正常步态下距骨三维有限元模型的建立
桡骨头三维有限元模型建立及生物力学分析
桡骨头三维有限元模型建立及生物力学分析组织的前提下重新创建复杂构建的构造、外形、所能承受的重量以及材料力学性能，使传统实验生物力学能够重复与不具有可比性、对身体造成伤害的缺点得到较大弥补。
所以，本实验在建立肘关节三维有限元模型的基础上，立足于各个层面对桡骨的生物力学做了全面深入的研究与分析，而且通过多个侧面给出了治疗桡骨骨折的手段，同时为更加深入地探究做好铺垫，现报道如下。
1 材料与方法1.1 研究对象将1名身体健康的成人志愿者作为研究对象，男，31岁，身高：175 cm，体重：74 kg，不考虑肘关节与前臂受到的损伤及其他疾患。
该研究已经伦理学委员会批准，患者知情同意。
1.2 设备与软件Philips 64排螺旋CT扫描机。
软件为Mimics 16.0（比利时Materialise公司）、Hypermeshl 0.0（美国Altair 司）和LS.*****（美国LSTC公司）。
1.3 数据获得志愿者身穿防护铅衣，应当借助64排双螺旋CT分别实施0°、30°、60°、90°以及120°弯曲度的薄层扫描，并以DICOM格式保存，并将数据导入Mimics 16.0。
1.4 建立肘关节的三维模型在三维软件Mimics中导入CT数据，对图像进行仔细筛选，将四周组织图像完全剔除，同时设定目标图像的阈值，重新构建肘关节、肱骨下部、桡骨、尺骨上部以及环形韧带的三维图像，而且将边界坐标完全对外输出。
借助普遍使用的Auto CAD造型软件Unigraphics NX当做实体搭建模型的平台。
导入由Mimics产生的轮廓数据，进而形成三维实体模型，提高模型的光滑度，将它承受重力的一面与接触面都成为平面。
此外借助Hypermesh软件把相对的肘关节轮廓线I GES线条全部连接以后成为平面，再将几何模型的表面以单元大小1 mm 为单位进行面网格划分，最后采用四面体实体网格划分技术生成四面体，也就是在对模型的线条、平面以及体进行有关操作的基础上得到肘关节三维有限元模型，同时划分有限元网格，构建起有限元网格模型。
骨科有限元分析
踝关节是由胫、腓骨下端的关节面与距骨滑车构成，故又名距骨小腿关节。胫骨的下关 节面及内、外踝关节面共同作成的“冂”形的关节窝，容纳距骨滑车（关节头），由于滑车 关节面前宽后窄，当足背屈时，较宽的前部进入窝内，关节稳定；但在跖屈时，如走下坡路 时滑车较窄的后部进入窝内，踝关节松动且能作侧方运动，此时踝关节容易发生扭伤，其中 以内翻损伤最多见，因为外踝比内踝长而低，可阻止距骨过度外翻。
踝关节完好、踝关节损伤以及踝关节修复等各种情况下的三维有限元分析模型。 4.2 人踝关节外侧韧带损伤的生物力学分析 问题描述：
踝关节韧带损伤在临床上十分常见，发生率在关节韧带损伤中居第一位，其数量约占整 个运动损伤的 25%，其中内翻扭伤导致踝关节外侧副韧带的损伤又约占踝关节韧带损伤的 85%。因此掌握人踝关节外侧韧带损伤的生物力学行为来指导损伤后临床治疗至关重要。 主要结果：
颈椎椎板切除减压术通过切除双侧椎板达到减压或暴露椎管的目的。由于此术对颈椎结 构破坏较大，故相应的颈椎生物力学改变在所难免，导致术后远期易引起颈椎后凸畸形，对 其产生的机理需有待研究。 主要结果：
椎板切除前后，颈椎的稳定性及各部分韧带的受力情况，以及椎板切除前后，颈椎结构
Байду номын сангаас
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牙周膜应力分布，牙齿应力、位移分布情况。 5.6 三维有限元法在颌间牵引方面的研究 问题描述：
在各类正畸力中，颌间牵引力是其中十分重要、应用很普遍的一种。由于颌间牵引被普 遍用于临床，所以在其作用下颌骨及牙齿的受力反应就成为正畸医师应该了解且迫切需要了 解的问题，而牙齿及其颌骨的受力分析是一个非常复杂的问题，而临床实验的实现难度很大， 因此结合有限元技术的数值仿真实验成为攻破这一难题的有力工具。 主要结果：
膝关节三维有限元模型的建立及分析
膝关节三维有限元模型的建立及分析张秋月;张春秋;葛洪玉;孟迪【摘要】通过CT扫描数据和三维重建软件,建立考虑半月板,软骨和韧带的包括完整股骨、胫骨、腓骨的全膝关节三维有限元模型,进行单双腿站立两种工况的数值模拟.计算结果表明:单腿支撑时膝关节的应力大于双足站立时的应力.软骨和半月板,均是内侧受力较大易磨损;半月板内缘所受接触应力相对较大,导致内缘容易磨损.半月板在传递载荷中起十分重要的作用,膝关节中半月板磨损或缺失会导致关节内部载荷传导发生变化,导致应力分布不均,造成关节疾病的进一步恶化.文中结果表明:考虑半月板,软骨和韧带的全膝关节模型能够正确反应膝关节在生理载荷作用下的力学行为,半月板在膝关节承载中起重要作用,保护半月板免受伤害,对于保护膝关节具有重要意义,文中工作对膝关节保护、康复以及假体设计和优化有指导意义.【期刊名称】《天津理工大学学报》【年(卷),期】2015(031)003【总页数】5页(P27-30,34)【关键词】全膝关节模型;半月板;数值模拟【作者】张秋月;张春秋;葛洪玉;孟迪【作者单位】天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384【正文语种】中文【中图分类】Q811.6膝关节由胫骨、髌骨、股骨等骨组织和半月板、韧带、软骨等软组织组成，具有传递载荷，参与运动，辅助动量守恒和为腿部活动提供力偶的功能.膝关节结构复杂，运动功能全面，也是伤病多发部位，常见于工业生产、交通事故和运动损伤.骨关节炎（OA）是一种慢性退行性关节病，其发病率随着年龄的增长而不断提高.50岁以上的人群中，50%患有骨关节病，65岁以上的人群中，90%女性和80%男性患有此病[1].