PCL半月板支架有限元生物力学分析

发布时间：2020-07-23 18:06

【摘要】：目的重建膝关节三维模型,通过有限元分析法(Finite Element Analysis,FEA)评估分析PCL支架半月板替代物在膝关节中的生物力学变化。方法通过MRI扫描志愿者膝关节获取平面图像数据,利用Mimics建立包括股骨、胫骨、腓骨、股骨髁及胫骨平台关节软骨、内外侧半月板、韧带在内的完整膝关节三维几何模型,通过Abaqus进行模型离散,赋予材料属性、边界设定及负荷加载建立膝关节三维有限元模型,通过计算胫骨平台的接触面积与既往文献对比验证模型有效性。通过生物力学测试机测试PCL材料属性,PCL材料属性数值替换有限元模型中的半月板材料属性,建立PCL半月板的模型,计算在1400N股骨轴向压力下的半月板位移和接触压力变化。通过删除正常膝关节内侧半月板单元和节点,建立内侧半月板切除术后的膝关节三维有限元模型。计算和对比分析在1400N股骨轴向垂直压力下三种膝关节模型在股骨髁关节软骨和胫骨平台关节软骨的压缩应力变化。结果建立了包括股骨、胫骨、腓骨、股骨髁及胫骨平台关节软骨、内外侧半月板、韧带在内的完整膝关节三维有限元模型,在200N、400N、700N股骨轴向压力下计算胫骨平台关节接触面积与既往文献对比验证模型有效。在1400N股骨轴向压缩载荷下健康膝关节模型内外、侧半月板位移为0.83mm和1.76mm,PCL模型内、外侧半月板位移为1.15mm和2.20mm,健康膝关节模型胫骨平台和股骨髁关节软骨的最大接触压力分别为4.20MPa和4.14MPa,在PCL半月板模型胫骨平台和股骨髁关节软骨最大接触压力增加为4.63MPa和4.55MPa。在健康膝关节内、外侧胫骨平台关节软骨最大压缩应力分别为2.5MPa和1.7MPa,在内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力分别为2.7Mpa和2.1Mpa。在内侧半月板完整切除模型中,内、外侧胫骨平台关节软骨最大压缩应力分别为9.0MPa和7.0MPa,分别较健康模型增长260.0%和311.7%,内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力分别为8.5Mpa和7.8Mpa。分别较健康模型增长214.8%和271.4%。而当将内侧半月板替换为PCL的模型中,内、外侧胫骨平台关节软骨最大压缩应力分别为2.7MPa和1.8MPa,分别较健康模型增长8.0%和5.9%。内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力分别为3.0Mpa和2.2Mpa。分别较健康模型增长11.1%和4.8%。结论PCL材料支架在膝关节三维有限元模型中可达到具有较好的生物力学能力,并且能够大大降低半月板切除后股骨髁及胫骨平台关节软骨的应力,可达到保护关节软骨的目的,为PCL组织工程半月板的进一步研究提供了生物力学依据。
【学位授予单位】：锦州医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R684
【图文】：

二维图像,数据导入,胫骨,股骨

图 1 原始 DICOM 数据导入 Mimics17 软件中（1）股骨与胫骨几何模型的构建其中，骨松质灰度区域为 39-160，骨皮质的灰度区域为 0-25。并通过区域增长功能提取相应组织像素形成一个蒙板（mask）。然后利用图像编辑功能中的Draw 和 Erase 功能对蒙版进行修补和填充一些空洞，缺损和不规则的边界或者擦除不需要的部分，使图像更接近真实解剖结构。最后将分割出来的二维图像进行三维重建，获得膝关节模型的各个部件。初步生成的 3D 模型表面比较粗糙，为了达到较好的平滑效果，采用 Smooth 功能对其进行预处理，最终得到平滑后的三维模型。最后将三维模型以.stl 格式导出。Mimics 中导出的.stl 模型虽然在外观上为三维形式，但其不是实体结构，而是由许多小三角面片拼接而成。这就需要通过 Geomagic Studio 软件处理使其成为有由 NURBS 曲面表达的实体结构用于后续有限元的仿真模拟。在 GeomagicStudio 中主要用到“多边形”与“精确曲面”两个模块功能。

腓骨,图注,骨组织,胫骨

stl 文件导入 Geomagic 中后首先采用网格医生命令对其尖状物、自相交区域进行检查，点击“应用”进行修复。修复完成后模型仍然存在着各种缺陷，使用快速平滑功能进行平滑，然弛按钮，使用砂纸功能对模型表面仍存在的微小的凹槽和突起进行局部至其表面光顺。直到使用网格医生命令没有错误提示后，然后进行精确

软件优化,骨组织,膝关节,三维模型

图 3 膝关节骨组织经 Geomagic Studio 软件优化后的三维模型（2）半月板几何模型的构建半月板在 MRI 图像上的灰度值范围很窄（灰度区域为 0-39），与周围软度值差异不是很明显。为了较好的把半月板从周围软组织中分割出来，状位、矢状位、轴状位上利用软件的修剪蒙板功能对半月板蒙板进行裁利用动态区域增长功能提取内、外侧半月板的像素，分别形成内、外侧板。然后利用 Edit masks 的 Draw 和 Erase 功能对蒙板进行修补和填充和空洞，以及擦除一些不需要的部分。最后用 3D calculation 获得内、板的三维几何模型。经过初步平滑后从 Mimics 中以.stl 格式导出。然后omagic Studio 软件，对半月板三维模型进行网格优化、修饰、平滑。如。

【参考文献】