基于CT數(shù)據(jù)建立髖關(guān)節(jié)三維有限元模型及正立位下的應(yīng)力分析.pdf

1、目的:髖關(guān)節(jié)是人體最大、關(guān)節(jié)窩最深、最典型的杵臼關(guān)節(jié)，由于負(fù)重且活動(dòng)范圍大，髖關(guān)節(jié)損傷的發(fā)病率逐年增加，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。分析髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性是推斷損傷機(jī)制及指導(dǎo)治療的重要途徑。本研究基于CT數(shù)據(jù)對正常髖關(guān)節(jié)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，然后對重建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性設(shè)定生成有限元模型，再進(jìn)行力學(xué)分析。以數(shù)字技術(shù)來揭示髖關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析生物力學(xué)特性，探討易損傷部位。對髖關(guān)節(jié)損傷的發(fā)生機(jī)制、預(yù)防、治療及康復(fù)訓(xùn)練提供理論基礎(chǔ)

2、。
　　方法:選取一名成年健康男性作為模擬對象，利用螺旋CT采集髖關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)。CT掃描范圍包括髖骨、骶骨及股骨上段結(jié)構(gòu)，將掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式儲(chǔ)存入可讀寫光盤。在Mimics14.0軟件內(nèi)使用閾值調(diào)整工具、區(qū)域增長工具、選擇性編輯工具和Remesh功能，基于CT數(shù)據(jù)重建髖骨、骶骨及股骨上段的三維模型，并將模型劃分面網(wǎng)格和體網(wǎng)格。然后，將模型導(dǎo)入Ansys13.0中設(shè)定材料屬性，重劃網(wǎng)格，設(shè)置髖臼和股骨頭的接觸關(guān)系，對股骨上段下端

3、橫斷面進(jìn)行約束，在髖骨骶髂關(guān)節(jié)面處對模型進(jìn)行加力。以300N施加軸向力模擬正立位下髖關(guān)節(jié)的負(fù)重載荷，分析其形變及力學(xué)特征。依據(jù)受力特點(diǎn)，確定髖關(guān)節(jié)易損傷部位，提出預(yù)防措施。
　　結(jié)果:
　　1將正常志愿者的CT圖像以DICOM格式導(dǎo)入MIMICS14.0軟件，經(jīng)過設(shè)定閾值，提取蒙板，分割，修補(bǔ)以及表面光滑處理，成功的建立了雙側(cè)髖骨、骶骨和股骨上段的三維幾何模型。
　　2對所建模型進(jìn)行面網(wǎng)格、體網(wǎng)格劃分，最后生成三維網(wǎng)格

4、模型。髖骨骨密質(zhì)節(jié)點(diǎn)數(shù)為132275個(gè)、單元數(shù)為76394個(gè);髖骨骨松質(zhì)節(jié)點(diǎn)數(shù)為57138個(gè)、單元數(shù)為30968個(gè);股骨骨密質(zhì)節(jié)點(diǎn)數(shù)為62111個(gè)、單元數(shù)為34392個(gè);股骨骨松質(zhì)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32659個(gè)、單元數(shù)為18911個(gè)。
　　3在Ansys13.0中對股骨上段下端橫斷面進(jìn)行約束、沒有位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，在髖骨骶髂關(guān)節(jié)面處進(jìn)行加力300N，計(jì)算髖骨、股骨受力情況，輸出應(yīng)力分布云圖，測量各區(qū)等效應(yīng)力大小，得出髖關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布情況:

5、　　正立位下，髖骨的弓狀線、髖臼后上方、股骨頸內(nèi)、外側(cè)，尤其是內(nèi)側(cè)小轉(zhuǎn)子上方，相當(dāng)于股骨距部分應(yīng)力分布比較集中;大轉(zhuǎn)子頂端的應(yīng)力水平較低。
　　結(jié)論:
　　通過本實(shí)驗(yàn)，我們得出以下結(jié)論:
　　1基于CT圖像DICOM數(shù)據(jù)通過Mimics14.0和Ansys13.0軟件可重建出人體髖關(guān)節(jié)的髖骨、骶骨及股骨上段等結(jié)構(gòu)的三維可視化立體模型和有限元模型。三維模型解剖結(jié)構(gòu)與正常人體完全相符，有限元模型劃分單元合理，賦值準(zhǔn)確，可以