因此，研究全膝关节的生物力学行为，获得膝关节骨组织和软骨组织在生理载荷作用下的应力分布对于认识膝关节损伤机理和保护膝关节具有重要意义.目前在膝关节研究中采用的主要方法有实验方法和数值模拟方法.国内外经常采用的实验方法有染色法和压敏片法，存在的主要问题是费用高、离体与在体情况差异较大、条件难以控制，同时受伦理限制，还不能通过在体实验获得骨组织和软骨组织的应力分布，而且尸体全膝关节的来源稀少也限制了离体实验．在数值模拟方面，采用平面模型及静态模型对膝关节进行模拟分析，平面模型还不能正确反映膝关节的力学性能．在膝关节研究中采用的三维模型多数只考虑了部分股骨、部分胫骨或者部分腓骨，数值模拟的边界条件与实际还有较大差别，多数膝关节模型没有考虑半月板和关节韧带．2007年，张宇、郝智秀等[2]通过MRI影像数据建立膝关节的三维有限元模型，该模型包括胫骨平台、股骨端、关节软骨和半月板，模型中并未考虑韧带．姜华亮等[3]利用MRI图像和逆向工程技术建立了包含膝关节全部骨骼、软骨、半月板和主要韧带在内的膝关节三维解剖有限元模型，但是研究还不深入．本文运用三维重建软件Mimics和逆向工程软件Geomagic Studio建立了包括股骨、胫骨、髌骨等骨质组织以及股骨软骨、胫骨软骨、半月板和关节韧带在内的全膝关节三维有限元模型，考虑了股骨软骨，半月板和胫骨软骨之间的接触非线性．应用有限元软件ABAQUS对膝关节双腿站立和单腿站立的两种工况进行了数值模拟，计算结果显示，半月板在膝关节承载过程中作用较大，应力数值也较高，半月板损伤会改变膝关节的承载方式，加重膝关节软骨的负担，半月板损伤可能是导致膝关节的损伤的主要原因．1.1 全膝关节模型的创建选取正常男性志愿者1名，无膝部外伤史，X线检查排除损伤、退变等病理变化．对志愿者膝关节进行螺旋CT扫描，扫描层厚0.8 mm，扫描层数为1449层，得到连续横断面以及矢状面图像．扫描数据DICOM格式保存输出．实验前告知志愿者相关内容，并征求其同意．将得到的医学CT扫描数据源图导入Mimics中，得到横断面图，冠状面图和矢状面图．设置灰度值，进行阈值分析，利用软件阈值选择拟重建部分，软件以不同颜色的MASK显示不同的拟重建结构，然后通过编辑、区域增长功能对不同拟重建结构进行编辑和修饰，再通过三维计算功能将蒙皮重建从而获得包括完整股骨、完整胫骨和完整腓骨的膝关节三维模型，将所建模型以STL格式保存导出．将Mimics中处理得到的STL格式文件导入逆向工程软件Gcomagic Studio中，对三角面片数据进行去噪、光滑、去除伪影等处理．通过建立轮廓线，生成大而平整、且规则的曲面片（Patch）最后通过拟合曲面工具将模型拟合生成曲面，以IGES格式导出保存．通过三维软件Proe/Engineer将三维模型的格式转化为．X-T格式，得到全膝关节三维实体模型，最后将三维实体模型导入到有限元分析软件ABAQUS中，设置单元类型和材料属性，划分网格，最终得到膝关节三维有限元模型．软骨和半月板在膝关节中起到了缓冲载荷和冲击的作用．三维重建出的软骨和骨质结构间不能保证良好的粘接，作者在ABAQUS软件中对导入的膝关节模型进行了修复保证了骨质结构和软骨间的良好粘接．考虑到韧带具有保证膝关节稳定的作用，作者在全膝关节模型中也考虑了膝关节的韧带，包括前/后交叉韧带、髌韧带、内侧副韧带和外侧副韧带．膝关节的材料种类较多，材料模型复杂，特别是软骨，理论上分为三层，包括软骨基质和纤维，而且不同层间的软骨纤维排列方式各不相同．如果在全膝关节模型中考虑软骨不同层区的力学性质将使数值计算难以进行．Donzelli等[4]认为无论是弹性材料还是粘弹性材料在软骨承受载荷后短期内没有显著的变化．大量的研究报告也己证实，当进行小变形分析时，可将其简化为连续、均匀和各向同性的线弹性材料．因此，在模型中将骨质结构、软骨、半月板以及韧带视为线弹性材料，膝关节模型各组成部分的单元类型和材料属性如表1所示[5-6]．计算模型中包括骨质结构17 864个单元、软骨88 691个单元、半月板4 485个单元及韧带的34 033个单元．得到包含股骨、胫骨、腓骨、髌骨、软骨、半月板以及关节韧带的全膝关节有限元模型.1.2 有限元模型与边界条件全膝关节模型见图1，模型中股骨与股骨软骨、胫骨与胫骨软骨定义为绑定接触．股骨软骨分别与胫骨软骨和半月板相接触，并且将半月板前脚和后脚固定于胫骨平台．根据膝关节解剖结构，将韧带与相应的韧带附着点进行绑定约束，韧带包括前（后）交叉韧带、髌韧带、内侧副韧带、外侧副韧带．脚踝处采取固定约束，其他位置均不采取任何约束限制，完全依靠韧带约束膝关节的运动，在股骨头处施加集中力载荷，载荷方向沿力线方向．人体单腿站立时，股骨顶端受到的上半身对其的压力为体重的62%[7]．文中考虑单腿站立和双腿站立两种载荷工况．单腿站立时，集中力大小为403 N，双腿站立时，集中力大小为202 N．2.1 单脚支撑接触应力云图图2为单腿站立股骨软骨接触应力分布图，从图2中可以看出股骨软骨所受的最大接触应力值约为0.952 MPa，位于股骨软骨内侧．图3为单腿站立胫骨软骨接触应力分布图，从图3中可以看出胫骨软骨所受最大接触应力为1.318 MPa，位于胫骨软骨内侧边缘处．单腿站立时半月板的接触应力分布如图4所示，半月板所受最大接触应力值约为2.102 MPa，位于内侧半月板的内缘处．半月板内缘较薄，外缘较厚，受到载荷时，内缘受力大于外缘受力，这使得半月板的内缘较容易被磨损．2.2 单双腿站立接触应力比较从表2中可以看出，由单腿站立到双腿站立，随着载荷的增大，股骨软骨、胫骨软骨以及半月板的接触应力都随之增大．无论是双腿站立还是单腿站立情况，半月板所受的接触应力都是最大的，股骨软骨所受的接触应力最小，胫骨软骨所受的接触应力位于二者之间．2.3 半月板对膝关节承载能力的影响从图5中可以看出，在无半月板时股骨软骨受到的最大接触应力为1.99 MPa，胫骨软骨受到的最大接触应力为2.29 MPa．