主要集中在桡骨头外侧。而前臂处于旋前(图2B)中立位时(图2C)应力主要集中在桡骨头内侧结论与Takatori等6的实验结论“当前臂旋后时应力主要集中在桡骨头外侧:前臂处于旋前和中立位时应力主要集中在桡骨头内侧”Inoue等”的实验研究结果“前臂在旋后位时应力主要集中于桡骨头前外侧”基本吻合。故该模型是有效的,符合下一步实验研究的标准。
2结果
采用计算机辅助技术方法并运用Mimics及Hypermesh软件,成功建立了肘关节及前臂三维有限元模型,即得到前臂旋前中立及旋后位三个有限元模型结果。模型建立后在肘关节不同程度屈曲的轴向加载实验中所得相关数据与国内外相关学者的实验结果基本吻合,无明显差异,验证了模型的有效性。
3讨论
3.1有限元法在生物力学领域的应用
生物力学的研究主要有两种方法,一种是实验生物力学研究,即以实体模型进行力学分析:而另一种则是理论生物力学研究,是通过相关数学物理方法进行力学分析有限元法即属此类。
有限元法较传统的实验生物力学研究相比具有如下优势:
(1)能够高度模拟物体的结构和材料特性:
(2)不但可以精确的反映区域信息,而且也可以反映整体信息:
(3)既可以精确的数字分析又可以形象、直观的的定性研究;
(4)分析研究重复性好:(5)模型可反复使用无耗损对比研究的可比性强,无需统计推断:(6)能研究其他方法所不能做到的加载及条件约束,得到客观实体实验所无法获得的研究结果。
因此有限元法在生物力学领域得到广泛的应用目前在骨折发生机理、关节韧带受力分析、人工假体应力分析及设计、骨折内固定方法对比等方面均可见应用,如Kluess等12利用有限元法分析比较膝关节置换中陶瓷与钻钼合金两种材料股骨端假体应力有限元分析、Wang等3利用有限元法研究高龄患者各种椎骨骨折徐洪璋等14利用有限元法建立了髌骨骨折AO张力带内固定有限元模型用于张力带应力分析等。虽然利用有限元法进行生物力学实验原本就较实际结果有部分偏差,且不同的建模方法中存在着诸多的因素制约,使实验结果误差大小不一但随着计算机技术的高速发展仍可相信在未来这些误差会逐渐缩小化,使实验结果无限接近于客观事实,同样也相信有限元法在生物力学领域的前景会更加广阔其也会被更多的科学领域所应用。
3.2模型的评价
应用有限元法进行力学分析最基础也是最重要的部分在于模型的建立，一个高度仿真且有效的模型是实验成功的关键。目前建模的方法主要有以下几类:(1)表面建模法:即通过物体表面轮廓的数据点进行建模,但此方法只包含了外部形态模型内部结构空虚缺乏模型的完整性;(2)组织切片建模法:如方驰华等15即应用此法重建肝脏此法的具有高度仿真性,但无可靠的组织赋值材料:(3)基于CTMRI等影像数据建模法。本实验即采用此法，因CT对骨组织成像良好MRI对软组织成像清楚且建模快速便捷故得到广泛应用16。本实验模型采用64排螺旋CT对健康成人肘关节及前譬进行扫描得到层厚05mm薄层像素x高清晰度影像,保证了影像数据来源的精度而使用较新版的有限元处理软件(Mimics1Hypermesh10.c及LS-DYNA)相结合进行分析使建模方法及过程较以前大为改进。
但一个高度仿真的模型还是需要相关检验来验证的此前许多类似研究均过于追求建模的精确性而忽略了对模型的验证，实际上模型的验证也是非常关键的,只有通过模型的验证，才能够减少模型存在的误差得到更为真实的实验数据。对有限元模型验证的方法主要有两类一是用实体模型力学研究得到数据然后将所建有限元模型行相同的力学研究两者数据相对比来验证:另一种是通过寻找先前类似的相关文献资料行同样的实验对比来验证。本实验即采用此方法。相对于第一种方法,后者虽不如其严格与精密但工作量少,实验方法简单易行所以应用也更为广泛[17]。本模型经验证后与国内外相关文献数据进行对比后结果基本吻合，说明模型是具有良好有效性的。
采用有限元法建立成人肘关节及前臂三维有限元模型进行生物力学实验研究是可行的。虽然有限元法有着传统实体实验无法替代的优势，但其本身也有许多不足之处如模型的简化及假设组织材料分布过于均匀等，总的说来,优势还是远大于其不足。相信未来科技的发展不足之处会逐渐淡化运用有限元法进行生物力学实验将会得到更精确的实验结论。
来源：
王晓旭，宋晖，曾智，杨俊涛
(1．医院骨科，湖南衡阳；2．深医院手外科)
免责声明：文章仅供交流学习，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删除！
02医学有限元分析服务内容针对骨学、关节外科、普外科、囗腔科等提供医学力学有限元分析仿真、培训、临床手术模拟分析等；
代做有限元：脊椎、腰椎、颈椎、上下肢、假肢、前臂、血管支架、牙齿、骨关节等；
培训：ANSYS、Abaqus有限元分析，mimics骨头模型提取，GeomagicStudio模型处理；
服务对象：各省市、自治区从事运动生物力学、生物医学工程、基础医学、临床医学、囗腔力学、骨骼力学的教学、研究与应用的教师、科研工作者、各级教练员等方面的相关人员；国内各重点大学、科研院所相关研究领域的博士、硕士相关研究生和学者等。
一对一教学，随到随学！可选择线上或线下培训。
课程培训或项目委托我们服务过的客户:（部分）
医院：中山大学附属第一/第二/医院、中山大学附属医院、医院、广州中医院、医院、医院、医院、医院、医院、医院、中山大学光华口医院、医院、医院、医院、广东医院、医院、医院、医院、浙江中医药大学附属医院、医院。
科研院校：南方医科大学、中山大学、广州中医药大学、广州医科大学、广西医科大学、复旦大学、同济大学、华南理工大学、暨南大学、兰州大学、南昌大学、云南中医学院、工业信息化部电子第五研究所、电子五所、核动力四所、中航光电设备研究所、国科军工、中科华核电技术研究院、等。
预览时标签不可点收录于合集#个上一篇下一篇
联系电话：