距骨數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％被關節(jié)軟骨覆蓋。了解距骨正常力學分布特點,將有助于進一步認識正常和異常情況下距骨的生理病理學行為。距骨各關節(jié)面的載荷分布異常是踝關節(jié)關節(jié)疾病發(fā)生的重要因素,是發(fā)生骨關節(jié)炎的主要病因之一。距骨及周圍結構的損傷必然導致距骨生理結構的紊亂,影響距骨的應力分布。踝關節(jié)周圍韌帶損傷對距骨在踝穴中的穩(wěn)定有重要影響。當踝關節(jié)周圍韌帶損傷后,將導致行走時距骨在

2、踝穴中解剖位置的改變,影響關節(jié)接觸面積及應力分布,異常的應力分布導致關節(jié)軟骨發(fā)生退行性病變,最終導致骨性關節(jié)炎,故韌帶損傷后應仔細對韌帶原來的位置及纖維走向進行重建。由于距骨解剖結構復雜,在活體對韌帶損傷后距骨的生物力學特征變化研究較為困難。
　　 傳統(tǒng)的骨科生物力學實驗主要是以動物模型或尸體模型為基礎,但存在許多弊端和局限性。動物模型的結構和功能與人類差別較大,因此生物力學結果不可能解決有關人類特性的問題；在體實驗研究結果雖然

3、最為可靠,但由于實驗手段的缺陷,想在不改變其生理狀態(tài)的情況下得到生物體尤其是內部組織的實驗數據往往是十分困難的。尸體模型雖然在幾何相似性有很大的優(yōu)勢,卻又會改變生物體作為活組織的特性,難以獲得各異的力學性能j同時一個標本不能反復利用,使對照研究的可比性下降,且實驗費用較高,取材較困難,想得到實驗對象內部任意部位的生物力學響應也十分困難。
　　 隨著數字仿真建模技術及有限元法的發(fā)展,數字虛擬逐漸應用到臨床診斷、治療及實驗研究。與以

4、往的生物力學實驗相比,有限元方法是一種非常有用的數值計算工具,可以用幾何及數字非線性進行復雜結構內部應力、應變分析?？梢酝瓿善渌芯糠椒ㄋ荒軐崿F的加載方式及約束條件,標本也可以進行修正以模擬任何病理狀態(tài)。有限元模型也可以提供實驗不能得到的正常生理信息,得到客觀實體實驗所難以得到的研究結果。可以通過改變載荷加載方式、改變材料特性等方法進行個體化受力分析。
　　 由于距骨結構的復雜性、運動的多樣性、個體的差異性,迄今為止,距骨生物

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

6、圍結構的數字虛擬仿真模型,探討數字仿真醫(yī)學建模的方法及意義；
　　 2.建立正常步態(tài)下距骨及周圍結構的三維有限元模型,分析正常步態(tài)下距骨生物力學變化；
　　 3.研究正常步態(tài)下距骨各關節(jié)面軟骨的應力分布特點,分析不同步態(tài)相距骨各關節(jié)面接觸特征；
　　 4.通過三維有限元法對距骨頸骨折不同螺釘內固定方式進行對比評價,比較不同內固定方式生物力學穩(wěn)定性,為臨床應用提供理論依據；
　　 5.建立踝關節(jié)韌帶損傷三維

7、有限元模型,分析不同韌帶損傷后,在內旋、外旋作用力下距骨的生物力學變化。
　　 方法：
　　 1.距骨及周圍結構三維數字模型的建立:選擇一例正常志愿者進行64排螺旋CT掃描。掃描平面:足底至踝關節(jié)上10cm,掃描層厚:0.45mm；存貯圖像格式:DICOM格式。獲得DICOM格式的二維圖像數據,二維斷層CT圖像共663層,將其導入到三維重建軟件Mimics10.01中,生成3D模型,再以STL格式導入逆向工程軟件Geom

