坐股韧带重建稳定机制三维有限元分析及其生物力学意义_图文

1、Y1055123分类号:R77单位代码:10343学 号:20041135固湿州睹訾院 硕士学位论文论文题目:坐股翅董重建稳定扭剑三维直阻五盆揖丛 甚生物力堂意望研究生姓名:李永奖学科专业:外科学(骨科类 型:科学型指导教师:张力成教授杨国敬教授汤呈宣副教授 二零零七年五月商品优势作为拍卖网站,淘宝突出的优点是,如果商品的剩余时间在 1小时 以内,时间的显示是动态的,并且准确显示到了秒。比普通店铺更有吸引力的是他的服务,他不光是大卖家 和大品牌的集合,同时也提供比普通店铺更加周到的服务:1、 七天无理由退换货 淘宝商城卖家接受买家七天内无理由退 换货,无需担心买到的不合适,或者买到的东西和实际

2、相差太大。 2、 2、正品保障 淘宝商城卖家所卖物品都是正品行货,接受买 家的监督和淘宝的监督。坐股韧带重建稳定机制三维有限元分析及其生物力学意义 中文摘要一、研究目的附着于髋关节骨结构的关节囊韧带有助于限制股骨头相对于髋臼的位移, 而可允许复杂的旋转和平面运动组合,尽管这个重要的功能,髋关节囊韧带经常 在用来治疗骨性关节炎的全髋关节置换术(T卧以及用来治疗关节囊内移位骨 折的半髋关节置换术中被部分或全部切除。本研究通过计算机三维有限元分析从 仿真学角度模拟TI-IA术后髋关节脱位来验证和考察THA术后假体脱位的生物力学 机制以及髋关节囊韧带重建对THA术后髋关节稳定的作用及其生物力学机理。主

3、 要包括:l、髋关节三维有限元模型的构建及三维有限元分析,探讨髋关节生物力学特性 并为构建髋关节周围韧带提供定量的空间基础以及模拟TIIA提供基础模型。 2、人工髋关节假体三维有限元模型的构建及三维有限元分析,并模拟THA与髋 关节进行装配,进一步探讨其生物力学意义。3、坐股韧带重建三维有限元模型的构建及三维有限元分析,探讨其相关的生物 力学意义,验证该模型的可行性及可靠性。4、包括坐股韧带重建的T眦术后假体脱位过程三维有限元分析,并与仅有金属 模型进行比较探讨关节囊韧带重建对髋关节的稳定机制。二、材料和方法1、髋关节三维有限元模型构建及有限元分析。模型构建分3个步骤完成:获取 cT图象:对一

4、具湿髋关节(女,49岁进行cT断层成像,每imm层厚扫面一次, 所得图象直接存入cT机,刻录光盘,获取表示髋关节每层横截面的图象。处理 凹图象:将髋关节cT扫面图象以DICOM格式存入计算机,按照扫面的顺序逐张处 理每一张cT图象,去除图象中骨骼周围的软组织,得到处理后的髋关节每一断层 cT图象。重建cT图象:选取图象左边标尺的上端点为第一基准点,下端点为第 二基准点,使每一层的两基准点严格保持一致;以髋关节的近端为z轴正方向, 远端为负方向;计算图象中各像素点间的灰度值“梯度”确定图象的轮廓,对每层图象进行处理,提取髋臼及股骨近端外表面和内表面的一系列关键点,连接轮 廓点得到表示髋关节形状的

5、内、外轮廓线,导入三维有限元模型构建软件中进行 重建。单元属性设定应变率为0.Ol,泊松比为0.3。三维有限元分析采用有限元 分析软件SolidWorks2006进行,网格划分采用三维十结点四面体实体单元。 2、人工髋关节假体三维有限元模型的构建及有限元分析利用有限元分析软件 SolidWorks 2006SP0.0进行,建模之前根据假体的工程图特征先将全髋假体拆 分成4部分,即钛金属骸臼杯、聚乙烯内衬、股骨头、股骨柄。分别分析各个部 分的结构特征,将外形结构输入到有限元软件中,生成体积,构建出零件的三维 实体模型。将所构建的零件按假体的整体特征进行装配,获取一组非商业性质的 人工全髋假体三维

