數(shù)字化人體足踝部三維有限元模型的建立及分析.pdf

1、研究背景:
　　 隨著現(xiàn)代化的進(jìn)程,交通業(yè)和建筑業(yè)空前發(fā)展,以及人們健康觀念的提高,足踝部疾病發(fā)病率逐年上升,病種也日趨復(fù)雜,使骨科臨床面臨新的挑戰(zhàn),迫切需求對其進(jìn)行深入研究。足是人體承重的根本,直接與地面接觸,除了行走功能外,還能夠吸收運(yùn)動(dòng)振蕩、緩沖地面反作用力,保護(hù)軀體重要器官和組織免受傷害,并使人體的重心穩(wěn)定。
　　 足踝部生物力學(xué)的研究是人體生物力學(xué)研究中的重要組成部分。許多研究者指出生物力學(xué)因素在探求足踝部疾病

2、的病因機(jī)制、治療和預(yù)防等方面起到重要的作用。以往對足踝部研究多采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)測試的手段,但是用這種方法的缺點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)手段復(fù)雜,進(jìn)行多種載荷工況下的實(shí)驗(yàn)往往耗資大、周期長、效率低,而且由于無法在人體上直接實(shí)驗(yàn),因此很難準(zhǔn)確地反映出各種不同受力情況下的應(yīng)力分布規(guī)律。
　　 本研究是在總結(jié)以前研究的基礎(chǔ)上,對足踝部有限元模型的有效構(gòu)建方法進(jìn)行了長時(shí)間的探索,然后構(gòu)建出了解剖結(jié)構(gòu)比較精細(xì)的正常足踝部有限元模型,分別在模型中模擬各種

3、踝關(guān)節(jié)損傷及內(nèi)固定術(shù)式,探討其對足踝部生物力學(xué)的影響。
　　 目的:
　　 1.依據(jù)1名正常男性志愿者踝關(guān)節(jié)中立位下螺旋 CT 掃描的右側(cè)踝關(guān)節(jié)面上20cm以下的足踝部影像學(xué)資料,探討利用Mimics、SolidWorks、ANSYS等軟件構(gòu)建出解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)的正常踝關(guān)節(jié)三維有限元模型的方法,并對其有效性進(jìn)行驗(yàn)證,使其能反映正常足踝部的力學(xué)特性。
　　 2.根據(jù)所建立的正常足踝部的三維有限元模型,對其施加不同載荷,

4、模擬人體靜態(tài)中立位單足站立負(fù)重狀態(tài)、踝關(guān)節(jié)受到內(nèi)旋力、踩關(guān)節(jié)受到外旋力、踝關(guān)節(jié)受到內(nèi)翻力及踝關(guān)節(jié)受到外翻力,探討正常踝關(guān)節(jié)在不同活動(dòng)方式中,主要關(guān)節(jié)周圍各組織的應(yīng)力、位移分布,以及關(guān)節(jié)活動(dòng)度(range of motion,ROM)的變化等情況,同時(shí)對其結(jié)果的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。
　　 3.根據(jù)所建立的正常足踝部的三維有限元模型,模擬建立下脛腓聯(lián)合損傷的模型,并在下脛腓聯(lián)合損傷模型基礎(chǔ)上分別建立踝關(guān)節(jié)平面上方的2.5cm、5cm螺釘

5、固定模型,探討各模型在模擬人體中立位單足站立、踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋、及踝關(guān)節(jié)外旋加載中主要關(guān)節(jié)周圍組織的應(yīng)力、位移分布,以及關(guān)節(jié)活動(dòng)度的變化等情況,同時(shí)對其結(jié)果的有效性進(jìn)行驗(yàn)證；并通過與正常模型在這 3 種加載中的計(jì)算結(jié)果對照,探討下脛腓聯(lián)合損傷及踝關(guān)節(jié)平面上方2.5cm、5cm螺釘固定后對踝關(guān)節(jié)應(yīng)力分布及穩(wěn)定性的影響。
　　 4.根據(jù)所建立的正常足踝部的三維有限元模型,分別模擬建立后踝骨折累及1/5、1/4、1/3及1/2的踝關(guān)節(jié)面的損

6、傷模型,探討各模型在模擬人體中立位單足站立、踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋、及踝關(guān)節(jié)外旋加載中主要關(guān)節(jié)周圍組織的應(yīng)力、位移分布,以及關(guān)節(jié)活動(dòng)度的變化等情況,同時(shí)對其結(jié)果的有效性進(jìn)行驗(yàn)證:并通過與正常模型在這3種加載中的計(jì)算結(jié)果對照,探討后踝骨折分別累及1/5、1/4、1/3及1/2的踝關(guān)節(jié)面后對踝關(guān)節(jié)應(yīng)力分布及穩(wěn)定性的影響。
　　 方法:
　　 1.數(shù)字化足踝部三維有限元模型的構(gòu)建與驗(yàn)證:采用南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院影像中心的LightSpee

