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目的:对比动物与人骨盆三维有限元建模及加载应力分析特点,利用人骨盆三维有限元建模进行骨盆皮质骨厚度测量,对人髋臼中柱力线区域进行实际解剖学测量,为髋臼三柱划分提供解剖学、生物力学及进化论方面的参考依据和理论支持。
方法:
第一部分:基于CT扫描图片,经医学影像处理及建模软件Mimics10.0和Simpleware2.0建立起正常成人、实验犬、恒河猴三种物种的骨盆三维实体模型,对比不同物种间骨盆的三维有限元模型结构特点。
第二部分:将动物与人的三维有限元模型导入大型有限元软件Abaqus6.7.2中进行前处理并执行有限元相关计算,根据动物与人的体重与活动特点,进行加载应力模拟,人:采用L3锥体上表面竖直向下的均布载荷,行0N到500N,分五级进行逐级加载。将两侧股骨模型的下三分之一处进行6个自由度的全位移约束作为边界条件,用来模拟人的正常站立位。犬:20.09N自股骨下三分之一处横截面竖直向上加载。对标本各椎体棘突行6个自由度完全约束,用来模拟犬类正常站立位。恒河猴:分为2次加载,载荷49N自L3椎体上终板表面竖直向下和载荷12.25N自股骨下三分之一处横截面竖直向上加载。并分别对标本股骨中下三分之一行6个自由度完全约束,用来模拟灵长类双足站立位。对标本各椎体棘突行6个自由度完全约束,用来模拟灵长类四足站立位。
第三部分:将正常人的骨盆CT扫描图像以DICOM格式图像导入Mimics10.01软件中提取皮质骨轮廓并导入Patran2005r2软件构建骨盆皮质骨三维有限元模型,测量骨盆皮质骨厚度。选取50具人体干燥骨盆标本进行骨盆中柱力线区域的实际解剖学测量,测量结果进行统计学分析。
结果:
1)采用CT资料通过医学影像处理及建模软件。Mimics10.0和Simpleware2.0建立起正常成人、实验犬、恒河猴三种物种的骨盆三维实体模型,其中实验犬的骨盆三维有限元模型包括节点数45432个,单元数204312个,恒河猴的骨盆三维有限元模型包括节点数83170个,单元数379681个,人的骨盆三维有限元模型包括节点数63920个,单元数259570个,模型有效,严格符合骨科解剖结构,股骨头相对髋臼可做各向活动,可以多方向观察。模拟的各部分可分别显示,并能进行各组成部分显示其力学特性。
2)在Abaqus有限元软件中,进行模拟加载应力。比较实验犬、恒河猴及人类三种不同生物的骨盆应力传导及最大应力分布特点,发现:①实验犬站立位时应力自骶髂关节面经髂骨向下传导至臼顶,髂骨应力分布均匀,臼顶处出现应力集中并主要自股骨颈向股骨方向传导,少量向耻骨支方向传导,应力传导途径简单。②恒河猴在双足站立位时,应力主要自髂骨关节面向臼顶及前壁方向偏中心性传导,应力在髂骨中央中下段处出现少量应力集中,应力分布相对均匀,臼顶处出现应力集中,其后除向股骨方向传导外,一束向耻骨支方向传导,坐骨支方向传导不明显。四足站立位模拟加载应力时,应力自骶髂关节面沿髂骨内、外侧向臼顶方向传导,髂骨中央未见明显应力集中现象,自臼顶、髋臼前壁出现应力集中,其后除向股骨方向传导外,一束向耻骨支方向传导,坐骨支方向传导不明显。③人类躯体重力自L3加载后,到达骶骨后经骶髂关节前方自耳状面前缘至弓状线,沿弓状线至耻骨上支、耻骨联合为一支,后方自髂结节向髋臼臼顶前、上方传导为第二支,后方自骶髂关节沿坐骨大切迹向臼顶、髋臼后壁并继续向坐骨方向传导为第三支。
3)基于人骨盆CT图像建立的骨盆三维有限元模型测量髋骨皮质骨厚度介于0.4404.00mm之间,皮质骨较厚的部位为臼顶边缘向上延伸至髂节结部位、髂嵴边缘从髂前上棘经髂节结到髂后上棘、从耳状面大切迹上方经弓状线、耻骨上支到耻骨联合下方。基于50具干燥骨盆标本实际解剖学测量,显示髂骨结节至臼顶的中柱力线髋骨厚度明显高于此区域的其他测量点,统计学分析显示,各测量点实际解剖学测量结果有性别差别的统计学意义,而无左右测量差别的统计学意义。
结论及意义:中柱是人体骨盆的特化结构,其存在与人直立行走的特征密切相关,是在从猿到人的长期进化中逐渐形成的。髋臼三柱概念与髋臼的力学功能和形态结构相统一,是人类长期进化的结果。本课题利用有限元和解剖测量为工具,从力学、形态学及进化论三个角度对髋臼三柱的概念进行论证,从而加深我们对于该概念的理解,同时为同时为三柱概念的推广提供理论基础。