距骨數(shù)值仿真模型的建立及有限元分析.pdf

1、研究背景：
　　 距骨為人體最大的跗骨之一,是身體重力傳至足部的樞紐,約60％-70％被關(guān)節(jié)軟骨覆蓋。了解距骨正常力學(xué)分布特點(diǎn),將有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)正常和異常情況下距骨的生理病理學(xué)行為。距骨各關(guān)節(jié)面的載荷分布異常是踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)疾病發(fā)生的重要因素,是發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎的主要病因之一。距骨及周圍結(jié)構(gòu)的損傷必然導(dǎo)致距骨生理結(jié)構(gòu)的紊亂,影響距骨的應(yīng)力分布。踝關(guān)節(jié)周圍韌帶損傷對(duì)距骨在踝穴中的穩(wěn)定有重要影響。當(dāng)踝關(guān)節(jié)周圍韌帶損傷后,將導(dǎo)致行走時(shí)距骨在

2、踝穴中解剖位置的改變,影響關(guān)節(jié)接觸面積及應(yīng)力分布,異常的應(yīng)力分布導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生退行性病變,最終導(dǎo)致骨性關(guān)節(jié)炎,故韌帶損傷后應(yīng)仔細(xì)對(duì)韌帶原來的位置及纖維走向進(jìn)行重建。由于距骨解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在活體對(duì)韌帶損傷后距骨的生物力學(xué)特征變化研究較為困難。
　　 傳統(tǒng)的骨科生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是以動(dòng)物模型或尸體模型為基礎(chǔ),但存在許多弊端和局限性。動(dòng)物模型的結(jié)構(gòu)和功能與人類差別較大,因此生物力學(xué)結(jié)果不可能解決有關(guān)人類特性的問題；在體實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果雖然

3、最為可靠,但由于實(shí)驗(yàn)手段的缺陷,想在不改變其生理狀態(tài)的情況下得到生物體尤其是內(nèi)部組織的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往是十分困難的。尸體模型雖然在幾何相似性有很大的優(yōu)勢(shì),卻又會(huì)改變生物體作為活組織的特性,難以獲得各異的力學(xué)性能j同時(shí)一個(gè)標(biāo)本不能反復(fù)利用,使對(duì)照研究的可比性下降,且實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高,取材較困難,想得到實(shí)驗(yàn)對(duì)象內(nèi)部任意部位的生物力學(xué)響應(yīng)也十分困難。
　　 隨著數(shù)字仿真建模技術(shù)及有限元法的發(fā)展,數(shù)字虛擬逐漸應(yīng)用到臨床診斷、治療及實(shí)驗(yàn)研究。與以

4、往的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)相比,有限元方法是一種非常有用的數(shù)值計(jì)算工具,可以用幾何及數(shù)字非線性進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變分析。可以完成其他研究方法所不能實(shí)現(xiàn)的加載方式及約束條件,標(biāo)本也可以進(jìn)行修正以模擬任何病理狀態(tài)。有限元模型也可以提供實(shí)驗(yàn)不能得到的正常生理信息,得到客觀實(shí)體實(shí)驗(yàn)所難以得到的研究結(jié)果?？梢酝ㄟ^改變載荷加載方式、改變材料特性等方法進(jìn)行個(gè)體化受力分析。
　　 由于距骨結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、運(yùn)動(dòng)的多樣性、個(gè)體的差異性,迄今為止,距骨生物

5、力學(xué)研究中尚無一個(gè)可以完全模擬生理狀態(tài)的有限元模型。生理狀況下,距骨的結(jié)構(gòu)和功能在很大程度上依賴于其所處的力學(xué)環(huán)境。本研究利用CT數(shù)據(jù),建立合理的距骨數(shù)字仿真及三維有限元模型,研究距骨及周圍結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性,分析正常步態(tài)下距骨應(yīng)力應(yīng)變情況,距骨頸骨折不同內(nèi)固定方式的生物力學(xué)穩(wěn)定性,距骨周圍韌帶損傷后距骨力學(xué)環(huán)境的改變情況,以期為足踝外科領(lǐng)域生物力學(xué)研究提供新的手段。
　　 目的：
　　 1.利用數(shù)字化技術(shù),建立距骨及周