6、有限元模型。将所构建模型输入COSMOSWorks2006软件进行网 格划分,采用完全程序自动划分方法。模拟人体坐位腿交叉动作过程,分析假体 脱位过程的角活动度和相应的假体应力场分布情况。3、坐股韧带重建三维有限元模型的构建:选择多重独立连接界面来构建髋关节 囊韧带。坐股韧带被定位在适当的解剖重建止点处,骨结构的详细解剖特性均来 自于上述的cT数据及由其构建的髋关节骨解剖结构有限元模型,划分的有限元 网格为建立关节囊韧带附着区域提供定量的空间基础。在计算模型中,关节囊韧 带的准确定位是借助于共同的参考点而完成的。开始的几何材料测量来自于 Hewitt的实验工作,关节囊韧带以实验依据的材科特性进

7、行六面体连接单元网 格划分。对于不同高弹性材料模型,在关节囊韧带拟合实验应力一应变曲线方面, 选择高弹性模型操作。4、髋关节囊韧带重建生物力学有限元分析。在以上几步实验的基础上,将模型 导入有限元分析软件ABAQUS6.6及COSMOS Works2006模拟坐位腿交叉动作载荷, 计算通过输入一系列增加的股骨假体屈曲内收角位移来运行,屈曲和内收比为2 :1。同时,髋臼承受由髋部肌肉收缩力经股骨头传导的应力冲击,942N关节接 触合力通过位于股骨头中心的Bezier面实体参考结点进行加载,载荷的方向模 拟步态周期髋关节峰载荷,于额状面内与垂直轴位22.5。的后中方向。以屈曲:内收2:1的比率,模

8、型连续操作直到有限元计算当接触合力离开指定的杯载荷 负重面产生数值不稳定而终止,即当髋臼合阻力矢量活动方向从负重面移向内衬 唇斜面的时刻,预示着脱位。在这个时点上,计算变成数字不稳定,这个状态可2温州医学院硕士学位论文能意味着生理的头开始无限制的自由向外滑出凹面。计算获取假体脱位过程的角 活动度和相应的阻力矩值以及假体界面产生的vorl Mises应力值分布情况,并对 结果进行归纳分析。三、结果 个工况中均能够清楚地显示整个整体的应力结果、应交结果、位移结果及变形结温州医学院硕士学位论文果。比如仅有金属模型股骨屈曲97.5。时最小应力值出现于4633号节点,位置 处于3.79582哪,-12.

9、2788嘲,-23.1805舢,力值为15878.4N/m2,最大应 力值出现于13515号节点,位置处于一26.0584唧,18.1485珊,98.9955咖, 力值为6.36214e+006N/m2。应变结果:最小应变处于5905号节点,位置处于 一3.55608咖,-9.17404咖,-8.6409唧,应变值为:6.5561e-007;最大应变 处于2560号节点,位置处于0.816801咖,14.6763咖,-1.60733舢,应变值 为0.00146277。位移结果:最小位移处于6984号节点,最大位移处于6224号 节点,位移分布范围:0mO.000876198m。变形结果:比例因

10、子为15.947, 能够清楚地显示整个整体的变形结果。四、结论l、本实验构建的三维有限元模型为系统地研究THA术后假体脱位生物力学机制 开辟了新的途径;重建髋关节囊韧带后将提供更大的静力支持,因此也需要更大 的扭转力矩才能使假体发生撞击和脱位;坐股韧带作为髋关节后方关节囊一个确 切的解剖结构,对后方稳定装置的力学完整性起到重要的作用,髋关节成型术中 应该重建髋关节囊韧带。分析结果图可以看出,髋关节囊韧带重建既有助于稳定 髋关节,其降低撞击点和脱位点的最大主应力值,从另一侧面可能证实该技术可 降低由于撞击处应力过大所致的磨损介导的假体松动率。2、本实验结论为临床重建关节囊技术推广应用提供理论依据

11、。关键词全髋关节置换术;假体脱位;坐股韧带;生物力学;三维有限元分析Three.Dimensional Finite Element Analysis of Stable Mechanism For lschiofemoral Ligament Reconstruction and It's Biomechanical SignificanceABSTRACTObjective:The hip capsule functions in conjunction们m the bony components of the hip to constrain translation betwee

12、n the head of the femur and the acetabulum,while allowing complex combinations of ratation and planar movements.Dsepite this important biomechanical function,the hip capsule often is excised partially or completely during THA for treatment of arthritis and in hemiarthroplasty for displaced intracaps

