【摘要】： 研究背景：有限元分析方法是一門應(yīng)用數(shù)學(xué)、現(xiàn)代力學(xué)及計算機科學(xué)相互滲透、綜合利用的邊緣科學(xué)，其主要應(yīng)用于模擬并且解決工程力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等物理問題。自從1972年Brekelmans和Rybicki首次將有限元分析法應(yīng)用于骨科生物力學(xué)的研究以來，有限元分析法逐漸被廣泛應(yīng)用于人體生物力學(xué)的研究，并取得了顯著的成績，使之成為了骨科領(lǐng)域生物力學(xué)研究最重要的手段之一。國內(nèi)外有限元分析法應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)的研究主要集中在成人髖關(guān)節(jié)生物力學(xué)的評估、優(yōu)化假體輔助設(shè)計參數(shù)和個體化方案探討等方面，關(guān)于兒童髖關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立和其應(yīng)力分析的文獻報道甚少，雖然馬承宣、阿良等建立了兒童髖關(guān)節(jié)的二維有限元模型，但目前尚未見包含真實軟骨的正常兒童髖關(guān)節(jié)三維有限元模型及其生物力學(xué)研究的相關(guān)文獻報道。 目的：①探討正常兒童包含軟骨在內(nèi)的髖關(guān)節(jié)三維有限元模型的構(gòu)建方法。②通過對髖關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)學(xué)測量，初步探討兒童髖關(guān)節(jié)軟骨的分布特點及生物學(xué)意義。③在建立三維有限元模型的基礎(chǔ)上，模擬單腿站立位對正常兒童髖關(guān)節(jié)進行初步的生物力學(xué)分析，驗證該模型能否進行生物力學(xué)研究，并探討正常兒童髖關(guān)節(jié)表面生物力學(xué)分布特點。 方法：獲取正常兒童髖關(guān)節(jié)標(biāo)本，完整去除髖關(guān)節(jié)周圍肌肉韌帶等軟組織，僅保留骨與軟骨組織，進行64排CT薄層掃描得到Dicom格式的計算機圖像數(shù)據(jù)，使用醫(yī)學(xué)影像處理軟件Mimics及逆向工程和三維檢測軟件Geomagic Studio Version 8.0構(gòu)建髖關(guān)節(jié)三維幾何實體模型，將模型導(dǎo)入ANSYS10.0軟件，采用實體模型建模法，進行網(wǎng)格劃分并設(shè)定單元屬性，建立三維有限元模型。同時在重建的髖關(guān)節(jié)軟骨模型中對不同部位的軟骨厚度進行測量，此外還在標(biāo)本中對髖臼盂唇切除前后的容積變化進行了測量，以初步探討分析髖關(guān)節(jié)軟骨的分布特點及其生物學(xué)意義。再在已建模型的基礎(chǔ)上模擬單腿站立位，在有限元分析軟件ANSYS10.0中確定邊界條件，加載生理負荷，進行有限元法分析計算。 結(jié)果 1．成功構(gòu)建了正常兒童髖關(guān)節(jié)的三維有限元模型：建立的模型包含了髖關(guān)節(jié)諸骨及完整軟骨成分，具有良好的生物形態(tài)，其外形與實體標(biāo)本高度一致，模型可以任意旋轉(zhuǎn)從不同角度觀察，可獲得髖關(guān)節(jié)的直觀及整體的印象。 2．通過形態(tài)學(xué)測量發(fā)現(xiàn)髖臼軟骨及股骨頭軟骨并非為均一的厚度，總體分布趨勢為：股骨頭軟骨中間厚四周薄，而髖臼軟骨呈中間薄四周厚，髖臼唇的存在大約增加了髖臼36％的容積。 3．通過對兒童髖關(guān)節(jié)單腿站立位進行三維有限元生物力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：正常兒童髖關(guān)節(jié)單腿站立位時應(yīng)力主要集中于股骨頭軟骨表面的最上部分、髖臼軟骨表面頂穹區(qū)及其相對應(yīng)的臼頂區(qū)，壓力以放射狀分布向周邊逐漸減弱，髖關(guān)節(jié)接觸壓力峰值為1.25MPa，頭臼間作用力為437N，約相當(dāng)于2.5倍體重力。 結(jié)論： 1．通過采用CT掃描資料和Mimics等軟件獲得的影像數(shù)據(jù)，，快速建立三維有限元模型的方法切實可行，極大的提高了有限元模型建模的速度和精度。 2．該模型能夠反映正常兒童髖關(guān)節(jié)骨與軟骨的系統(tǒng)解剖形態(tài)，可以模擬正常兒童髖關(guān)節(jié)進行生物力學(xué)研究。
【圖文】：

1.1建模材料1.1.1研究對象正常兒童骨盆標(biāo)本1具(圖1所示，中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院解剖教研室提供)，男，4歲，生前無靚關(guān)節(jié)疼痛及外傷史，拍攝骸關(guān)節(jié)正位X光片(圖2)，排除異常。神神 神圖圖1:標(biāo)本實物圖圖1.1.2設(shè)備德國西門子螺旋64排CT掃描機(西門子公司);螺旋CT圖形工作站 :syngoCT2006A(西門子公司); 2.7GHzCpU、IGb內(nèi)存的個人計算機。1.1.3軟件醫(yī)學(xué)影像處理軟件Mimies(比利時Materialise公司);逆向工程和三維檢測軟科毛 eomagieStudioVersion8.0(美國Raindrop公司);三維建模軟件 UGUnigraphic(美國UG公司);有限元處理軟件ANSYS10.O(美國ANSYS公司)。 1.2建模步驟 1.2.1兒童骸關(guān)節(jié)cr掃描圖像的獲取取正常兒童骨盆標(biāo)本一具，完整去除骸關(guān)節(jié)周圍肌肉、韌帶、關(guān)節(jié)囊等，僅留下骨性結(jié)構(gòu)及艘關(guān)節(jié)軟骨，脫出股骨頭，完整切除圓韌帶。掃描時標(biāo)本仰臥于檢查床上

頂點連線為0o基線，每隔30“作一切面(如圖9)，每一切面取中心點(A點)，內(nèi)1/3測量點(B點)，外1/3測量點(C點)，及邊緣點(D點)共四處測量點應(yīng)用UG軟件中集成的測量工具條對軟骨厚度進行測量(如圖10)。因在1200一2400之間主要為骸臼窩區(qū)域，為軟組織充填，無關(guān)節(jié)軟骨存在，故未作測量。圖10測量點位置示意圖2.1.2股骨頭軟骨厚度的測量利用Dicom格式的影像學(xué)數(shù)據(jù)重建股骨頭表面軟骨的三維模型，在重建的模型中以通過股骨頭軟骨中心冠狀切面為為0o基線，每隔300作一切面(如圖H所示)，每一切面取中心點(A點)，內(nèi)1/3測量點(B點)，外1/3測量點(C點)，及邊緣點(D點)共四?
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：R726.8

【引證文獻】

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本文編號：2638600