6、圍結(jié)構(gòu)的數(shù)字虛擬仿真模型,探討數(shù)字仿真醫(yī)學(xué)建模的方法及意義；
　　 2.建立正常步態(tài)下距骨及周圍結(jié)構(gòu)的三維有限元模型,分析正常步態(tài)下距骨生物力學(xué)變化；
　　 3.研究正常步態(tài)下距骨各關(guān)節(jié)面軟骨的應(yīng)力分布特點(diǎn),分析不同步態(tài)相距骨各關(guān)節(jié)面接觸特征；
　　 4.通過三維有限元法對(duì)距骨頸骨折不同螺釘內(nèi)固定方式進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià),比較不同內(nèi)固定方式生物力學(xué)穩(wěn)定性,為臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)；
　　 5.建立踝關(guān)節(jié)韌帶損傷三維

7、有限元模型,分析不同韌帶損傷后,在內(nèi)旋、外旋作用力下距骨的生物力學(xué)變化。
　　 方法：
　　 1.距骨及周圍結(jié)構(gòu)三維數(shù)字模型的建立:選擇一例正常志愿者進(jìn)行64排螺旋CT掃描。掃描平面:足底至踝關(guān)節(jié)上10cm,掃描層厚:0.45mm；存貯圖像格式:DICOM格式。獲得DICOM格式的二維圖像數(shù)據(jù),二維斷層CT圖像共663層,將其導(dǎo)入到三維重建軟件Mimics10.01中,生成3D模型,再以STL格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geom

8、agic Studio10.0中擬合曲面,最后在UG軟件中縫合,建立距骨及周圍結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型。
　　 2.正常步態(tài)下距骨及周圍結(jié)構(gòu)三維有限元模型的建立:將UG中生成的實(shí)體模型導(dǎo)入HyperMesh10.0中,根據(jù)關(guān)節(jié)軟骨邊界,生成軟骨實(shí)體結(jié)構(gòu),然后利用其強(qiáng)大的前處理功能模塊劃分網(wǎng)格,添加距骨周圍韌帶等附屬結(jié)構(gòu),構(gòu)建距骨及周圍結(jié)構(gòu)的三維有限元模型,之后導(dǎo)入ABAQUS6.9軟件進(jìn)行后處理。結(jié)果與以前研究進(jìn)行對(duì)比來驗(yàn)證模型的有效

9、性。分析距骨在不同步態(tài)相應(yīng)力位移云圖,探討距骨的生物力學(xué)特性。
　　 3.正常步態(tài)下距骨各關(guān)節(jié)面軟骨接觸特征的有限元分析:在上述所建有限元模型上,觀察落地相、中立相、離地相時(shí)各關(guān)節(jié)面接觸區(qū)域,接觸面積及壓強(qiáng),關(guān)節(jié)軟骨及軟骨骨床von Mise應(yīng)力分布等,了解距骨各關(guān)節(jié)面的生物力學(xué)特征。
　　 4.距骨頸骨折螺釘固定穩(wěn)定性的有限元分析:對(duì)成人正常踝關(guān)節(jié)進(jìn)行CT掃描(使用64排西門子螺旋CT,層厚0.45mm),,數(shù)據(jù)以DI

10、COM格式儲(chǔ)存。然后導(dǎo)入Mimics10.0軟件,根據(jù)不同組織灰度值的差異,通過閾值化及相應(yīng)的擦除操作,構(gòu)建得到距骨三維模型,將模型輸出為STL,文件,再導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio10.0進(jìn)行光滑處理,模擬距骨頸骨折進(jìn)行截骨,擬合曲面,輸出為Iges文件,導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件縫合生成實(shí)體模型。螺釘模型由UG軟件建立,根據(jù)臨床上AO/ASIF全螺紋松質(zhì)骨螺釘?shù)某叽绱_定螺釘外徑為4.0 mm,內(nèi)徑2.9mm,長(zhǎng)度根據(jù)需要的不同而