股骨软骨和胫骨软骨受到的接触应力大于包含半月板时受到的应力，接触应力分布相对较集中，其余部位并没有产生应力，在应力较集中的位置软骨容易磨损．由此可知，半月板在膝关节受力传导中扮演了重要角色．在正常关节中，载荷由半月板和软骨共同传导；在半月板磨损或缺失的情况下，载荷主要由关节软骨进行传导，这就增大了关节软骨的磨损风险．膝关节中半月板磨损或缺失会导致关节内部载荷传导发生变化，导致应力分布不均，造成关节疾病的进一步恶化．膝关节股骨软骨、胫骨软骨以及半月板，均是内测受力较大易磨损；半月板内缘处所受接触应力相对较大，导致内缘容易磨损，这与临床统计一致．接触应力中，数值从大到小的顺序依次为，半月板，胫骨软骨和股骨软骨．膝关节单腿支撑时的受力要大于双足站立时受力．膝关节中半月板磨损或缺失会导致关节内部载荷传导发生变化，导致应力分布不均，造成关节疾病的进一步恶化．Seedhor等[8]通过尸体实验发现在负重情况下半月板切除的胫股关节上的应力是半月板完整时的3倍．尚平、许永涛等[9]通过关节镜，对85例半月板损伤患者进行分析发现，半月板损伤能导致软骨损伤．本文中膝关节数据资料通过CT扫描技术获得，截面形态结构完整、立体形态准确，并且保证了膝关节各组成部分的相对位置．建立了全膝关节模型对模型中的骨质结构和软组织选择适合的本构模型定义相应的材料参数．将模型中的韧带定义为体单元而非以往模型中所用的弹簧单元，使模型更加符合实际情况．与以往模型进行对比分析证明了模型的有效性．利用所建立的膝关节三维模型，从股骨头按力线加载，分析研究接触面的应力分布情况．与以往将股骨与胫骨截断并将它们定义为刚体进行加载分析相比，本文建立完整股骨和胫骨并在股骨顶端进行加载更加符合人体力线分布，并且将骨质结构视为弹性体更加符合真实情况．模型中边界约束条件根据模型状况以及相关的文献[10]资料制定，具有较好的边界约束相似性．本文通过数值模拟方法对膝关节力学行为进行研究，对提高人们保护膝关节的意识、减少关节损伤以及生物器械、假体的设计优化都有重要的意义．【相关文献】［1］那键，刘艺，马克勇，等.老年骨性关节炎的分子生物学机制及治疗展望［J］.中国老年学杂志，2010，30（20）：3035-3036.［2］张宇，郝智秀，金德闻，等.基于核磁共振图像的人体膝关节三维模型的建立［J］.中国康复医学杂志，2007，22（4）：339-342.［3］姜华亮，华锦明，许新忠，等.正常人膝关节三维有限元模型的建立［J］.苏州大学学报，2008，28（3）：421-422.［4］Donzelli P S，Spilker R L，Ateshian G A，et al.Contact analysis of biphasic transversely isotropic cartilage layers and correlation with tissue failure［J］.Journal of Biomechanics，1999，32：1037-1047.［5］Li G，Lopez O，Rubash H.Variability of a three-dimensional finite element model constructed using magnetic resonance images of a knee for joint contact stress analysis ［J］. Journal of Biomechanical Engineering，2001，123（4）：341-346.［6］LeRoux，Michelle A，Setton，et al.Experimental and biphasic FEM determinationsof the material properties and hydraulic permeability of the meniscus in tension［J］.Journal of Biomechanical Engineering，2002，124（3）：315-321.［7］范洪辉，李冬松，周振平，等.不同骨质密度下生物型及骨水泥型股骨假体置入后的三维有限元分析［J］.中国骨与关节损伤杂志，2007，22（6）：465-467.［8］戴克戎.骨骼系统的生物力学基础［M］.上海：学林出版社，1985.［9］尚平，许永涛，李全明，等.85例半月板损伤与关节软骨损伤相关性研究［J］.生物骨科材料与临床研究，2004，1（2）：14-15.［10］Pena E，Calvo B，Martinez M A，et al.A three-dimensional finite element analysis of the combined behavior of ligaments and menisci in the healthy human knee joint ［J］.Journal of Biomechanics，2006，39（9）：1686-1701.。
不同颊舌径种植修复的下颌磨牙三维有限元模型的建立
不同颊舌径种植修复的下颌磨牙三维有限元模型的建立目的建立包括XIVE种植体的下颌骨三维有限元模型，详细展现该三维有限元的建模过程。
方法应用Solidworks 2010软件与螺旋CT断层扫描技术相结合的方法，建立XIVE种植体、下颌骨骨块及不同颊舌径的下颌第一磨牙修复体的三维模型。
结果建立了5个结构精准的不同颊舌径种植修复的下颌第一磨牙的三维有限元模型。
其中种植体模型及下颌第一磨牙减径模型的建立，为三维有限元分析方法提供了良好的数学模型。
结论该建模方法建立下颌骨、种植体及不同颊舌径的下颌第一磨牙模型简单易操作，模型的几何相似性及生物力学相似性均达到了实验要求，为以后进行三维有限元分析提供了精准的模型。
