基于骨骼材料分布特征的髋关节有限元模型建立及其应力分析

发布时间：2021-11-08 18:50

　　目的建立包含韧带的髋关节有限元模型,分析其在单腿站立情况下的应力分布情况及传递趋势,以期为髋关节内固定术、置换手术以及其他髋关节力学基础研究提供精确模型和依据。方法通过CT扫描获得人体髋关节的DICOM数据,导入软件Mimics10.0,以每块骨骼10种材料属性来模拟骨骼材料的各向异性特征来进行三维重建。然后将初始模型导入软件Hyperworks12.0,以多节点的弹簧单元模拟韧带束结构,建立包含髂股韧带、耻股韧带、坐股韧带的髋关节有限元模型,分析该模型在单腿站立载荷作用下的应力分布情况。结果在该载荷作用下,髋骨的应力在坐骨大切迹、弓状线区域及耻骨支区域分布较为集中,髋臼的臼顶处应力最大;股骨近端的应力在股骨头、股骨颈的内侧区域及上方区域、小转子下方的股骨干区域以及大转子下方的股骨干区域分布较为集中;髋骨内侧主要承受压应力,外侧主要承受拉应力;股骨头上侧区域、股骨颈外侧、股骨干外侧受拉应力,股骨头下侧区域、股骨颈内侧、股骨干内侧受拉应力。结论三维重建得到的髋关节有限元模型准确性较高,力学分析得出的应力集中区域与骨小梁分布致密区域相近,可为进一步探讨髋关节的生物力学特性,及临床骨盆骨折治... 

【文章来源】：北京生物医学工程. 2020,39(05)

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

髋骨及股骨近端初步模型

赋予材料属性的有限元模型

为了进一步使得模型更加接近实际的生理解剖结构，在进行髋关节股骨近端及髋骨装配后，建立髂股韧带、耻股韧带及坐股韧带。以Hyperworks12.0软件中的弹簧单元进行模拟，弹簧单元刚度赋值见表2。根据各个韧带起止点在实际解剖结构中的位置，于模型表面选取相应的节点建立弹簧单元。传统的骨骼韧带建模方式较多采用抓取韧带两侧节点的方式建立多条弹簧单元，这样建立的韧带模型涉及弹簧单元数量众多，且建模不方便。本文采用rbe3单元抓取弹簧单元两端附近区域的节点，每个弹簧单元两端选取12～15个从节点，自动计算生成主节点，并以各个主节点为中心连接建立弹簧单元，相当于将多个弹簧单元相并联，合成一组，建立出的模型结构简明清晰，且与实际解剖中的韧带束结构较为相似。三维模型中，红色弹簧单元为髂股韧带[图4(a）]，蓝色弹簧单元为耻股韧带[图4(b）]，黄色弹簧单元为坐股韧带[图4(c）]，弹簧单元刚度设置如表2所示[7]。最终整个髋关节的三维有限元模型见图4(d），其中髋骨模型共划分为20 973个节点、85 747个单元，股骨近端模型共划分为14 350个节点、40 917个单元。

【参考文献】：
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本文编号：3484027