11、調(diào)整。.由于本研究的重點(diǎn)與螺紋關(guān)系不大,因此為簡(jiǎn)化模型,忽略螺紋的細(xì)節(jié),以直徑4.0mm的圓柱體代替螺紋部分,輸出為Iges文件。再將距骨及螺釘?shù)膸缀文Ｐ蛯?dǎo)入有限元分析前處理軟件HyperWorks10.0中,進(jìn)行裝配、網(wǎng)格化及賦值等前處理。根據(jù)距骨頸骨折不同固定方式,生成單螺釘、雙螺釘由前向后固定及單螺釘、雙螺釘由后向前固定四種不同固定的有限元模型,最后導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS11.0后處理分析。通過比較不同固定方式之間螺釘?shù)膙o

12、n Mises應(yīng)力、骨折面接觸面積及壓力和骨折間隙,評(píng)價(jià)不同內(nèi)固定方式的穩(wěn)定性。
　　 5.踝關(guān)節(jié)周圍韌帶損傷后距骨生物力學(xué)變化:建立距骨周圍韌帶損傷模型,分別模擬距腓前韌帶、跟腓韌帶、距腓后韌帶、脛距前韌帶、脛跟韌帶、脛距后韌帶及脛舟韌帶斷裂,施加載荷,觀察距骨應(yīng)變位移云圖,分析不同部位韌帶損傷后在內(nèi)旋、外旋外力下距骨的生物力學(xué)變化,為臨床上韌帶損傷修復(fù)提供理論指導(dǎo)。
　　 結(jié)果：
　　 1.進(jìn)行足踝部CT掃描

13、,得到DICOM數(shù)據(jù),利用Mimics、Geomagic Studio、UG軟件建立距骨及周圍結(jié)構(gòu)的三維模型,模型幾何結(jié)構(gòu)精確、逼真。
　　 2.將實(shí)體模型導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分,賦值,建立三維有限元模型,共生成21865個(gè)節(jié)點(diǎn)、73440個(gè)單元,導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行后處理。通過加載載荷及施加邊界條件,模型進(jìn)行有限元分析,與其他生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)比較,結(jié)果相似,證明模型有效。正常步態(tài)中從落地相到離地相中等效應(yīng)力峰值在距

14、骨滑車分別為3.0 MPa、4.3 MPa、4.8 MPa；在距骨頸分別為1.3 MPa、1.9 MPa、2.8 MPa;在距舟關(guān)節(jié)分別為2.8 MPa、3.0 MPa、3.4 MPa；在距下關(guān)節(jié)分別為2.2 MPa、1.8 MPa、1.5 MPa。不同位相距骨Von Mises應(yīng)力值及分布范圍不同,等效應(yīng)力在距骨滑車、距骨頸及距舟關(guān)節(jié)從落地相到離地相逐漸增大,在距下關(guān)節(jié)逐漸減小。
　　 3.距骨滑車面軟骨接觸應(yīng)力從落地相到離地

15、相逐漸增加,在三個(gè)位相分別是5.6、8.3和11.8MPa。在落地相關(guān)節(jié)軟骨接觸應(yīng)力主要分布于中后側(cè),中立相分布在前、外側(cè),離地相分布在外側(cè)和前內(nèi)側(cè)。距舟關(guān)節(jié)面軟骨接觸應(yīng)力主要分布在跖內(nèi)側(cè),三個(gè)位相應(yīng)力最大值分別為7.8、8.6和8.1 MPa,中立相時(shí)關(guān)節(jié)軟骨所受接觸應(yīng)力較大。距下后關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨接觸應(yīng)力三個(gè)位相時(shí)接觸應(yīng)力最大值分別為4.5、4.7和4.0 MPa,中立相時(shí)較大,離地相關(guān)節(jié)面軟骨所受接觸應(yīng)力較小。距骨各關(guān)節(jié)面軟骨von