标签：牙种植体；下颌骨；颊舌径；三维有限元建模；模型三维有限元方法的基本思想来源于高等数学中的微分，是指将各种复杂的结构看作是由有限个单元组成的整体，在某种程度上模拟真实结构，在连续体上直接进行近似计算的一种数值方法，再逐个研究每个单元的性质，以获得整个弹性体的力学分析方法[1]。
但在实际工作中，不可能去处理无限多的数据，随着计算机技术的不断日益更新，就可以用尽可能多的基本单位去近似地还原研究实体，因此在误差范围内，对实体进行相应的力学分析就成为了可能。
本实验以建立下颌骨、XIVE种植体及不同颊舌径的下颌第一磨牙修复体为例，详细地叙述该实验的建模过程[2]，为三维有限元分析提供了精准的数学模型。
1 材料与方法1.1 材料德国XIVE种植体，长度13 mm，直径4.5 mm，螺距0.84×2 mm，螺纹厚0.84 mm，螺纹高0.5 mm，基台高度4 mm。
1.2 硬件个人计算机一台[配置：Intel（R）Core（TM）2 Duo CPU，2.00 GHz处理器，1 GB内存，160 G硬盘]，美国GE公司的64排超高速三维螺旋CT机。
1.3 软件操作系统Windows XP专业版，三维有限元计算软件Solidworks 2010。
人体下肢运动力学分析与建模
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杭州电子科技大学硕士学位论文
第1章
1.1 课题背景及研究意义
绪论
从古至今，因为战争、工伤、疾病、交通事故和意外伤害等原因而产生的下 肢截肢者随着工业、交通的迅速发展而迅速增加。一项调查显示仅美国每年就大 约有 11 万人失去下肢，而我国目前下肢残疾者更是高达 600 万人，其中下肢截肢 者约 137 万多人[1]。这些下肢截肢者由于失去了人类最基本的功能之一——行走， 生活难以自理，被安置在一些脱离社会的特定角落，致使他们在身体心理都充满 着常人无法体会的痛苦。但是现在医疗水平还不能使肢体再生，为这些截肢者安 装人工假肢就成了恢复其一些日常活动的唯一手段。 随着科学的进步，人们生活水平的提高，不仅要求假肢要具有很好的装饰性， 而且对其运动性能的要求也越来越高。智能下肢假肢通过检测穿戴者的运动状态， 来控制假肢运动，从而提高步态的灵活性、协调性和安全性。现代运动生物力学 对人体腿部运动信息的采集与分析在机器人和假肢研究方面有着重大的作用。 二十世纪中期以来，把生物力学同体育科学理论研究相结合条件日趋成熟， 运动生物力学逐渐形成为了一门独立的学科。运动生物力学研究的内容是人体运 动中的机械运动规律，以生物学和力学的理论、方法研究人体从事各种活动、运 动和劳动的动作技术，使复杂的人体动作技术奠基于最基本的生物学和力学规律 之上，并以数学、力学、生物学以及动作技术原理的形式加以定量描述。随着计 算机、传感器、测速器、高速摄影、测力台和电子解析系统技术的应用，使准确 地测量与分析人体运动的参数成为现实，科学技术的发展为运动生物力学的研究 奠定了坚实的物质基础，而生物学、力学理论的发展与完善则为它建立了坚实的 理论基础。人体运动、活动和劳动中的各种动作技术，可以通过生物力学方法进 行测试研究，提高动作技术效率，提高运动技术水平[2]。 本论文依据获取的下肢的运动力学信息，通过建立人体下肢动力学模型和进 行运动力学分析，研究表面肌电信号与运动参数，关节力矩相互之间的关系，从 而对下肢运动进行建模。为深入地研究假肢的设计和控制建立基础，使假肢的运 动自然协调，快速灵活。为国内下肢假肢事业的发展打下基础，缩小和国外智能 假肢发展水平的差距，改善残疾人的生活质量，提高他们的社会活动参与能力， 促进社会的和谐发展，对康复医学也具有重要的意义。
Dicom标准和Mimics软件辅助建立下颌骨三维有限元模型
西南 国防医药 ２ ０ ０ ５年第 １ ５卷第 ５期
［］ ７ Ｓ ｏ ｔ Ｊ Ｕｓ ｇ ａ ｔ ｉ ａ ｎ ｕ ａ ｅｗ ｒ ｎ ｌｓ ｆ ｇｏ ａ ｃｔ 八 ｉ ｒｉｃ ｌ ｅ ｒ ｌ ｔ ｏ ｋ ａ ａｙ ｉ ｏ ｌ ｂ ｌ ｎ ｆ ｉ ｎ ｓ
Ｄｉｏ 标 准 和 Ｍ ｉ ｃ 软 件 辅 助 建 立 下 颌 骨 三 维 有 限 元 模 型 ｃｍ ｍｉｓ
赵 峰 高 勃 刘震侠 。 胡 江峰 ， ， ，
７０ ３ ； ２ 西北 工 业 大学 ， 西 西 安 １ ０ ２ ． 陕 ７０７） １０ ２ （． 四军 医大 学 口腔 医学 院修 复科 ， １第 陕西 西 安
ｉ ｒａｅ ｈ ｆｄ ｎｙ ｏ ｓａ ｌ ｈ ｅ ｔｏ ｈ Ｄ ｆ ｉ ｌ ｎ ｏ ｅ Ｃ ｎ ｌ ｓ ｎ ｎ ｅ ｓ ｔ ｅｅ ｅ ｃ ｆ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ｆ ｅ ｂ ｓ ｎ ｆ ｅ３ ｎ ｅｅｅ ｔｍ ｄ ｌ ｏ ｃｕ ｉ ：Ａ ｒ ｒｃ ｅ ３ ｆ ｉ ｌ ｍ ｔ ｉｔ ｍｅ ， ｏ ｍｏ ｅｐ ｅｉ Ｄ ｎｔ ｅ ｓ ｉ ｅ ｍｍｎ ｄ １ｏ ｎ ｉｌ ｉ ｔｍｏ ｅ ｆｍａ ｄｂｅ ｓ
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ｄ ｔｃｉｎ Ｊ．ＥＥ ｒｎ ｄＩ ｇｎ ，９８ １ （ ）８ ２—８ ０ ｅｅｔ ［ ］Ｉ Ｅ Ｆａ ｓＭｅ ｍａ ｉｇ Ｉ９ ．７ ６ ：７ ｏ ８．
薄层 Ｃ Ｔ断层 扫 描技 术 、 ｉ ｍ 医 学数 字 图像 通 讯 标 显卡 ） 进行 图像 处 理 。Ｃ 图像 直 接 以 Ｄ ｃｍ ． Ｄｃ ｏ 上 Ｔ ｉ ｏ ３０ 准和 Ｍｉ ｃ 软 件 辅 助 建 模 ， 如 何 提 高 有 限 元 模 型 医学数 字 图像 通讯 标 准 存 储 ， 用 Ｍｉ ｃ ． ３软 件 ｍｉ ｓ 对 运 ｍｉｓ８ １ 的精确 性 ， 快建 模 的速度 ， 加 简化 建模过 程进行 探讨 。
