人体膝关节有限元建模及损伤生物力学探索性研究

发布时间：2017-04-25 07:05

  本文关键词：人体膝关节有限元建模及损伤生物力学探索性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：一、背景和目的 在道路交通事故中,人-车碰撞引致行人下肢损伤占了绝大多数。膝关节作为人体下肢最大、最复杂的关节,在下肢交通伤中十分常见。 人体致伤方式的推断和损伤过程的重建是法医病理学实践中常见的难题。尤其在交通事故的鉴定中,对被鉴定人的交通伤、自身疾病等情况与其死亡之间的关系进行分析,是法医病理学损伤鉴定中需面对的客观问题。本研究的目的是为了让法医鉴定人在法庭上,提供人体交通伤的致伤方式、损伤机制及还原碰撞过程的一些参考依据,结合医学影像学和有限元分析技术,构建接近真实人体的虚拟模型,通过人体虚拟模型进行模拟碰撞实验,比较模型碰撞前后的受力变形、应力及应变等人体生物力学上的变化,将可有助法医鉴定人对交通事故中的人体损伤进行有效的分析。 目前国内在人体损伤的研究都是基于临床或康复治疗上的考虑,对膝关节因机械暴力作用所引致的损伤,膝关节内部结构的破坏过程,以及膝关节损伤过程对软组织结构的作用方面关注甚少。在部分研究中,膝关节模型结构较精简,欠缺皮肤、周边的肌肉软组织及韧带结构,模型部件的料属性亦较单一；利用尸体的膝关节组织进行生物力学测量,所获得的数据与真实膝关节组织的生理状态相比有一定的差距。国外在人体交通事故中损伤的研究上,虽有不少的较完善的人体膝关节有限无模型,包括了膝关节主要的骨性结构、韧带和半月板软骨等,然而部分模型的设计仍未能针对人体生理结构的复杂性进行表达,因此深化有限元膝关节模型的构造、参照客观真实的物理环境条件,以获取更精确的损伤模拟结果,让损伤形态更接近真实情景,将有助法医病理学工作者分析膝关节损伤机制及推断致伤方式,节省鉴定耗时。 二、材料和方法 1.人体膝关节三维有限元模型的建立收集一名已排除膝关节病史的男性志愿者的影像学数据。采取仰卧位平躺于CT机检查床上,螺旋扫描范围从股骨下段1/3至胫骨上段1/3处,扫描层厚为0.625mm,共获取人体膝关节图像262层,图像以DICOM格式保存,将DICOM格式的膝关节CT影像学数据导入至Mimics15.0医学影学建模软件中,进行骨性结构以及各软组织结构的描绘,对描绘后的膝关节部件进行平滑处理,以STL文件格式导出。 在3-matic6.1CAD编辑软件下,导入STL格式的膝关节部件,对各韧带进行优化,通过比对CT医学影像资料中的数据,进行解剖位置、厚度及长度等校正,使用3-matic6.1CAD编辑软件中的自我检查功能,对导入的膝关节部件进行三角形网格的反复检查和修正,把漏洞和错误降至最底以附合网格划分软件的要求为止。 经修正后将部件导入至ICEM12.0专业网格划分软件,选择自动网格生成工具,对膝关节模型各部件进行四面体网格的自动划分,再对划分后的网格进行质量检测,以0.45质量的标准,对网格质量进行纠正,力求以最多的网格达至质量标准,经过反复的检查后,导出膝关节部件为ABAQUS有限元分析软件的INP文件格式。 把已优化网格的膝关节部件,导入ABAQUS6.12有限元分析软件,在该软件下进行材料属性、组装、固定、接触、加载与约束的设置。根据现有的文献资料对各个部件分别设置材料属性参数,添加现实环境下人体体重、重力、摩擦力等物理加载,以及各组织在膝关节中的相互固定点和接触对,膝关节整体的运动约束。经过运算软件反复的迭代计算后,对模拟运算后的结果进行检查,使结果达至收敛为止。 2.人体膝关节三维有限元模型的验证 三点折曲验证：依据文献对骨的两端进行固定,一端加载为6000N,设置直径为12mm的碰撞物碰撞长骨中段,碰撞方向垂直于长骨长轴,压力加载为400N,长骨与碰撞物之间定义为无摩擦,利用静态测试,以排除应变率及惯性的影响,与文献实验数据进行比对,分别收集股骨、胫骨、腓骨及髌骨的在垂直碰撞后的应力、应变、变形和受压范围,检查上述结果的收敛性,将检查后的结果与文献报道中的结果相对比,以验证骨骼有限元部件再现损伤的可能性。 