16、Mises應(yīng)力分布趨勢(shì)同接觸應(yīng)力分布,從落地相至離地相,距骨滑車關(guān)節(jié)面軟骨和距舟關(guān)節(jié)面軟骨的von Mises應(yīng)力逐漸增加,而距下后關(guān)節(jié)面軟骨的von Mises應(yīng)力逐漸減小。
　　 4.模擬距骨頸骨折有限元模型,對(duì)距骨頸骨折螺釘固定方式進(jìn)行生物力學(xué)分析,從應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可以看出:不同內(nèi)固定方式螺釘應(yīng)力分布不均勻,螺釘應(yīng)力主要集中于骨折斷端處。在兩種載荷邊界條件下,采用雙螺釘由前向后固定,螺釘von Mises應(yīng)力最小,在中立位和

17、背伸時(shí)分別為14.062MPa、32.012MPa。相同內(nèi)固定情況下,踝關(guān)節(jié)背伸螺釘von Mises應(yīng)力值高于中立位站立時(shí)。中立位時(shí),骨折面壓力主要集中于距骨頸背外側(cè),雙螺釘由前向后固定壓力最大,為7.041MPa；踩關(guān)節(jié)背伸時(shí),壓力主要集中在內(nèi)側(cè),雙螺釘由前向后固定壓力大于其他三種固定方式,為9.165 MPa。兩種載荷下,四種固定方式骨折面接觸面積變化不大。采用單螺釘由前向后固定在兩種載荷邊界條件下骨折間隙最大,雙螺釘由前向后固定

18、骨折間隙最小。
　　 5.在內(nèi)旋載荷下,脛腓后韌帶、距腓前韌帶和脛距后韌帶不受應(yīng)力作用,跟腓韌帶所受應(yīng)力較大,為18.91MPa。在外旋應(yīng)力下,距腓后韌帶、跟腓韌帶、脛距前韌帶、脛舟韌帶不受應(yīng)力作用,距腓前韌帶所受應(yīng)力最大,為13.75 MPa。內(nèi)旋作用下,距腓前韌帶損傷后,等效應(yīng)力峰值在脛距關(guān)節(jié)為8.56MPa,距下后關(guān)節(jié)6.43MPa,距下前關(guān)節(jié)為1.87MPa,距舟關(guān)節(jié)為7.31 MPa。距骨的最大位移位于距骨后部,為1.

19、21mm。跟腓韌帶損傷后,等效應(yīng)力峰值在脛距關(guān)節(jié)為9.29MPa,距下后關(guān)節(jié)7.19MPa,距下前關(guān)節(jié)為3.49MPa,距舟關(guān)節(jié)為6.69MPa,最大位移位于距骨后部,為1.72mm。距腓后帶損傷后,等效應(yīng)力峰值在脛距關(guān)節(jié)為8.86MPa,距下后關(guān)節(jié)6.88MPa,距下前關(guān)節(jié)為1.85MPa,距舟關(guān)節(jié)為7.39MPa。距骨的最大位移位于距骨后部,為1.09mm。外旋作用下,脛距前韌帶、脛跟韌帶、脛舟韌帶損傷后,等效應(yīng)力及位移變化情況相同

20、,在脛距關(guān)節(jié)為5.79MPa,距下后關(guān)節(jié)4.91MPa,距下前關(guān)節(jié)為1.71MPa,距舟關(guān)節(jié)為6.88MPa。距骨的最大位移位于距骨體外側(cè)及頭部外側(cè),為0.64mm。脛距后韌帶損傷后,距骨等效應(yīng)力在脛距關(guān)節(jié)面前側(cè)、距下后關(guān)節(jié)中部、距舟關(guān)節(jié)下內(nèi)側(cè)等效應(yīng)力較大,在脛距關(guān)節(jié)為6.24MPa,距下后關(guān)節(jié)5.23MPa,距下前關(guān)節(jié)為1.41MPa,距舟關(guān)節(jié)為6.67 MPa。距骨的最大位移位于距骨體外側(cè)及頭部外側(cè),為0.72mm。
　　

