标准步态下骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义

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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作者：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

2、.METHODS:Anormalpelvis　fromanadultmalesubjectagesofeverycrosssectionodelincludingboththreedimensionalpelvicmuscleandacetabularcontactforcesduringstandardgaitentpelvicmodelclearlyreflectedtherealpelvicanatomyandbiomechanicalbehavior,especiallythemuscleforceandhipcontactforce.Themodelen

3、tpelvicmodelprovidesbasicdataodelingEithernormalloadsorstressesandstrains,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PATRAN2005

4、R2构建髋臼三维有限元模型,并将标准步态中肌肉收缩力及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，尤其肌肉及头臼作用力加载模拟形象、逼真，客观反映髋臼真实解剖形态结构和生物力学特点.结论：构建的髋臼三维有限元模型为正常髋臼或异常髋臼力学研究提供可循模型.　　【关键词】　骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力　　0引言　　对于髋关节的生物力学的研究，有必要了解跨髋关节肌肉的收缩力的大

5、小方向及部位，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，虽然有　1.2方法　　1.2.1骨盆三维有限元模型构建具体可以分为3个步骤①步骤一：对一成年男性志愿者（40岁）的骨盆进行CT断层成像；在CT成像过程中要志愿者在骨盆纵轴方向保持不动，每隔1mm层厚扫描一次.所得图像以DIM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

6、用软件，将薄层CT横断面图像进行分割识别，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

7、有限元如下表　略　　2.2模型的受力分析模拟步态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Ye.完整.操作过程使图像失真减少到最小.以往［4-5］建立骨盆三维有限元模型采用的CT胶片扫描或

8、照相技术,