13、ular hip fi'actures.The purpose of this study is to explain the biomechanical mechanism of total hip dislocation and the related biomechanical significance of capsule ligament reconstruction with threedimensional(3Dfinite element analysis from emulation aspect and investigate the role of the hip

14、 capsule ligament in stable mechan/sm ofhipjoint.Including:1.To construct the 3-D finite element hip joint model and analysis with 3-D finite element method,and to investigate its biomechanical significance,furthermore,the consruction of hip joint's 3-D finite element model(FEMprovides basic dat

15、a for research on mechanical behavior ofhipjoint and THA,and the model￥111"fae酆3,which were zoned with a three-dimensional.allquadrilateral rigid body finite element mesh, provide a quantitative spatial basis for establishing capsule attachment sites.2.To consI朝lct and validate the 3-D FEM of t

16、otal hip dislocation and to investigate the related biomechanical significance.3.To construct and validate the 3-D FEM of ischiofemoral ligament reconstruction and investigate the related biomechanical significance.4.To implement capsular ischiofemoral ligament in a totalhip dislocation FEM.andthis

17、soft-tissue-augmented FEM Was used to investigate the biomechanical characteristics oftotal hip dislocation,and explore or show that capsule enhancementmakes a substantial contribution in stability,compared to an otherwise identical hardw粼niy model.MateriaIs and Methods:and obtained the inner and ou

18、ter figure linespresenting the shapeof hip joint when connecting the points.Finally we reconstruct them using 3-D finite element soft.We set stress rate as O.0l in element property and the poisson's rate Was assumed to be 0.3.step4.Analysis were carried out using the finite elementanalysis softS

19、olidWorks2006,with threedimensional 10一node tetrahedral entity mesh generation method.2.Construction of3-D finite element total hip prosthesis model and analysis with 3-D finite element.T0tal hip hardware prosthesis FEM consisted of four component parts: a titanium metal backing,an ultra-high molecu

20、lar weight polyethylene(UHMWPE acetabular component,and a CoCr alloy femoral component(including head and neck.The geometry adopted Was that ofa common and uncommercial metal-backed THA prosthesis,with the models of four parts were constmctured separately and assembled by means of SolidWorks2006soRw

21、are, calculated by温州医学院硕士学位论文 COSMOSWorks2006software,selecting automatic dividatur by program completely, divided into 17195nodes,11062units,analysis of the compression distribution and amount oftotal hip component when simulated seated leg-crossing manurer.3.n蛇inclusion ofhip capsule representatio

22、n was the option for multiple independent contact interfaces,and the ischiofemoral ligament sectors were incorporated into the whole-joint FEM at anatomically appropriate insertion points,using rigid body renitions of the femur and henri-pelvis.n地detailed anatomic features of these bony structulfeS

23、were extracted CT data,using edgedetection methods operating on l-mm Serial Sections.Triangulated surfaces were fitted to the resulting pDint cloud data for the femur and hemi-pelvis.These surfaces,which were zoned with a 3-D, all-quadrilateral rigid body finite element mesh using SolidWorks2006mesh

24、 generator,provide a quantitative spatial basis for establishing capsular ligament attachment sites.Accurate registration of the origin and the insertion sector of ischiofemoral ligament in this computational model was achieved using common reference points and the geometric and mechanical propertie

25、s obtained from Hewitt's experimental worL Theischiofemoral ligament Was meshed entirely with hexahedral continuum elements having experimental-based material characteristics. Of the various hyperelastic material models examined,the Yeoh hyperelasic model Was Selected,in terms of fitting of expe

26、rimental stressstrain curves for the ligament Sectors.4.Based on the above experiment,nOW that capsular ligament inclusion in the total hip dislocation model has been achieved,and calculated by ABAQUS6.6and COSMOSWorks2006finite element soRwat,and the finite element analysis Was a nonlinear,large di

27、splacement,multiple load step solution.An erectly-seated maneuver Was exmnded kinematically from the seated position(90。of femoral flexion,6。of adduction,and 0。ofendorotation,by incrementally rotating the femur in a ratio of 2 :l:0of flexion:adduction:endorotation.This temporal kinematic data,when i

28、nput to a 47-muscle optimization model,yielded output to a posteromedially directed joint load of 1.5times body weight(942Nin the pelvic reference frame during seated leg-crossing.These specific hip joint contact force components were applied to the温州医学院硕:学位论文acetabular component model through an an