三维有限元方法构建足部健康骨骼与常见疾病模型及生物力学分析
摘要 背景：在创伤骨科方面，三维有限元分析不仅仅作为骨折内固定治疗过程中生物力学评估和内固定器材设计、 优化的常规手段，近年来也为创伤骨科基础与临床研究开拓新的方向。 目的：对足部正常骨骼、扁平足、马蹄足、足部骨折病例进行三维建模及生物力学分析。 方法：选取健康受试者以及扁平足、马蹄足、足部骨折患者进行足部 CT 检查，根据检查数据利用计算机三 维成像技术进行三维有限元建模及生物力学分析，根据分析结果得到足部健康骨骼、扁平足、马蹄足及足部 骨折应力分布图以及应力值等数据，并对数据结果进行分析。该研究获得福建医科大学附属闽东医院伦理批 准。 结果与结论：建立足部正常骨骼、扁平足、马蹄足、足部骨折模型并进行生物力学分析，扁平足患者跖骨、 跗骨应力值较正常明显增加，马蹄内翻足的应力主要集中于踝关节周围，尤其是在距骨关节面。单纯跖骨骨 折对于足跗骨区域应力变化影响较小，Lisfranc 损伤患者的足跗骨区应力较正常足部增加较明显。该研究以 足部三维有限元建模和生物力学分析将计算机技术与临床实际相结合，为人体足部生物力学研究提供参考， 通过应力分析将多种足部情况的力学信息数值化，为足部的临床治疗提供了重要的力学依据。 关键词： 有限元建模；生物力学；足部；骨折；扁平足；马蹄足 中图分类号：R459.9；R318；R687.3 基金资助： 福建省科技厅自然科学基金项目(2016J01662)，项目负责人：何晓宇
2大连大学附属中山医院，辽宁省大连市 116001)
DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2479
ORCID: 0000-0002-7688-6990(何晓宇)
355000；
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文章特点— (1)通过计算机技术建立了骨骼模型； (2)对多种骨骼模型进行同等条件下的建模及力学变化的分析对比； (3)为“3D 打印”的临床应用奠定基础，为该技术的前期资料提供参考； (4)结合临床实践，将现有先进的科学技术手段直接应用于临床研究。
标准步态下骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义
标准步态下骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义标准步态下骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义作者：汪光晔，张春才，许硕贵，任可【关键词】骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力Threedimensional finite element pelvic modeling duringstandard gait and its biomechanical significances【Abstract】AIM: T o construct a threedimensional (3D) finite element pelvic model which includes both 3D pelvic muscle and acetabular contact forces during standard gait. METHODS: A normal pelvis from an adult male subject was scanned by CT and the images of every crosssection were obtained. A pelvic model including both threedimensional pelvic muscle and acetabular contact forces during standard gait was constructed with PATRAN 20XXR2 software. RESULTS: The constructed 3D finite element pelvic model clearly reflected the real pelvic anatomy and biomechanical behavior, especially the muscle force and hip contact force. The model was divided into 113 028 nodes and 137 524 units. CONCLUSION: The construction of 3D finite element pelvic model provides basic data which are critical for accurately modeling either normal loads or stresses and strains, or the effects of abnormal conditions.【Keywords】pelvis; threedimensional finite element; acetabular contact force; pelvic muscle force【摘要】目的：构建包含骨盆肌肉及头臼作用力的标准步态下骨盆三维有限元模型. 方法：选择标准成年男性志愿者行骨盆CT扫描成像得到骨盆每层横截面图像, 运用Mimics软件行三维重建，利用有限元分析软件PATRAN20XXR2构建髋臼三维有限元模型,并将标准步态中肌肉收缩力及头臼作用力也设计到该模型中. 