基于CT数据建立髋关节三维有限元模型及正立位下的应力分析

来源 :河北医科大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nengding
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目的:髋关节是人体最大、关节窝最深、最典型的杵臼关节,由于负重且活动范围大,髋关节损伤的发病率逐年增加,严重影响患者的生活质量。分析髋关节的生物力学特性是推断损伤机制及指导治疗的重要途径。本研究基于CT数据对正常髋关节主要结构进行三维重建,然后对重建模型进行网格划分和材料属性设定生成有限元模型,再进行力学分析。以数字技术来揭示髋关节的解剖结构特点,分析生物力学特性,探讨易损伤部位。对髋关节损伤的发生机制、预防、治疗及康复训练提供理论基础。  方法:选取一名成年健康男性作为模拟对象,利用螺旋CT采集髋关节数据。CT扫描范围包括髋骨、骶骨及股骨上段结构,将扫描数据以DICOM格式储存入可读写光盘。在Mimics14.0软件内使用阈值调整工具、区域增长工具、选择性编辑工具和Remesh功能,基于CT数据重建髋骨、骶骨及股骨上段的三维模型,并将模型划分面网格和体网格。然后,将模型导入Ansys13.0中设定材料属性,重划网格,设置髋臼和股骨头的接触关系,对股骨上段下端横断面进行约束,在髋骨骶髂关节面处对模型进行加力。以300N施加轴向力模拟正立位下髋关节的负重载荷,分析其形变及力学特征。依据受力特点,确定髋关节易损伤部位,提出预防措施。  结果:  1将正常志愿者的CT图像以DICOM格式导入MIMICS14.0软件,经过设定阈值,提取蒙板,分割,修补以及表面光滑处理,成功的建立了双侧髋骨、骶骨和股骨上段的三维几何模型。  2对所建模型进行面网格、体网格划分,最后生成三维网格模型。髋骨骨密质节点数为132275个、单元数为76394个;髋骨骨松质节点数为57138个、单元数为30968个;股骨骨密质节点数为62111个、单元数为34392个;股骨骨松质节点数为32659个、单元数为18911个。  3在Ansys13.0中对股骨上段下端横断面进行约束、没有位移和转动,在髋骨骶髂关节面处进行加力300N,计算髋骨、股骨受力情况,输出应力分布云图,测量各区等效应力大小,得出髋关节的应力分布情况:  正立位下,髋骨的弓状线、髋臼后上方、股骨颈内、外侧,尤其是内侧小转子上方,相当于股骨距部分应力分布比较集中;大转子顶端的应力水平较低。  结论:  通过本实验,我们得出以下结论:  1基于CT图像DICOM数据通过Mimics14.0和Ansys13.0软件可重建出人体髋关节的髋骨、骶骨及股骨上段等结构的三维可视化立体模型和有限元模型。三维模型解剖结构与正常人体完全相符,有限元模型划分单元合理,赋值准确,可以进行应力、形变等有限元分析。  2通过模拟负荷计算了髋骨、股骨正立位的应力分布。髋骨的弓状线、髋臼后上方、股骨颈内、外侧,应力分布比较集中,这些部位骨质较厚、密度较高,强度大、是主要承载负荷的部位;印证了Wolff定律:局部结构和功能之间的对应关系。  3有限元法是一种很好的科研手段,其有限元分析在基础研究及临床治疗上有着广阔的发展和应用前景。
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