踝关节三维有限元模型的建立与其损伤的力学分析

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1、中文摘要最大能承受人体5倍体重的压力)模拟坠落伤时，踝关节中立位相时，各组成骨所承受的应力和位移情况。通过观察所得踝关节各部的形变图、应力云图和位移图变化，判断哪些部位最容易发生骨折。并将其与临床统计数据和已有的生物力学理论对比，验证模型的有效性。结果：本实验成功建立了包括胫腓骨中下1／3段和距骨的踝关节数字有限元模型。采用10节点四面体solid92模拟骨组织，仅受压杆单元link8模拟关节软骨；网格划分尺寸为7mm。建立了共包含11603个单元，17882个节点的踝关节的数字模型。得到了正常生

2、理状态下，中立位相时静止站立及高空坠落情况下，踝关节各组成骨所发生的形变图、应力云图和位移图，并以形象、直观的彩图形式展示结果。踝关节在正常生理情况下，中立位静止站立时(只承受自身重力时)，最大应力区集中在胫骨中下段前内侧皮质、胫骨远端关节面外侧部和髁间线前部、距骨滑车外侧部、内踝；最大位移在距骨头；逐渐增加载荷，至相当正常人体6倍体重时，踝关节各部所受应力均逐渐增加；其中胫骨中下段最大应力集中区由前侧皮质移动至内侧皮质。这与汤欣的四柱分型理论相符合。，结论：l利用CT扫描原始数据建立了踝关节三维

3、可视化模型。2建立了包括胫腓骨中下1／3及距骨的踝关节三维有限元模型。3分别模拟中立位相静止站立以及高空坠落的工况，对踝关节各组成骨进行有限元分析，得到了踝关节各组成骨的形变图、VonMises应力云图以及位移图。从图上可以看出，中立位相时，踝关节各组成骨所受应力主要分布在胫骨远端关节面外侧、髁间线前部、距骨滑车的外侧、内踝和胫骨中下段前缘。这完全符合汤欣的四柱理论。临床统计数据也表明，踝关节损伤中以胫骨远端关节面外侧、内踝最多见。与本实验结果相符。从而间接证实了本有限元模型的有效性，为踝关节损伤

4、病因学研究提供一定的理论支持。也为后续的生物力学相关研究提供了一个二次开发的数字平厶口a关键词：踝关节数字模型；有限元分析；生物力学研究；踝关节损伤英文摘要TheEstablishmentof3．DFiniteElementModelofankleandFiniteelementmechanicalanalysisofinjuryABSTRACTObjective：Theanklejointisthelastoneofalltheweight-bearingjoints，SOitisoftenin

5、juriedduringphysicalsportsbecauseofitsspecialanatomicstructureandcomplicatedlocomotorymechanism．Thestudycreatedathree—dimensionalnumericalmodelofanklejoint(Finiteelementmodel)bycollectingoriginaldataoftheanklejointfromCTscanner,reconstructinga．three—d

6、imensionalmodelandcreatingthefiniteelementassemblymodeloftheanklejoint，thenproceededthefiniteelementanalysisofthecomponentpart．Inordertodiscusstheregulardistributionpattemofvonmisesstressanddeformedshapeoftheanklejoint，provethevalidityofthemodelbycomp

7、aringwiththefiniteelementanalysisofotherthree—dimensionalanklejointmodelandtheclinicalstatisticaldatas．，explainthemechanismofanklejointinjury,providethetheoreticalsupportforthemechanismofanklejointinjury．Methods：AChinesehealthyfemalevolunteerwasselect

8、ed，whowas34一year-old，164cm，60kg，withoutrecordofexternalinjuryorabnormalities，aCTscanwasofferedonherrightanklejointwithatotallengthof16．625cm(fromthemiddle—inferior1／3segmentoftibiofibulatofootsole)．ThespiralCTscannerlightspeed16camefromAmerica