结果：所构建髋臼模型共划分为113 028个结点、137 524个单元, 模型模拟了骨盆皮质骨、松质骨、关节软骨以及股骨头结构的材料特性. 所建模型结构完整，空间结构测量准确度高，单元划分精细，重点突出，尤其肌肉及头臼作用力加载模拟形象、逼真，客观反映髋臼真实解剖形态结构和生物力学特点. 结论：构建的髋臼三维有限元模型为正常髋臼或异常髋臼力学研究提供可循模型.【关键词】骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力0引言对于髋关节的生物力学的研究，有必要了解跨髋关节肌肉的收缩力的大小方向及部位，完整地了解髋臼接触力与骨盆肌肉收缩力力学机制，有助于进一步模拟髋关节力学行为、解剖学与手术后改变的影响，虽然有文献［1-3］讨论过骨盆髋臼生物力学行为，然而这些先前的模型或没包括髋臼接触力或不包括肌肉收缩力. 因此其结果已受到大多学者的质疑. 作为实验研究骨盆与髋臼负载的需要，本实验试图报导一个既包含了肌肉又包含了髋臼接触力的三维有限元模型，这些数据将对于准确模拟髋关节与骨盆的正常负载或异常负载将尤为重要.1材料和方法材料① 成年男性志愿者骨盆（男性，40岁）；② 西门子SOMATOM Volume Zoom CT 机；③DELL工作站；④Mimics软件；⑤Patran 20XX r2 软件；⑥ Windows XP操作系统.方法骨盆三维有限元模型构建具体可以分为3个步骤① 步骤一：对一成年男性志愿者（40岁）的骨盆进行CT断层成像；在CT成像过程中要志愿者在骨盆纵轴方向保持不动，每隔1 mm层厚扫描一次. 所得图像以DIMCOM格式存入CT 机，刻录光盘，从而得到表示骨盆每层横截面的图像. ② 步骤二：将上述以DIMCOM格式存储的图像导入Mimics软件，设定门槛下界灰度值为270，上界不限. 通过Region growing 选择感兴趣区域，进行骨盆三维重建. ③ 有限元分析与计算：三维重建图像以out格式导出，并导入Patran 20XX r2软件，并重新进行格划分，建立皮质骨的外表面与内表面，其内外表面都相互连接，分别建立骨盆的皮质骨及松质体模(图1). 与骨盆骨相互作用的股骨头也被建模，此外关节软骨也被建模，以保证一个光滑且真实的髋关节作用力的加载［4］，除了髋关节头臼作用力(表1)，22块附着在骨盆上的肌肉也被设计到该模型中(表2，图2)，肌肉的生理附着点被绘制到有限元格中，其相关参数皆来自于Pedersen1997年的研究结果［5］.图1髋臼皮质骨(A)与松质骨(B)有限元模型略表1步态循环中支撑相时负载受力参数略设置单元属性根据骨盆的解剖结构特点，骨性结构模拟材料为皮质骨、松质骨、软骨下骨及关节软骨，材料参数的选择参考文献［6-7］（表3）.加载情况固定骶髂关节处的节点模拟骶骨的支持，只对左半侧骨盆进行加载，在耻骨联合处模拟弹性边界条件. 根据步态循环周期中左支撑相的第4个子步相的髋关节的头臼之间的作用力,从股骨头的中心点处进行加载. 此外肌肉收缩力也被考虑，收缩力的方向是根据远近端的附着点获得［8］，并且步态中骨盆肌肉与股骨的相对位置关系也被考虑进去. 本实验中设定股骨头内收15°，同时在前后位上骨盆与股骨头(髋关节的伸屈)的角度是可以变化的(表1). 肌肉的收缩力以分布载荷运用到模型的表面，肌肉的收缩力的方向是由其远近端的生理附着点的连线，并同时兼顾髋关节的屈伸角度对远端生理附着点的坐标影响. 假设条件:本实验所涉及的生物材料均假定为均质、连续和各向同性. 受力时模型各截面不产生相互滑动，各单元有足够的稳定性;材料受力变形为小变形.表25步态载荷中肌肉收缩力的大小(略)表3骨盆三维有限元模型单元属性表略2结果模型建立本研究中，应用CT图像专用的DICOM医学数字图像通讯标准，CT 专用的Mimics图像识别分割建模软件和PATRAN有限元专用软件，将薄层CT横断面图像进行分割识别，建立了适合生物力学研究的髋臼三维有限元模型(表4，图1)，肌肉的生理附着点被绘制到有限元格中，并由肌肉的远近端的附着点获得肌肉收缩力的方向，并兼顾髋关节的屈伸角度对远端生理附着点的坐标影响(图2). 髋臼三维有限元模型共划分为113028个单元，137524个节点. 股骨头采用四节点tet10单元，共划分为37090个单元502个节点. 松质骨模型在髂骨中央有椭圆形孔，及髂前下棘处有缺失，既该两处为皮质骨充满. 旋转观察模型形态与骨盆解剖形态具有满意的相似性，可任意切割和调整几何及材料参数以模拟不同临床与实验状态.表4模型的有限元如下表略模型的受力分析模拟步态4髋关节的头臼之间的作用力及附着在骨盆上的22块肌肉的收缩力对模型进行加载. 得到该情况下髋臼的力场分布(图3). 结果显示：主应力集中在髋臼软骨的臼顶区，传递至软骨下骨后，沿弓状线及臼顶的外上皮质至骶髂关节.3讨论骨盆有限元模型的应用1995年Dalstra等首次详细报告了骨盆三维有限元模型. 20XX年Garcia等应用三维有限元对内固定后的骨盆进行应力分析，研究骨盆骨折后不同固定对其稳定性的影响；20XX年Yew运用有限元分析影响髋关节假体置换稳定性的因素［9］. 国内张春才等［10］报道了应用三维有限元法对骨盆骨折损伤机制的分析. 在骨折内固定的应力分布、人工关节的设计优化研究，骨折危险性预测、骨折愈合、预测骨的塑型以及骨质疏松症研究方面有限元模型已是不可缺少的方法［7］.图3单腿站立位时皮质骨(A),松质骨(B)和髋臼软骨(C)受力分布略本研究应用16排螺旋扫描 CT扫描，并用MIMICS软件直接读取DICOMR的CT文件，选取兴趣区域行3D计算，获得髋臼的三维模型，并导入MSC公司PATRAN 软件，建立了髋臼的三维有限元模型，并对重点部位进行细划分. 与标本的相似程度高，形态结构准确完整. 操作过程使图像失真减少到最小. 