29、alytically rigid body reference node at the femoral head center.The load orientation WaS representative of peak gait cycle hip loading and had a fixed pelvic orientation of22.5。from the vertical in the frontal plane.1rI伦modeled maneuver WaS continued until the finite element computation aborted,due

30、to numerical imbalance as the resultant contact force escaped the intended cup be撕ng surface,indicative of a dislocation.The primary outcome measure utilized in the present study WaS the resultant resisting moment developed about the cup center,prior to the oecBrrence of dislocation.The finite eleme

31、nt analysis reported full field stress,strain,and displacement data,foreach time point in the leg-crossing maneuver.All forces acting through the femoral head,or at the site of impingement,were transferred through thecontinuum ofthe acetabular component to the rigidly supported nodes on the bone sid

32、e surface ofthe acetabular shell.Therefore, forces and moments about the cup center could be readily determined from the cup backing nod body reference node,which was placed at the cup center,and compared these results between soft-tissue-augmented model and an otherwise identical hardware-only mode

33、l.Results:温州医学院硕士学位论文moment profile;anda subhixation phase which initiates near the peal, resisting moment and is signalled by downslope of the femoral resisting moment value,untilonset ofcomputational instability(corresponding to physical dislocation. In the capsule-ligament-enhanced model,by contr

34、ast,the angular motion input Was met with substantial resistance due to progressive tautening of the capsular ligament even from the initiation of flexion.This tautening resistance resulted in a dramatic increase in the resisting moment developed throughout the seated leg-crossing maneuver.Once impi

35、ngement occurred,there、棚an additional,more precipitous spike of resisting moment,roughly comparable to that seen for impingement onset in the hardware-oniy model.Since this taughtened tissue lies appreciably eccentric to the neck-liner impingement fulcrum,it works efficiently“in parallel'with th

36、e implant itself to resist the tendency for dislocation,reducing the peal(polythylene stresses at the impingement site and at the head egress site by typically 17%and 31% respectively,and increasing the pcal【resisting moment by typically 57%,relative to the hardware-oniy case.The energy required to

37、dislocate is measured as the area under the curve from impingement to dislocation,using the trapezoidal rule.These preliminary results show that capsule-ligament representation provides approximately a 2.29-fold increase in construct stability,compared to all otherwise identical hardware-only eonstn

38、lct.111e stress、strain、displacement and transfiguration revealed the whole result in the dislocation sequence clearly.For example,the least stress value温州医学院顾t学位论文ofhardware-onlyConehisioIII!"-1.(DFinite element analysis of total hip dislocation has opened new avenues for understanding the biom

39、echanical factors underlying this alltoo-common major complication ofTHA.the present study provides the precise total hip dislocation 3-D FEM for research on the related mechanical behavior.The capsular ligament reconstruction lends more suppon to the hip flexion and adduction,and significantly high

40、er torque Was needed to impinge or dislocate the hip.The isehiofemoral ligament,a discrete strtlcture within the posterior capsule of the hip joint,may be the most important contributor to the mechanical integrity of the posterior stable structure. The joint capsule ligament must be reco删in hip arth

41、roplasty.We caIl see from the results that the capsule-ligament-enhanced model reduced the peak polyethlene stresses at the impingement site and at the head egress site may prove that the capsular repair could reduce the rate ofwear-related aseptic loosening.2.This experiemtal conclusion is valuable

42、 to be extended in clinical application.【Key words】Total Hip Arthroplasty;Dislocation;Ischiofemoral Ligament; Biomechanics;Three-Dimensional Finite Element Analysis温州医学院硕士学位论文坐股韧带重建稳定机制三维有限元分析及其生物力学意义 前 言随着全髋关节置换术(T眦技术的日趋成熟,术后假体脱位发生率已大大 减少,但仍是仅次于磨损介导的无菌性松动的常见并发症之一m,其发生率在初 次置换病例组达2%11%。Phillips“1回顾性研

43、究分析随访的13000例THA后发 现假体脱位率为3.996,Yon Knoch01在一个大于5年的临床随访研究中发现,初 次THA术后假体脱位率高达30%。而在全髋关节翻修的病例组术后假体脱位率 将翻2倍咖。再脱位的病例中有1/3需要行翻修手术,其中仅有60%获得稳定“ 耐。不管是初次还是再次脱位,每次都会给患者留下严重的后果,加上发病率较 高,将给社会造成巨大的经济负担。T1A术后脱位大部分发生于术后45周,属早期脱位,约占7096,其中以后 脱位多见,且多见于后方入路帆”。Dorr等。1报道在术后1个月内发生脱位占21%, 3个月内发生脱位的占54%,2年以后发生脱位的占15%;引起TH

