人体髋关节三维有限元模型的建立及其生物力学意义

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1、人体髋关节三维有限元模型的建立及其生物力学意义【摘要】目的:构建正常人体髋关节的三维有限元模型，作为该部位进一步有限元分析的基础。方法:采用活体髋关节为标本，应用CT扫描技术及图形数字化方法获取髋关节的三维坐标，输入有限元分析软件，并通过确定材料特性参数和网格化，建立髋关节的三维有限元模型。结果:所构建髋关节三维有限元模型客观反映髋关节真实解剖形态及其生物力学行为，还原性良好，可以满足有限元分析的需要。结论:采用CT扫描资料建立的三维有限元模型切实可靠，实体建模法将有限元模型的几何特征和边界条件的定义与有限元网格的生成分开进行，减少了模型生成的困

2、难。所构建的髋关节三维有限元模型，可以为髋关节力学行为以及骨折内固定、髋关节成型术的力学基础研究提供精确模型。【关键词】髋关节三维有限元模型生物力学有限元分析CTAbstract:Objective:Toestablishathree-dimensionalfiniteelementmodelofnormalhumanhipasafoundationoffiniteelementanalysisinthisarea.Methods:Normalhipjointinvivoen.CTscanensionalcoordinateofthehipjoi

3、ntentanalysisdeterminingpropertyparameterofmaterialandmeshing,athree-dimensionalfiniteelementmodelofthehipjointensionalfiniteelementmodelofnormalhumanhipjointobjectivelyreflectedtherealhipjoint'sanatomyandbiomechanicalbehaviorandcouldsatisfytheneedoffiniteelementanalysis.Conc

4、lusion:Itensionalfiniteelementmodelulaterealandplicatedgeometryfigureaccurately.Bythemethodofbuildingthethree-dimensionalfiniteelementmodeldependsonentity,definebordercondition,determinethegeometrycharacteroffiniteelementmodel,andmeshesthemodel,respectively.Thedifficultyofbui

5、ldingthefiniteelementmodelcanbereduced.Theconsructionofthree-dimensionalfiniteelementmodelofnormalhumanhipjointprovidesbasicdataforresearchonmechanicalbehaviorofhipjoint,internalfixationafterfractureandhiparthroplasty.Keyensionalfiniteelementmodel;biomechanics;finiteelementan

6、alysis;putertomography近年来，医学与工程力学的结合，使分析有限元作为一种较新的生物力学研究手段，逐渐应用到医学领域。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假体的内部应力分布及定量分析应力集中等[1]。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构的复杂性和特殊性，本研究旨在探讨利用CT扫描技术，取得

7、正常髋关节的各种结构的三维坐标值，在有限元分析软件中采用实体建模，从而建立起正常髋关节的有限元模型，并对材料特性和网格大小等参数设定进行探讨，以期为髋关节损伤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[2,3]。1材料和方法1.1材料和设备①选择1名健康自愿者作为对象，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。②西门子SOMATOMVolumeZoomCT机。③UnigraphicsNX2.0、SolidOSPa，泊松比0.3；软骨下皮质骨弹性模量2000MPa，

8、泊松比0.3；松质骨弹性模量70MPa，泊松比0.2[4，5]。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