以往［4-5］建立骨盆三维有限元模型采用的 CT胶片扫描或照相技术, 在对图像反复采样过程中, 图像的细节和信息在采样过程中丢失较多, 而且工作繁重而导致建模差异较大, 出现建模质量的问题,影响到计算结果的准确性. 本实验三维建模过程为全数据化处理，避免了数据收集过程中关键信息的丢失，最大限度上保证了建模的准确性和精确性.模型的力学相似性本研究结合了结合头臼之间的作用力与肌肉的收缩力，不当在外形上最大限度上保证了建模的准确性和精确性. 并且在力学加载上更与实体相似程度高，更加准确完整. 本研究头臼作用力由股骨头中心点处进行加载，同时参予髋关节运动有关的22块肌肉也被考虑，肌肉收缩力的方向由远近端附着点决定，并同时兼顾了髋关节屈伸角度对肌肉远端附着点的影响；肌肉收缩力大小与方向及头臼作用力大小与方向参考相关文献［5-6］,并转换为本研究的坐标系，更加真实地模拟实际步行情况.髋臼受力的分析生理状况下，骨骼的结构和功能在很大程度上依赖于其所处的力学环境. 在髋臼骨折治疗中, 施加的力学环境, 对治疗效率、准确的愈合是至关重要的. 本研究尝试对髋臼模型进行受力分析, 将骶髂关节和耻骨联合部位锁定后, 模拟步态4下髋臼的力场分布, 结果发现：在股骨头与髋臼接触部位, 最大接触力出现在髋臼的后上区域，提示在髋臼受力部位为高应力状态,皮质与松质最大受力部位较一致，皆出现在髋臼顶部附近(18 kPa, mPa)，软骨的峰值出现在臼顶内侧区( kPa). 本研究的意义说明, 所构建的髋臼三维有限元模型可以分割, 可以进行受力的分析.标准步态下骨盆三维有限元模型建立的意义骨盆肌肉的收缩力的大小、部位及方向与髋臼的接触力对于髋关节异常情况(如畸形、手术)的模拟非常重要. 完整地了解髋臼接触力与骨盆肌肉收缩力力学机制有助于进一步模拟髋关节力学行为、解剖学与手术后改变的影响，以往对髋臼进行有限元分析, 鉴于形状复杂,载荷条件复杂，一般均对其作简化处理, 先前的模型很少有髋关节接触力的三维模拟，或是没有对附近肌肉负荷的三维模拟［1-3,9］. 髋关节周围的实验及理论力学模型运行时都是在缺乏肌肉收缩力的影响上得出的结果，因此分析的结果必然引起误差［5］，了解髋关节的接触与跨髋关节肌肉作用力对于准确模拟手术后几何条件及负载改变是非常重要的. 本研究成功构建一个既包含了肌肉有包含了髋臼接触力的髋臼三维有限元模型，真实模拟人体髋臼解剖形态，肌肉载荷及头臼作用力，而且三维有限元图像还原性好, 能从力学上真实代表实物. 当然，这是全面认识髋臼生物力学改变的第一步，理想的模型将为进一步的研究提供可靠的手段和方法，也将有助于丰富髋臼的相关生物力学研究.【参考文献】［1］ Kaku N, Tsumura H, Taira H, et al. 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正常步态下距骨三维有限元模型的建立摘要：目的：建立一个具有高度几何相似性的足踝部三维有限元模型，并用此模型静态地分析人体不同步态相时距骨的生物力学特性，量化距骨的应力-应变状况。
方法：基于志愿者足的三维CT扫描数据，利用Mimics13.0、Geomagic10.0软件对足踝相关组织进行几何重建，导入Hypermesh10.0软件中进行网格划分，赋予材料属性，最后导入相）时的受力状况，进行有限元分析。
结果：建立距骨及周围结构的三维有限元模型，共21865个节点、73440个单元，具有较好的几何相似性。
正常步态中从落地相到离地相中等效应力峰值在距骨滑车分别为3.0 MPa、4.3 MPa、4.8 MPa；在距骨颈分别为1.3 MPa、1.9 MPa、2.8 MPa；在距舟关节分别为2.8 MPa、3.0 MPa、3.4 MPa；在距下关节分别为2.2 MPa、1.8 MPa、1.5 MPa。
结论：本研究中创建的三维有限元模型，经验证是一个正确可靠的模型，可以帮助临床医生和其他研究人员更好的理解正常步态下距骨的许多生物力学特性。
关键词：距骨；生物力学；有限元分析；步态引言：距骨具有独特的解剖结构和功能，无肌肉附着，大部分骨质被关节软骨面包围，是人体重力传至足部的枢纽，故有“骨半月板”之称［1］。
人体在行走时，足踝的生物力学变化比较复杂，因此研究正常步态下距骨生物力学变化较为困难。
全面了解距骨在正常步态下的应力分布可以为我们研究距骨生理学和病理学提供十分有用的信息，理解距骨在正常步态下力的传递对足的损伤及治疗有重要意义。
活体组织研究能得到较为精确数据，但因伦理学的原因受到限制。
随着计算机技术和有限元理论的不断发展，人们开始大量使用数值模型和有限元法分析复杂的结构。
与以往的生物力学实验相比，有限元方法可以建立高度几何相似及物理相似的有限元模型，既可以反映区域性力学特性，有可以反映整体信息；既可以进行精确的数字分析，有可以进行形象的、直观的定性研究。
有限元分析方法的最大特点是对生物体的无损伤，可以模拟活体组织内部的生物力学行为，完成其他研究方法所不能实现的加载方式及约束条件，得到客观实体实验所难以得到的研究结果。
可以通过改变载荷加载方式、改变材料特性等方法进行个体化受力分析，研究省时快捷，费用低廉，应用面广。
本研究基于CT数据建立距骨及周围结构的三维有限元模型，分析不同步态下距骨结构的应力变化，以期为距骨生物力学研究提供新的研究手段。
1材料与方法1.1数据收集：男性志愿者1名，25岁，身高170 cm，体质量60kg。
先行X线检查，排除足部肿瘤、畸形等其他病变，进行右足踝部64排螺旋CT平扫，层厚0.45 mm，数据以DICOM格式输出保存。
1.2有限元模型建立CT扫描的数据导入三维重建软件Mimics13.0，通过阈值分开骨组织及软组织，建立距骨及周围结构的几何模型，输出为STL文件。
然后导入逆向工程软件Geomagic Studio10.0中，对模型进行除噪点、平滑，根据各关节面的几何形状，在各骨面上划分软骨边界，最后拟合曲面，输出为Iges格式。