44、A术后假体脱位 的因素很多,主要包括手术入路、软组织损伤的修复重建程度、假体的设计与安 放、患者的依从性、既往髋部手术史等几个方面。Mohler等啪认为7096脱位发生 于术后45周内,并认为主要原因是假关节囊愈合之前软组织的松弛。McGrory 和Morrey等“认为髋关节周围软组织张力和动力的平衡在髓关节置换术后防 止早期脱位起重要作用。术前改善患者一般情况,合理的进行功能锻炼,防止肌 肉萎缩,这样可以保证术后有足够的肌肉张力,从而降低脱位的发生率;Charnley 认为“21恢复软组织张力对预防THA术后早期脱位是最重要的措施,他把大转子下 移Icm以增加外展肌群张力作为常规来实行,使得

45、脱位率降至o.4%。从力学角度讲,脱位是股骨头中心先垂直再平行于髋臼表面的相对移位。促 进和防止脱位的力量相互拮抗。一般认为脱位时垂直于髋臼的外力主要是由旋转 即所谓的撞击现象所造成的。在一定的活动范围内,撞击可发生于位置不良的假6浙江省医药卫生科学研究基金项目(编号:200681236温州市科技计划项目(编号:Y200601686瑞安市科技计划项目(编号:20052093温州医学院硕士学位论文体或邻近软组织等。为增加稳定性,必须增加垂直和水平方向的活动范围或是增 加抗脱位的阻力“”。关节囊韧带经常在用来治疗骨性关节炎的THA和用来治疗髋关节囊内移位 骨折的半髋关节置换术中被全部或部分切除m。

46、”,近来国外少数文献报道了重建 关节囊韧带降低THA术后假体脱位率“”1,然而研究主要集中于术后假体脱位的 随访资料,相关的基础生物力学研究较少,进一步的力学基础实验需要来系统地 探索重建关节囊韧带后是如何影响THA后假体脱位运动学、动力学以及整个关节 活动行为,为这项技术的改良和推广提供可靠的科学依据。随着计算机三维仿真技术日益发展和成熟,其应用范围也越来越广泛,近年 来已经逐步渗透到各个工程领域当中,在医疗领域的研究和临床实践中,骨科植 入物都是以骨骼的应力、应变为基础进行的。由于三维有限元分析技术的应用, 为更加准确、快速的进行人体骨骼三维仿真模拟以及应力应变的分析计算、科学 设计医疗器

47、械等提供了有力的工具。随着计算机运行速度和运算能力的提高使得 构建和运行一个撞击和脱位过程的严格THA三维有限元模型成为可能,Scifert 等o“伽首先报道了这种模型的构建,并通过比较计算的峰阻力距和一个商业获 得的全髋假体特殊结构实验测量的扭转载荷来验证该模型的可行性(误差为 0.27%,证明该模型可用来系统的检测在起始撞击和最后脱位之间各因素对脱位 的影响力度。随着人们对生活质量要求的不断提高,恢复一个稳定的、良好功能的镜关节 迫切需要深化对THA后假体脱位生物力学机制的研究和认识,并提出相应的预防 措旌。本研究就是基于以上需要,结合三维有限元分析,对THA术后假体过程及术 中加强髋关节

48、囊韧带重建稳定髋关节进行必要的生物力学研究并探讨其相关的 生物力学意义。温州医学院硕士学位论文第一部分髋关节三维有限元模型的构建及其生物力学意义近年来,医学与工程力学的结合,有限元分析作为一种较新的生物力学研究 手段,逐渐被应用到医学领域。随着计算机技术的发展,三维非线性有限元软件 的开发,有限元分析能够精确分析骨骼的内部应力分布及定量分析应力集中等 嘲。髋关节是人体重要承重关节,其骨折创伤程度重。无论保守治疗还是手术治 疗经常由于复位不完全,出现股骨头坏死或骨关节炎等严重后果。传统的生物力 学研究从不同的角度分析了髋关节的生物力学,并从不同侧面提出了髋关节骨折 的治疗方法。由于髋关节形状和结