8、agic Studio10.0中擬合曲面,最后在UG軟件中縫合,建立距骨及周圍結構的三維實體模型。
　　 2.正常步態(tài)下距骨及周圍結構三維有限元模型的建立:將UG中生成的實體模型導入HyperMesh10.0中,根據關節(jié)軟骨邊界,生成軟骨實體結構,然后利用其強大的前處理功能模塊劃分網格,添加距骨周圍韌帶等附屬結構,構建距骨及周圍結構的三維有限元模型,之后導入ABAQUS6.9軟件進行后處理。結果與以前研究進行對比來驗證模型的有效

9、性。分析距骨在不同步態(tài)相應力位移云圖,探討距骨的生物力學特性。
　　 3.正常步態(tài)下距骨各關節(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、離地相時各關節(jié)面接觸區(qū)域,接觸面積及壓強,關節(jié)軟骨及軟骨骨床von Mise應力分布等,了解距骨各關節(jié)面的生物力學特征。
　　 4.距骨頸骨折螺釘固定穩(wěn)定性的有限元分析:對成人正常踝關節(jié)進行CT掃描(使用64排西門子螺旋CT,層厚0.45mm),,數據以DI

10、COM格式儲存。然后導入Mimics10.0軟件,根據不同組織灰度值的差異,通過閾值化及相應的擦除操作,構建得到距骨三維模型,將模型輸出為STL,文件,再導入逆向工程軟件Geomagic Studio10.0進行光滑處理,模擬距骨頸骨折進行截骨,擬合曲面,輸出為Iges文件,導入UG軟件縫合生成實體模型。螺釘模型由UG軟件建立,根據臨床上AO/ASIF全螺紋松質骨螺釘的尺寸確定螺釘外徑為4.0 mm,內徑2.9mm,長度根據需要的不同而

11、調整。.由于本研究的重點與螺紋關系不大,因此為簡化模型,忽略螺紋的細節(jié),以直徑4.0mm的圓柱體代替螺紋部分,輸出為Iges文件。再將距骨及螺釘的幾何模型導入有限元分析前處理軟件HyperWorks10.0中,進行裝配、網格化及賦值等前處理。根據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的vo

12、n Mises應力、骨折面接觸面積及壓力和骨折間隙,評價不同內固定方式的穩(wěn)定性。
　　 5.踝關節(jié)周圍韌帶損傷后距骨生物力學變化: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,觀察距骨應變位移云圖,分析不同部位韌帶損傷后在內旋、外旋外力下距骨的生物力學變化,為臨床上韌帶損傷修復提供理論指導。
　　 結果：
　　 1.進行足踝部CT掃描

13、,得到DICOM數據,利用Mimics、Geomagic Studio、UG軟件建立距骨及周圍結構的三維模型,模型幾何結構精確、逼真。
　　 2.將實體模型導入Hypermesh進行網格劃分,賦值,建立三維有限元模型,共生成21865個節(jié)點、73440個單元,導入ABAQUS軟件進行后處理。通過加載載荷及施加邊界條件,模型進行有限元分析,與其他生物力學實驗比較,結果相似,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;在距舟關節(jié)分別為2.8 MPa、3.0 MPa、3.4 MPa；在距下關節(jié)分別為2.2 MPa、1.8 MPa、1.5 MPa。不同位相距骨Von Mises應力值及分布范圍不同,等效應力在距骨滑車、距骨頸及距舟關節(jié)從落地相到離地相逐漸增大,在距下關節(jié)逐漸減小。
　　 3.距骨滑車面軟骨接觸應力從落地相到離地

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

16、Mises應力分布趨勢同接觸應力分布,從落地相至離地相,距骨滑車關節(jié)面軟骨和距舟關節(jié)面軟骨的von Mises應力逐漸增加,而距下后關節(jié)面軟骨的von Mises應力逐漸減小。
　　 4.模擬距骨頸骨折有限元模型,對距骨頸骨折螺釘固定方式進行生物力學分析,從應力應變云圖可以看出:不同內固定方式螺釘應力分布不均勻,螺釘應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應力最小,在中立位和