7、d 16排螺旋CT,掃描參數(shù):電壓120～140KV,電流強(qiáng)度240～300mA,螺距1.375～1.75,層厚7.5mm,矩陣512×512,重建層厚0.625mm。對志愿者右足自踝關(guān)節(jié)上20cm脛腓骨遠(yuǎn)端向下掃描至足底,掃描時(shí)右足保持中立位,以DICOM格式輸入個(gè)人計(jì)算機(jī)的Mimics 10.01軟件,經(jīng)自動(dòng)或手動(dòng)閾值分割后三維重建出完整足踝部的28塊骨骼及外圍軟組織的三維結(jié)構(gòu),再以點(diǎn)云輸出并導(dǎo)入SolidWorks 2009,利用

8、網(wǎng)格處理向?qū)Ъ扒嫔上驅(qū)蓭缀文Ｐ筒⒅亟ㄑb配體,然后分別導(dǎo)入兩種有限元分析軟件:(1)方法一為導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 12.0的Workbench模塊建立完整的足踝部有限元模型。在踝關(guān)節(jié)的接觸面兩側(cè)根據(jù)關(guān)節(jié)間隙分別建立了0.5mm關(guān)節(jié)軟骨,其他關(guān)節(jié)采用僅受壓的三維桿單元模擬軟骨,并建立了125條彈簧模擬韌帶和小腿骨間膜,5條梁單元模擬跖筋膜,材料屬性分別參照文獻(xiàn)確定。然后參照.Anderson等方法,對模型僅取脛骨及距骨所構(gòu)成

9、的簡單踝關(guān)節(jié)模型加以測試。通過模擬人體單足站立狀態(tài)下的力學(xué)傳遞,對模型脛骨下端的上截面施加600 N垂直載荷,對距骨予以約束。測量踝關(guān)節(jié)脛骨下關(guān)節(jié)面的接觸壓力、接觸面積,并將結(jié)果與前者進(jìn)行對照。(2)方法二為導(dǎo)入Simulation建立簡化的踝關(guān)節(jié)有限元模型。根據(jù)研究需要,分別建立了包含脛骨、腓骨、距骨、跟骨及舟骨的5骨裝配體,以及還包括骰骨及3塊楔骨的9骨裝配體的有限元模型。在模型中用“僅延伸”的彈簧模擬韌帶連接,其中在踝關(guān)節(jié)5骨裝配

10、體中共建立了31條彈簧,而在9骨裝配體中建立了42條彈簧模擬踝關(guān)節(jié)周圍韌帶及小腿骨間膜等連接裝置。
　　 2.下脛腓聯(lián)合損傷及固定術(shù)式的有限元分析:在前述方法二所建立的5 骨裝配體模型上分別將代表下脛腓聯(lián)合前韌帶、骨間韌帶、后韌帶及小腿遠(yuǎn)端8cm的小腿骨間膜彈簧壓縮(suppress),模擬建立下脛腓聯(lián)合損傷的模型。然后在下脛腓聯(lián)合損傷模型基礎(chǔ)上分別在踝關(guān)節(jié)平面上方的2.5cm、5cm處平行于踝關(guān)節(jié)面并穿過腓骨、脛骨骨干的中央生

11、成兩個(gè)(O)3.5mm孔,分別采用材料為316不銹鋼的銷釘連接兩孔的圓柱面模擬建立兩種固定方式的螺釘固定模型。然后設(shè)置好網(wǎng)格劃分密度生成網(wǎng)格,對各種模型分別模擬人體中立位單足站立及踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋、外旋運(yùn)動(dòng)三種踝關(guān)節(jié)受力方式進(jìn)行加載運(yùn)算,并將計(jì)算結(jié)果與正常模型在這3種加載中的計(jì)算結(jié)果相對照。
　　 3.后踝骨折的有限元分析:在前述方法二所建立的5骨裝配體模型上,在模型的脛骨下端踝關(guān)節(jié)面上按照文獻(xiàn)報(bào)道的標(biāo)準(zhǔn),分別切除相應(yīng)大小的骨塊,模擬

12、后踝骨折累及1/5、1/4、1/3及1/2的踝關(guān)節(jié)面,同時(shí)刪除累及損傷的韌帶,建立4種后踝骨折損傷模型。然后設(shè)置好網(wǎng)格劃分密度生成網(wǎng)格,對各種模型分別模擬人體中立位單足站立及踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋、外旋運(yùn)動(dòng)三種踝關(guān)節(jié)受力方式進(jìn)行加載運(yùn)算,并將計(jì)算結(jié)果與正常模型在這3種加載中的計(jì)算結(jié)果相對照。
　　 結(jié)果:
　　 1.在按方法一所建的完整的足踝部有限元模型中,將脛、距骨組成的踝關(guān)節(jié)測試結(jié)果與Anderson等實(shí)驗(yàn)結(jié)果對照后發(fā)現(xiàn),二者在

