标准步态下骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义论文

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1、标准步态下骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义论文汪光晔，张春才，许硕贵，任可【关键词】骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力Threedimensionalfiniteelementpelvicmodelingduringstandardgaitanditsbiomechanicalsignificances【Abstract】AIM:Toconstructathreedimensional(3D)finiteelementpelvicmodeluscleandacetabularcontactforcesduringstandardgait.METHODS:An

2、ormalpelvisfromanadultmalesubjectagesofeverycrosssectionodelincludingboththreedimensionalpelvicmuscleandacetabularcontactforcesduringstandardgaitentpelvicmodelclearlyreflectedtherealpelvicanatomyandbiomechanicalbehavior,especiallythemuscleforceandhipcontactforce.Themodelentpelvicmodelprovi

3、desbasicdataodelingeithernormalloadsorstressesandstrains,ortheeffectsofabnormalconditions.【Keyensionalfiniteelement;acetabularcontactforce;pelvicmuscleforce【摘要】目的：构建包含骨盆肌肉及头臼作用力的标准步态下骨盆三维有限元模型.方法：选择标准成年男性志愿者行骨盆CT扫描成像得到骨盆每层横截面图像,运用Mimics软件行三维重建，利用有限元分析软件PATRAN2005R2构建髋臼三维有限元模型,并将标准步态中肌肉收缩力及

4、头臼作用力也设计到该模型中.结果：所构建髋臼模型共划分为113028个结点、137524个单元,模型模拟了骨盆皮质骨、松质骨、关节软骨以及股骨头结构的材料特性.所建模型结构完整，空间结构测量准确度高，单元划分精细，重点突出.freeleZoomCT机；③DELL工作站；④Mimics软件；⑤Patran2005r2软件；⑥格式存入CT机，刻录光盘，从而得到表示骨盆每层横截面的图像.②步骤二：将上述以DIM格式存储的图像导入Mimics软件，设定门槛下界灰度值为270，上界不限.通过Regiongroics图像识别分割建模软件和PATRAN有限元专用软件，将薄层CT横断面图像

5、进行分割识别，建立了适合生物力学研究的髋臼三维有限元模型(表4，图1)，肌肉的生理附着点被绘制到有限元网格中，并由肌肉的远近端的附着点获得肌肉收缩力的方向，并兼顾髋关节的屈伸角度对远端生理附着点的坐标影响(图2).髋臼三维有限元模型共划分为113028个单元，137524个节点.股骨头采用四节点tet10单元，共划分为37090个单元50392个节点.松质骨模型在髂骨中央有椭圆形孔，及髂前下棘处有缺失，既该两处为皮质骨充满.旋转观察模型形态与骨盆解剖形态具有满意的相似性，可任意切割和调整几何及材料参数以模拟不同临床与实验状态.表4模型的有限元如下表略2.2模型的受力分析模拟

6、步态4髋关节的头臼之间的作用力及附着在骨盆上的22块肌肉的收缩力对模型进行加载.得到该情况下髋臼的力场分布(图3).结果显示：主应力集中在髋臼软骨的臼顶区，传递至软骨下骨后，沿弓状线及臼顶的外上皮质至骶髂关节.3讨论3.1骨盆有限元模型的应用1995年Dalstra等首次详细报告了骨盆三维有限元模型.2000年Garcia等应用三维有限元对内固定后的骨盆进行应力分析，研究骨盆骨折后不同固定对其稳定性的影响；2006年YePa)，软骨的峰值出现在臼顶内侧区(4.1kPa).本研究的意义说明,所构建的髋臼三维有限元模型可以分割,可以进行受力的分析.3.4标准步态下骨盆三维有限元

7、模型建立的意义骨盆肌肉的收缩力的大小、部位及方向与髋臼的接触力对于髋关节异常情况(如畸形、手术)的模拟非常重要.完整地了解髋臼接触力与骨盆肌肉收缩力力学机制有助于进一步模拟髋关节力学行为、解剖学与手术后改变的影响，以往对髋臼进行有限元分析,鉴于形状复杂,载荷条件复杂，一般均对其作简化处理,先前的模型很少有髋关节接触力的三维模拟，或是没有对附近肌肉负荷的三维模拟［1-3,9］.髋关节周围的实验及理论力学模型运行时都是在缺乏肌肉收缩力的影响上得出的结果，因此分析的结果必然引起误差［5］，了解髋关节的接触与跨髋关节肌肉作