49、构的复杂性和特殊性,本研究采用三维建模及 有限元方法建立髋关节三维有限元模型,以期为髋关节损伤及其解剖结构的相关 研究提供多维思路,进一步丰富髋关节生物力学行为的研究手段。“2。1材料和方法1.1材料和设备选择l具湿髋关节尸体作为对象,女性,49岁,实验前行x线检查。排除病 理改变后,进行髋关节CT扫描,获取用于建立三维计算机模型的相关资料;西 门子SOMATOM Volume Zoom CT机;Unigraphics NX 2.0软件;ABAQUS6.6软件;(9SolidWorks2006软件;图象处理软件PHOTOSHOP6.0;Windows XP 操作系统1.2方法与步骤:对髋关节进

50、行cT断层成像;在cT成像过程中,要求髋关节在纵轴方向保持 不变,每隔l唧层厚扫描一次,共278层。所得图象以DICoM格式直接存入cT 机,刻录光盘,从而得到表示髋关节每层横截面的图象,如图1所示。同时对所 得的每一张cT图象按照扫描的顺序逐张进行处理,去除骨骼周围肌肉和软组织 后得到处理后的髋关节每个断层cT图象,在处理过程中保持骨骼灰度处理前 及扫描时候一致,为骨密度计算和弹性摸量设定打下基础。切片对齐:为了保证重建的模型能逼真反映髋关节的实际情况,选取图片左 边标尺的上端点为第一基准点,下端点为第二基准点,使每一层的两基准点严格 保持一致,从而避免了图象的相对位移和偏移。坐标原点的确定

51、:提取出股骨头中问断面上距离最大的2个象素点,取该2个象素的中点定为三维坐标系的原点,髋关节的近端为z轴正方向,远端为负方 向.轮廓提取:图象中的轮廓信息通过计算各象素点间的灰度值“梯度”确定, 梯度值大的地方通常是轮廓所在位置。对每层图象处理,提取髋臼和股骨近端内 表面和外表面的一系列关键点,连接轮廓点得到表示髋关节形状的内、外轮廓线, 导入三维有限元模型构建软件中进行重建,得到髋关节的三维有限元模型。在单 元属性设定时应变率都为0.Ol,泊松比统一为0.3。1.3髋关节三维模型构建的程序流程髋关节三维有限元模型构建,经过前述初始数据采集处理之后,按照如图 1-2所示的程序流程进行构建,单元

52、属性的设定进行设定后,由计算机程序进行 自动计算,并导入有限元模型构建软件中。对髋关节三维有限元模型单元材料相 关属性进行设定,目的在于构建与实际髋关节在材料参数和力学行为上相吻合的 三维有限元模型。1.4有限元分析输出的实体以IGS格式的文件展示,将其导入Unigraphics NX2.0软件中, 转换成UG格式,并利用Unigraphics NX2.0软件强大的缝合功能进行面片之间 的缝合,缝合完成之后再导入SolidWorks2006软件转换成SolidWorks格式的文 件,采用CAE有限元分析软件COS啪Sworks2006进行网格划分,以三维十结点四 面体实体单元进行。图I-2三维

53、模型构建的程序流程图 2结果2.1髋关节三维有限元模型的建立分析髋关节的解剖结构可以发现,髋臼及股骨头内外表面都是相连在一起 的,相邻很近的两层切片问,不会出现大的形变和位移:因此将上下对应的内、 外轮廓线连接,生成轮廓面,再将内外表面生成体积,建立髋关节的三维有限元 模型,如图卜3所示。2.2髋关节三维有限元分析将建立的髋关节模型导入有限元构建软件SolidWorks2006中,进行三维有 限元网格划分。髋关节的网格划分完全按照实际的解剖构造进行,根据髋关节几 何形状的特殊要求,采用三维十结点四面体实体单元,共划分为121239个结点、 112491个单元,右侧髓关节模型见图卜4。髋关节部位

54、主要是松质骨,在应力 不超过其强度极限时,它的应力一应变关系与许多工程材料很类似,呈线性,因 此对髋关节进行应力分析时,假设髋关节为连续、均质、各向同性的线弹性材料, 弹性模量为1.34×lOpa,泊松比为0.30渊。2.3髋关节应力分布在所获取的髋关节三维有限元网格划分图上,对于髋关节网格密集的区域进 行提取和分析,可以发现,在髋关节三维有限元模型上面,存在着如下应力集中 分布区域,分别是弓状线,髂骨翼,髋臼后上方,坐骨结节以及小转子上方、稍 偏股骨颈的后方处等。如图卜59所示。3分析与讨论3.1骨骼建模的难度与对策随着计算机软硬件的飞速发展,有限元分析软件在过去的二十年中得到了迅