13、中立位踝關(guān)節(jié)垂直加載下應(yīng)力主要分布于脛骨下關(guān)節(jié)面中部及前外側(cè),最大應(yīng)力處于2.7MPa～4.0MPa之間,在分布區(qū)域和分布趨勢、數(shù)值大小上基本一致,初步證明本模型是有效的。按方法二所建立的簡化的兩個(gè)踝關(guān)節(jié)三維有限元模型經(jīng)測試可以模擬踝關(guān)節(jié)的不同受力情況,并可進(jìn)行正確的加載運(yùn)算,而且單元數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、運(yùn)算時(shí)間適中。各種加載后所產(chǎn)生的應(yīng)力、位移的結(jié)果合理,比較貼近真實(shí)狀況。將結(jié)果與Liacouras和Wayne在相同邊界條件下所作的踝關(guān)節(jié)外旋

14、模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)本模型在踝關(guān)節(jié)外旋加載中脛骨的旋轉(zhuǎn)角度為3.85°,與其有限元模型計(jì)算的4.28°比較接近,另外本模型的主要關(guān)節(jié)的接觸力大小也與其結(jié)果對應(yīng)性較好,證明了本模型的有效性。
　　 2.對下脛腓聯(lián)合損傷模型的研究發(fā)現(xiàn),下脛腓聯(lián)合損傷后會導(dǎo)致腓距關(guān)節(jié)的接觸力降低,其他關(guān)節(jié)接觸力增高,踝關(guān)節(jié)部分韌帶抗阻力承受的載荷增大,脛骨、腓骨下端位移增大,脛骨的旋轉(zhuǎn)角度(模型中代表踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度)有了明顯增大,分別從正常的

15、踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋時(shí)的7.11°增加到了12.43°,外旋時(shí)的3.85°增加到了5.46°,其中踝關(guān)節(jié)外旋加載結(jié)果顯示與Liacouras和Wayne關(guān)于下脛腓聯(lián)合損傷模型的研究結(jié)果,--脛骨的旋轉(zhuǎn)角度在踝關(guān)節(jié)外旋模擬加載中從正常4.28°增加到了損傷后為5.60°,對比非常接近,說明本損傷模型結(jié)果具有有效性。而后對兩種螺釘固定模型模擬研究發(fā)現(xiàn),各關(guān)節(jié)的接觸力都比正常有所減少,脛骨、腓骨下端位移減少,脛骨的旋轉(zhuǎn)角度明顯縮小,腓骨旋轉(zhuǎn)角度趨向于同

16、脛骨接近,但這兩種螺釘固定之間的差異不太明顯。
　　 3.對累及損傷不同大小關(guān)節(jié)面的后踝骨折模型的研究發(fā)現(xiàn),在中立位單足站立時(shí),后踝骨折從損傷1/4踝關(guān)節(jié)面開始踝關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力明顯增高,而在踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋加載中踝關(guān)節(jié)的最大應(yīng)力是從損傷1/3踝關(guān)節(jié)面以上明顯增高；各骨折模型在中立位單足站立及踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋加載中均表現(xiàn)為腓距關(guān)節(jié)的接觸力降低,脛距(踝)關(guān)節(jié)接觸力增高；另外,脛骨的旋轉(zhuǎn)角度在踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋加載時(shí)隨著后踝骨折損傷關(guān)節(jié)面的增大角度呈遞

17、減趨勢,而在踝關(guān)節(jié)外旋加載中,其角度又隨著損傷程度加重而表現(xiàn)為遞增現(xiàn)象。
　　 結(jié)論:
　　 1.本研究利用Mimics、SolidWorks、ANSYS等軟件依據(jù)螺旋CT掃描的二維圖像構(gòu)建出了解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)的正常人體足踝部三維有限元模型,相對客觀地反映了足踝部的基本解剖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性,模型經(jīng)驗(yàn)證有效,并可在模型上模擬足踝部不同受力方式進(jìn)行力學(xué)分析。
　　 2.通過對下脛腓聯(lián)合損傷及兩種螺釘內(nèi)固定的模型結(jié)果分析顯示

18、,下脛腓聯(lián)合損傷會導(dǎo)致脛、腓骨下端位移增加,使踝關(guān)節(jié)在內(nèi)旋與外旋活動(dòng)中關(guān)節(jié)活動(dòng)度增加,從而引起關(guān)節(jié)不穩(wěn)定；而在使用兩種位置的下脛腓聯(lián)合螺釘固定后,均表現(xiàn)為關(guān)節(jié)活動(dòng)中各骨位移減少,關(guān)節(jié)活動(dòng)受限,關(guān)節(jié)接觸力減小,但兩種位置的螺釘之間對比差異性不大,因此,其并非屬于符合生理的固定,只適宜短期使用。
　　 3.通過對累及損傷不同大小踝關(guān)節(jié)面的后踝骨折模型的結(jié)果分析表明,盡管小的后踝骨折(損傷1/4以下關(guān)節(jié)面)在本研究中顯示沒有明顯增加踝