再导入有限元前处理软件Hyperwork10.0中，按照上述生成的软骨边界，生成软骨；依据韧带解剖数据，通过五条纤维束三维排列连接韧带附着点建立韧带模型，最后对实体模型进行网格划分、设置材料属性等处理。
最终导入ABAQUS6.9软件进行计算分析等后处理。
有限元模型见图1。
1.3材料参数：骨性结构和软骨均模拟为各向同性的线弹性材料，韧带使用非线性单轴连接单元来模拟其只受拉、不受压的特性。
骨、软骨、韧带的材料特性由实验文献确定［2-6］，列于表1、表2。
1.4边界条件及载荷：对步态过程中位相的划分方式很多，但通常将其分为落地相、中立相、离地相3个位相。
正常步态踝关节运动方式由距骨体滑车关节面确定，侧面观，距骨体滑车形状近似圆锥一部分，腓侧曲率半径大于胫侧，踝关节在矢状面屈伸运动轴不是水平的，自内上向外下倾斜，并且也不是恒定不变的，但是在正常步态中，踝关节屈伸运动的瞬时旋转中心位于距骨体内并且十分靠近，因此可以近似认为是一个点。
本研究屈伸运动轴及旋转中心的确定根据以前学者的研究方法，确定距骨滑车胫、腓侧穹弧的圆心，连接两个圆心，即为旋转轴，两圆心的中点为旋转中心［5,7-8］。
踝关节在步态运动中的受力状况研究采取将其作为相对静止加载的近似方法，加载在胫腓骨截面上。
关节面之间建立接触对，摩擦系数为0.01［5］。
不同位相受力状况参考文献数据［9］，见表3。
2结果：建立距骨及周围结构三维有限元模型，其形态还原性好，重建效果较理想，能任意旋转，可获得详细、满意的三维信息。
模型分析结果与以往研究具有相似性［4-5,10］，认为模型有效，可以用来进一步分析计算。
足踝部不同位相Von Mises应力分布如图2、3。
距骨不同区域最高等效应力分布值见表4。
由图3、表4可以得出，不同位相距骨Von Mises应力值及分布范围不同，等效应力在距骨滑车、距骨颈及距舟关节从落地相到离地相逐渐增大，在距下关节逐渐减小。
3讨论：足踝部生物力学研究长期以来一直受到众多生物力学专家的关注。
距骨具有重要的生物力学功能，一旦解剖结构紊乱、破坏，对足的功能影响较大［11-12］。
因距骨运动生物力学复杂，在人体内测量及研究其生物力学较为困难，要完全理解距骨的三维信息依然是一个难点。
传统的骨科生物力学实验主要是以动物模型或尸体模型为基础，而且绝大多数研究方法都是避开其他因素而进行的单因素体外研究，与人体内在的实际运动及损伤机制和顺序可能有一定差别。
动物模果虽然最为可靠，但由于实验手段的缺陷及伦理等因素的影响，想在不改变其生理状态的情况下得到生物十分困难的。
尸体模型虽然在几何相似性有很大的优势，却又会改变生物体作为活组织的特性，难以获得各异的力学性能，同时一个标本具有疲劳性，不能反复利用，使对照研究的可比性下降，且实验费用较高，取材较困难，想得到实验对象内部任意部位的生物力学变化也十分困难。
近年来，随着医学影像技术和计算机科学的发展，有限元分析作为一种较新的生物力学研究手段，逐渐应用到足部生物力学领域［13-15］。
有限元法进行的模拟实验具有实验时间短、费用少、可模拟复杂边界条件、力学性能测试全面及可重复性好等优点。
利用有限元软件的强大建模及线性、非线性分析功能，可以精确地建立人体骨骼、肌肉、韧带等组织的三维模型，并能够赋予其生物力学材料属性，模拟拉伸、弯曲、扭转等生物力学载荷，可以求解在不同载荷下任意部位的变形、应力、应变分布、内部能量变化及屈服等情况。
本研究利用正常人体足部CT扫描数据，导入到Mimics软件，建立距骨及周围结构的三维数字模型，然后转换格式，输出到有限元软件Abaqus中，建立精确的三维有限元模型，进行分析计算。
本模型的建立具有以下优点：1、较高的模型精确度。
原始DICOM数据来自足部64排螺旋CT扫描，扫描层面薄，包含的信息量大，直接利用Mimics、Geomagic Studio 建模，没有掺杂人为因素，大大减少误差，较真实地还原了骨骼的几何模型；2、利用专业网格划分软件Hypermesh，划分单元质量高，单元大小合理，网格模型形态与实体模型形态一致，能从力学上真实地代表原物，计算结果更精确。
距骨在步态过程中的力学性能是相当复杂的，为了有限元模型计算收敛，对模型材料等方面做了一些简化。
研究显示距骨在在行走过程中的不同位相位相时的应力分布区域又有很大的变化，距骨背、距骨颈及距舟关节面等效应力从落地相到离地相逐步增高，而距下关节面应力值逐步减小。
距骨各关节面应力分布对关节软骨的退变及骨关节炎形成密切相关，不合理的应力分布导致软骨退变，进一步促进骨关节炎的发生。
因距骨结构的复杂性及实验条件的不可控性，关节面的压力具有很大的个体差异性，但整体的分布范围又具有相似性［16］。
Gefen等用有限元模型计算显示距骨应力增高区在距骨背，从落地相的2. 55 MPa到离地相的3.55 MPa［4］。
刘立峰等研究显示落地相时距下关节后关节面的Von Mises等效应力相对于前关节面大，三位相中距下关节最大应力值为起步相时的3.92 MPa［17］。
Anderson 等测量静止站立时胫距关节面的接触应力，两具实体标本测量的结果分别是3.69 MPa和2.92 MPa，有限元模型分别是3.74 MPa和2.74［10］。
以上研究距骨等效应力及关节面压力分布结果与本研究相似，这也进一步说明了本模型的有效性，可以用于临床及相应的生物力学研究。
目前对足踝部生物力学的研究虽然取得很大的研究成果和进展,但仍然存在不足。
本研究基于CT序列图像，建立人体正常步态下距骨及周围结构的三维有限元模型，较真实，准确地模拟了距骨及周围结构的解剖形态，为进一步的距骨生物力学研究提供了基础平台。
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