55、 速的发展,从简单的理想模型的二维(2D分析发展为真实模型的三维(3D分析。 进入二十世纪八十年代以来,生物力学研究工作者对于三维有限元建模的精度要 求越来越高,对构建速度的要求也越来越为苛刻。最早数学模型近似的方法尽管 计算简便,但是和实际的组织形状相差比较大,结果与实际情况相差甚远,现在 已经很少采用;随后的表面构建方法采用的是由点到线,由线到面的方法构造曲 面的,但是对于复杂的组织和器官,不能利用计算机实现模型的自动构建,大部 分工作需要人工交互完成。这种方法在建立精确的解剖结构复杂的三维有限元模 型时,往往需要花费大量的时间,并且在有些时候,必须对复杂的模型结构进行 简化。人体骨骼的特

56、点在于其形状的复杂性、不规则性,其外形一般多为自由形状 的曲面,难以用准确的数学解析方程进行描述,而且由于骨骼的康复再生过程是 一个动态过程,在这一过程中,骨骼局部材料特性表现为塑性等非线性和各向异 性的特征,其受力后的应力和应变的计算涉及到非线性计算问题,若想用理论分 析的方法进行求解难度极大,为了了解骨骼在受力状态下的应力、应变分布的情 况,以往多采用实验测试的手段进行,但是实验测试方法的缺点在于实验手段复 杂,进行多种载荷工况下的实验往往耗资巨大、周期较长、效率较低,而且由于 无法在人体上直接做实验,因此很难准确反应出骨骼各种不同受力情况下的应力 分布规律,为了解决这一闯题,近年来,研究

57、者大多采用数值计算的方法进行分 析,从而形成了一个新兴的学科领域计算生物力学,它以传统的力学分析理论 为基础,应用数值分析手段如有限元分析等,可以对各种形状的骨骼、器官等进 行线性和非线性的应力和应变分析。3.2髋关节三维有限元模型建立的意义以往对髋臼和股骨颈进行有限元分析,鉴于形状复杂,一般均对其作简化处 理,分析的结果必然引起误差。本研究通过cT扫描、即时存储,避免了数据 收集过程中关键信息的丢失;更重要的是,实现了整个建模过程的全数字化,最 大程度上保证了建模的准确性和精确性。为了使计算模型反应实际情况,建模时 以髋关节的实际形状为对象,建立髋关节的三维有限元模型。本研究采用三维十 结点

58、四面体实体单元进行网格划分,共划分为121239个结点、112491个单元, 外观整齐、逼真、网格适当,而且三维有限元图象还原性好,能从力学上真实代 表实物,对于今后研究髋关节及其解剖结构的生物力学行为、髋关节骨折、骨折 后治疗和髋关节置换术生物力学等方面有极其重要的意义。目前髋关节的研究,较多偏重于股骨上端髓腔、股骨假体的设计及股骨的测 量旧,而髋臼侧由于解剖结构的复杂性及患者个体差异性的存在,除了通过骨性 标志或x线片进行髋臼直接、间接测量cE角(股骨头中心点至靛臼顶外缘连线与 双侧股骨头中心点连线的垂线的夹角、外翻角及髋臼的深度等之外,很难对髋臼 作进一步量化处理。计算机辅助设计及图像技

59、术的发展,不仅能进一步准确重建 髋臼的解剖形态,而且还能达到对髋臼进行定量的测量。髋臼形态结构是髋关节 保持稳定、发挥正常运动功能、以及维持其软骨面良好受力状态的基础。在人工温州医学院硕士学位论文全髋关节置换术(THA中,髋臼假体的稳定固定也依赖于假体与髋臼窝周围骨结 构的密贴结合。然而,髋臼窝骨形态结构极为复杂,其中,臼窝内壁和边缘形态尤 其复杂,通常很难在大体解剖或x线片下作三维形态的定量分析。本文通过对髋关节cr三维重建,并对其生物力学的计算分析和实验力学的 方法得到的结果进行比较,来研究此种建模的可行性和准确性,基于此的解剖形 态特征和力学响应进行研究,旨在为临床应用提供相关的形态学和生物力学依 据。3.