人体膝关节有限元模型建立及其有效性验证

发布时间：2019-08-17 17:24

【摘要】：建立了人体膝关节三维数字化模型,为膝关节损伤的数字化研究奠定基础;并基于有限元理论探讨、研究了膝关节损伤发生的力学机制。利用膝关节的核磁共振图像,采用专业的医学建模软件,基于3D插补法,重建膝关节三维数字化模型。建立的完整的人体膝关节三维有限元模型包括骨骼、韧带、软骨等14个主要力学承载部件,结构完整、形态逼真。本文所建的模型高度模拟了膝关节的结构与材料特性,具有空间结构测量准确性高、单元划分精细等特点。通过应力和应变测试验证了模型的有效性,模型可以重复使用,可以用此模型来研究膝关节损伤的力学机制。
【图文】：

骨的网格更密，以便重点计算软组织的应力、应变情况，节省了计算机资源。(a)导入软件的MRI图像(b)股骨蒙版(蓝色)(c)胫骨蒙版(粉色)(d)前交叉韧带(黄色)(thekneeMRIimage)(thefemarmask(blue))(thetibiamask(powder))(theanteriorcruciateligament(yellow))(e)前交叉韧带和部分后交叉韧带(黄色)(f)后交叉韧带(黄色)(g)股骨软骨(绿色)(h)胫骨软骨(黄色)(theanteriorcruciateligamentand(theposteriorcruciateligament(yellow))(thefemoralcartilage(green))(thetibialcartiloge(yellow))someposteriorcruciateligament(yellow))图1膝关节各个组织的蒙版Fig.1Themaskofeachtissueoftheknee(a)正面(anteriorview)(b)后面(posteriorview)图2首次生成的模型Fig.2Themodelofthefirstgeneration(a)正面(anteriorview)(b)侧面(lateralview)图3修改后的膝关节模型Fig.3Themodifiedkneejointmodel(a)正面(anteriorview)(b)后面(posteriorview)图4光滑后的膝关节模型Fig.4Themodelofthekneeaftersmoothing(a)正面(anteriorview)(b)后面(posteriorview)图5膝关节有限元模型Fig.5Thefiniteelementmodelofkneejoint对胫骨施加134N向前的推力后，发现胫骨平台位移为4.30mm，如图6所示。在同样载荷条件下，文献[12]得出的结论为4.83mm，文献[4]测量结果为4.75mm，文献[13]为5.0mm，文献[14]为4.6mm，虽然各自结果略有差异，但是胫骨平台移动的趋势和量级是一致的。从图6中也可以看出胫骨前移时，前交叉韧带中的等效应力为19.57MPa，后交叉韧带中为11.39MPa，和临床结论前交叉韧带主要限制胫骨前移的作用是相符的，验证了该模型的有效性。对胫骨下端依次施加体重3.47倍、4.24倍、5.27倍的方向向上的压力时，胫骨软骨的应力峰值为2.39MPa、2.81

骨的网格更密，以便重点计算软组织的应力、应变情况，节省了计算机资源。(a)导入软件的MRI图像(b)股骨蒙版(蓝色)(c)胫骨蒙版(粉色)(d)前交叉韧带(黄色)(thekneeMRIimage)(thefemarmask(blue))(thetibiamask(powder))(theanteriorcruciateligament(yellow))(e)前交叉韧带和部分后交叉韧带(黄色)(f)后交叉韧带(黄色)(g)股骨软骨(绿色)(h)胫骨软骨(黄色)(theanteriorcruciateligamentand(theposteriorcruciateligament(yellow))(thefemoralcartilage(green))(thetibialcartiloge(yellow))someposteriorcruciateligament(yellow))图1膝关节各个组织的蒙版Fig.1Themaskofeachtissueoftheknee(a)正面(anteriorview)(b)后面(posteriorview)图2首次生成的模型Fig.2Themodelofthefirstgeneration(a)正面(anteriorview)(b)侧面(lateralview)图3修改后的膝关节模型Fig.3Themodifiedkneejointmodel(a)正面(anteriorview)(b)后面(posteriorview)图4光滑后的膝关节模型Fig.4Themodelofthekneeaftersmoothing(a)正面(anteriorview)(b)后面(posteriorview)图5膝关节有限元模型Fig.5Thefiniteelementmodelofkneejoint对胫骨施加134N向前的推力后，发现胫骨平台位移为4.30mm，如图6所示。在同样载荷条件下，文献[12]得出的结论为4.83mm，文献[4]测量结果为4.75mm，文献[13]为5.0mm，文献[14]为4.6mm，虽然各自结果略有差异，但是胫骨平台移动的趋势和量级是一致的。从图6中也可以看出胫骨前移时，前交叉韧带中的等效应力为19.57MPa，后交叉韧带中为11.39MPa，和临床结论前交叉韧带主要限制胫骨前移的作用是相符的，验证了该模型的有效性。对胫骨下端依次施加体重3.47倍、4.24倍、5.27倍的方向向上的压力时，，胫骨软骨的应力峰值为2.39MPa、2.81
【作者单位】： 天津体育学院体育教育训练一系;天津体育学院天津市运动生理与运动医学重点实验室;天津体育学院体育文化传媒系;
【基金】：国家自然科学基金(11372223;11102135) 天津市应用基础与前沿技术研究计划项目(14JCYBJC29300;13JCYBJC25000) 天津市自然科学基金(17JCZDJC36000)
【分类号】：R684;TP391.41

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本文编号：2527924