髖臼三柱三維有限元分析及形態(tài)學的實驗研究.pdf

1、目的：對比動物與人骨盆三維有限元建模及加載應(yīng)力分析特點，利用人骨盆三維有限元建模進行骨盆皮質(zhì)骨厚度測量，對人髖臼中柱力線區(qū)域進行實際解剖學測量，為髖臼三柱劃分提供解剖學、生物力學及進化論方面的參考依據(jù)和理論支持。 方法： 第一部分：基于CT掃描圖片，經(jīng)醫(yī)學影像處理及建模軟件Mimics10.0和Simpleware2.0建立起正常成人、實驗犬、恒河猴三種物種的骨盆三維實體模型，對比不同物種間骨盆的三維有限元模型結(jié)構(gòu)特點。

2、 第二部分：將動物與人的三維有限元模型導入大型有限元軟件Abaqus6.7.2中進行前處理并執(zhí)行有限元相關(guān)計算，根據(jù)動物與人的體重與活動特點，進行加載應(yīng)力模擬，人：采用L3錐體上表面豎直向下的均布載荷，行0N到500N，分五級進行逐級加載。將兩側(cè)股骨模型的下三分之一處進行6個自由度的全位移約束作為邊界條件，用來模擬人的正常站立位。犬：20.09N自股骨下三分之一處橫截面豎直向上加載。對標本各椎體棘突行6個自由度完全約束，用來模擬

3、犬類正常站立位。恒河猴：分為2次加載，載荷49N自L3椎體上終板表面豎直向下和載荷12.25N自股骨下三分之一處橫截面豎直向上加載。并分別對標本股骨中下三分之一行6個自由度完全約束，用來模擬靈長類雙足站立位。對標本各椎體棘突行6個自由度完全約束，用來模擬靈長類四足站立位。 第三部分：將正常人的骨盆CT掃描圖像以DICOM格式圖像導入Mimics10.01軟件中提取皮質(zhì)骨輪廓并導入Patran2005r2軟件構(gòu)建骨盆皮質(zhì)骨三維有限

4、元模型，測量骨盆皮質(zhì)骨厚度。選取50具人體干燥骨盆標本進行骨盆中柱力線區(qū)域的實際解剖學測量，測量結(jié)果進行統(tǒng)計學分析。 結(jié)果： 1)采用CT資料通過醫(yī)學影像處理及建模軟件。Mimics10.0和Simpleware2.0建立起正常成人、實驗犬、恒河猴三種物種的骨盆三維實體模型，其中實驗犬的骨盆三維有限元模型包括節(jié)點數(shù)45432個，單元數(shù)204312個，恒河猴的骨盆三維有限元模型包括節(jié)點數(shù)83170個，單元數(shù)379681個，

5、人的骨盆三維有限元模型包括節(jié)點數(shù)63920個，單元數(shù)259570個，模型有效，嚴格符合骨科解剖結(jié)構(gòu)，股骨頭相對髖臼可做各向活動，可以多方向觀察。模擬的各部分可分別顯示，并能進行各組成部分顯示其力學特性。 2)在Abaqus有限元軟件中，進行模擬加載應(yīng)力。比較實驗犬、恒河猴及人類三種不同生物的骨盆應(yīng)力傳導及最大應(yīng)力分布特點，發(fā)現(xiàn)：①實驗犬站立位時應(yīng)力自骶髂關(guān)節(jié)面經(jīng)髂骨向下傳導至臼頂，髂骨應(yīng)力分布均勻，臼頂處出現(xiàn)應(yīng)力集中并主要自股骨

6、頸向股骨方向傳導，少量向恥骨支方向傳導，應(yīng)力傳導途徑簡單。②恒河猴在雙足站立位時，應(yīng)力主要自髂骨關(guān)節(jié)面向臼頂及前壁方向偏中心性傳導，應(yīng)力在髂骨中央中下段處出現(xiàn)少量應(yīng)力集中，應(yīng)力分布相對均勻，臼頂處出現(xiàn)應(yīng)力集中，其后除向股骨方向傳導外，一束向恥骨支方向傳導，坐骨支方向傳導不明顯。四足站立位模擬加載應(yīng)力時，應(yīng)力自骶髂關(guān)節(jié)面沿髂骨內(nèi)、外側(cè)向臼頂方向傳導，髂骨中央未見明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，自臼頂、髖臼前壁出現(xiàn)應(yīng)力集中，其后除向股骨方向傳導外，一束向

7、恥骨支方向傳導，坐骨支方向傳導不明顯。③人類軀體重力自L3加載后，到達骶骨后經(jīng)骶髂關(guān)節(jié)前方自耳狀面前緣至弓狀線，沿弓狀線至恥骨上支、恥骨聯(lián)合為一支，后方自髂結(jié)節(jié)向髖臼臼頂前、上方傳導為第二支，后方自骶髂關(guān)節(jié)沿坐骨大切跡向臼頂、髖臼后壁并繼續(xù)向坐骨方向傳導為第三支。 3)基于人骨盆CT圖像建立的骨盆三維有限元模型測量髖骨皮質(zhì)骨厚度介于0.4404.00mm之間，皮質(zhì)骨較厚的部位為臼頂邊緣向上延伸至髂節(jié)結(jié)部位、髂嵴邊緣從髂前上棘經(jīng)髂

8、節(jié)結(jié)到髂后上棘、從耳狀面大切跡上方經(jīng)弓狀線、恥骨上支到恥骨聯(lián)合下方?；?0具干燥骨盆標本實際解剖學測量，顯示髂骨結(jié)節(jié)至臼頂?shù)闹兄€髖骨厚度明顯高于此區(qū)域的其他測量點，統(tǒng)計學分析顯示，各測量點實際解剖學測量結(jié)果有性別差別的統(tǒng)計學意義，而無左右測量差別的統(tǒng)計學意義。 結(jié)論及意義：中柱是人體骨盆的特化結(jié)構(gòu)，其存在與人直立行走的特征密切相關(guān)，是在從猿到人的長期進化中逐漸形成的。髖臼三柱概念與髖臼的力學功能和形態(tài)結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一，是人類長期