21、結(jié)論：
　　 1.基于CT掃描數(shù)據(jù),利用Mimics、Geomagic Studio、UG軟件,建立距骨及周圍骨骼的三維數(shù)字仿真模型,這種方法可行、有效,建模速度較快,且對(duì)人體無損害。所建模型包含大量信息量,具有和實(shí)體相似的幾何形狀,能夠較真實(shí)模擬原模型。
　　 2.三維有限元法是生物力學(xué)研究的一種理論方法,可以模擬各種結(jié)構(gòu)的幾何模型,賦予各種組織的生物材料屬性,能很好的反映其生物力學(xué)特性的總體趨勢(shì),因而可以作為標(biāo)本實(shí)驗(yàn)

22、生物力學(xué)研究方法很好的補(bǔ)充。本研究利用人體足踝部CT數(shù)據(jù),借助Mimics、Geomagic Studio、Hypermesh、ABAQUS等軟件,建立了距骨及周圍結(jié)構(gòu)的有限元模型與正常人體具有良好的幾何相似性。本模型與目前文獻(xiàn)報(bào)道的同類研究模型相比,網(wǎng)格劃分均勻,單元質(zhì)量較高,因此,分析結(jié)果更加精確。同時(shí),由于數(shù)字模型可拆分的特點(diǎn),應(yīng)用具有極大的靈活性,在研究對(duì)象的選擇上,可對(duì)足踝部諸骨獨(dú)立研究,進(jìn)一步擴(kuò)大了本模型的應(yīng)用范圍。除此之外

23、,作為整體,通過與解剖結(jié)構(gòu)、病理生理、臨床研究等多方面生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)比,證明本模型具有良好的物理相似性,更能夠準(zhǔn)確和完整地模擬距骨的解剖結(jié)構(gòu)及其受力特點(diǎn),有利于對(duì)距骨進(jìn)行生物力學(xué)分析。
　　 3.距骨各關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力及面積的分布對(duì)臨床研究有重要意義,距骨各關(guān)節(jié)面軟骨的異常力學(xué)機(jī)制是踝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的主要病因之一,認(rèn)識(shí)正常步態(tài)下距骨各關(guān)節(jié)面軟骨力學(xué)分布特點(diǎn),將有助于了解正常距骨關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)機(jī)制和異常載荷下關(guān)節(jié)軟骨的病理

24、學(xué)行為。
　　 4.有限元分析方法開始越來越多的被用于骨折內(nèi)外固定方法的生物力學(xué)評(píng)價(jià)中,為臨床選擇有效的固定方法提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。內(nèi)固定物本身應(yīng)力分布情況及骨折斷面的位移是衡量?jī)?nèi)固定方式優(yōu)劣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。理想的內(nèi)固定物應(yīng)該使應(yīng)力盡可能均勻的分布在內(nèi)固定物上,而不應(yīng)過度集中在某一部位。高應(yīng)力必然導(dǎo)致骨折端的高應(yīng)變,從骨折愈合角度來講,這種高應(yīng)變不利于骨折局部骨痂的生長(zhǎng)。骨折面的情況對(duì)骨折的愈合非常重要,其中的兩個(gè)因素是骨折斷端接觸面積

25、及接觸面的壓力。較大的接觸面積及適量的壓力能增加斷端間靜摩擦力,減小骨折斷端間隙,加大骨折的固定剛度。距骨頸骨折采用雙螺釘由前向后固定可獲得可靠的生物力學(xué)穩(wěn)定。
　　 5.踝關(guān)節(jié)周圍韌帶損傷,對(duì)距骨的穩(wěn)定性有重要影響,當(dāng)距骨周圍韌帶損傷后,必然導(dǎo)致距骨在踝穴中的位置發(fā)生改變,從而影響關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力及面積發(fā)生改變,導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生退行性變化,最終導(dǎo)致骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。在外旋作用力下,脛距后韌帶損傷后,距骨的等效應(yīng)力及位移較大,脛距關(guān)