17、背伸時分別為14.062MPa、32.012MPa。相同內固定情況下,踝關節(jié)背伸螺釘von Mises應力值高于中立位站立時。中立位時,骨折面壓力主要集中于距骨頸背外側,雙螺釘由前向后固定壓力最大,為7.041MPa；踩關節(jié)背伸時,壓力主要集中在內側,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.在內旋載荷下,脛腓后韌帶、距腓前韌帶和脛距后韌帶不受應力作用,跟腓韌帶所受應力較大,為18.91MPa。在外旋應力下,距腓后韌帶、跟腓韌帶、脛距前韌帶、脛舟韌帶不受應力作用,距腓前韌帶所受應力最大,為13.75 MPa。內旋作用下,距腓前韌帶損傷后,等效應力峰值在脛距關節(jié)為8.56MPa,距下后關節(jié)6.43MPa,距下前關節(jié)為1.87MPa,距舟關節(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,等效應力峰值在脛距關節(jié)為9.29MPa,距下后關節(jié)7.19MPa,距下前關節(jié)為3.49MPa,距舟關節(jié)為6.69MPa,最大位移位于距骨后部,為1.72mm。距腓后帶損傷后,等效應力峰值在脛距關節(jié)為8.86MPa,距下后關節(jié)6.88MPa,距下前關節(jié)為1.85MPa,距舟關節(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,等效應力及位移變化情況相同

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

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

22、生物力學研究方法很好的補充。本研究利用人體足踝部CT數據,借助Mimics、Geomagic Studio、Hypermesh、ABAQUS等軟件,建立了距骨及周圍結構的有限元模型與正常人體具有良好的幾何相似性。本模型與目前文獻報道的同類研究模型相比,網格劃分均勻,單元質量較高,因此,分析結果更加精確。同時,由于數字模型可拆分的特點,應用具有極大的靈活性,在研究對象的選擇上,可對足踝部諸骨獨立研究,進一步擴大了本模型的應用范圍。除此之外

23、,作為整體,通過與解剖結構、病理生理、臨床研究等多方面生物力學實驗研究相關文獻對比,證明本模型具有良好的物理相似性,更能夠準確和完整地模擬距骨的解剖結構及其受力特點,有利于對距骨進行生物力學分析。
　　 3.距骨各關節(jié)面接觸應力及面積的分布對臨床研究有重要意義,距骨各關節(jié)面軟骨的異常力學機制是踝關節(jié)骨關節(jié)炎的主要病因之一,認識正常步態(tài)下距骨各關節(jié)面軟骨力學分布特點,將有助于了解正常距骨關節(jié)軟骨的力學機制和異常載荷下關節(jié)軟骨的病理

24、學行為。
　　 4.有限元分析方法開始越來越多的被用于骨折內外固定方法的生物力學評價中,為臨床選擇有效的固定方法提供了實驗依據。內固定物本身應力分布情況及骨折斷面的位移是衡量內固定方式優(yōu)劣的一個標準。理想的內固定物應該使應力盡可能均勻的分布在內固定物上,而不應過度集中在某一部位。高應力必然導致骨折端的高應變,從骨折愈合角度來講,這種高應變不利于骨折局部骨痂的生長。骨折面的情況對骨折的愈合非常重要,其中的兩個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穩(wěn)定。
　　 5.踝關節(jié)周圍韌帶損傷,對距骨的穩(wěn)定性有重要影響,當距骨周圍韌帶損傷后,必然導致距骨在踝穴中的位置發(fā)生改變,從而影響關節(jié)接觸應力及面積發(fā)生改變,導致關節(jié)軟骨發(fā)生退行性變化,最終導致骨性關節(jié)炎的發(fā)生。在外旋作用力下,脛距后韌帶損傷后,距骨的等效應力及位移較大,脛距關