膝关节抽屉试验的验证：参照文献先在股骨上端施加1150N的轴向压力,使股骨垂直向下压迫半月板软骨及胫骨平台,而胫骨及腓骨的下段施加约束以作固定,在股骨远端施加一水平方向力大小为134N,使股骨远端向前移动不超过4.75mm,向后移动不超过5mm,对各组织间的接触面定义为无摩擦,收集前交叉韧带、后交叉韧带、外侧副韧带和内侧副韧带的应力、应变结果。检查上述结果的收敛性,将抽屉试验所产生的应力结果与文献报道中的应力结果相对比,以验证膝关节有限元模型稳定性。 3.人体膝关节三维有限元模型在交通事故中的应用 模拟侧面碰撞致软组织损伤的有限元分析：使用上述经过验证的人体膝关节有限元模型,导入有限元分析软件ABAQUS,分别设置以10m/s,20m/s,40m/s的速度对膝关节有限元模型进行侧面的撞击,收集碰撞后的应力、应变和碰撞时间等结果,检查收集结果的收敛性,经反复的碰撞使结果稳定为止。将上述收集的应力和应变结果,与文献的极限应力(36.4M Pa)和极限应变(0.15)相比较,以此推断行人站立位人体膝关节软组织,在碰撞后损伤的可能范围和严重程度。 模拟自行车骑行者膝关节软组织损伤的有限元分析：使用上述经过验证的人体膝关节有限元模型,导入有限元分析软件ABAQUS,固定膝关节有限元模型胫骨、腓骨和周边肌肉的的下端,先对膝关节有限元模型加载体重的压力,后对股骨的上端施加150N水平后后的拉力。经反复屈曲实验后,收集应力、应变的结果,检查收集的结果并达至收敛为止,将检查后的结果与文献进行相关软组织的应力、应变的正常值相比较,预测骑行者人体膝关节软组织,在屈曲状态下软组织损伤的可能性。 三、结果 1.建立由58448节点、269508四面体单元构成的人体膝关节三维有限元模型,包括了膝关节主要的骨骼、韧带、半月板软骨以及周边的肌肉软组织等。此模型一定程度上呈现了膝关节软组织的生理复杂性,可作有限元分析软件的计算。本研究的有限元模型网格数量较多,接触对的设置较复杂,建模过程中的检查较多,通过预实验中发现,大量高质量的四面体网格能提供稳定的运算结果,受力分布连续；接触对的设置,可避免碰撞接触时网格穿透现象；建模过程中多次的检查,使运算结果更准确。 2.三点折曲验证骨性组织实验中发现,膝关节骨折情况在受力范围、变形和应力表达等结果与文献结果接近；膝关节抽屉验证软组织实验中发现,前交叉韧带、外侧副韧带和内侧副韧带的应力与文献数据接近,证明本研究构建的膝关节有限元模型具有可靠性。 3.人体膝关节三维有限元模型的侧面碰撞结果显示,膝关节周边的肌肉软组织在低速的碰撞中,起到保护内部组织的作用；当碰撞速度高于20m/s时,部分的韧带组织和半月板软骨损伤的风险开始增加；至40m/s的高速度碰撞时,膝关节中绝大部分韧带、半月板软骨等组织均严重受损。 4.人体膝关节三维有限元模型的屈曲结果显示,膝关节在正常的屈曲过程中,各韧带组织的应变值与文献正常值接近,一定程度上说明人体膝关节韧带屈曲时的拉伸远较碰撞所致的要少,以此推论屈曲状态下韧带受损的可能性。 四、结论 1.本研究成功建立了人体膝关节三维有限元模型,在道路交通事故法医学鉴定上,对膝关节损伤机制的推导和致伤方式的判断,提供了一定的研究基础。 2.本研究将人体膝关节三维有限元模型进行验证,在三点折曲验证骨性结构及抽屉试验验证软组织的结果与文献比较接近,证明了本研究模型的有效性。 3.研究中发现应力、应变多集中在韧带的两端与文献报道的结果吻合,有限元模拟运算的结果能客观地反映膝关节在碰撞前后形态、应力、应变的变化过程和组织损伤的范围,为人体膝关节碰撞损伤的鉴定提供客观科学的依据。 4.本研究的不足与展望。 由于有限元分析软件的限制,本研究未有对韧带张力、接触力作结果的输出；半月板软骨部件的简化处理,对半月板承受股骨和胫骨的压力虽影响不大,然而对后续张力、接触力的结果测量将会带来影响。因此随着研究技术的进一步提高,分析软件不断的完善,本研究将以更多的碰撞速度、更全面的屈曲角度,从静态有限元元分析过渡到动态的有限元分析。 五、创新部分 本研究创新部分如下： (1)针对目前国内外膝关节损伤研究中的不足,添加周边肌肉软组织,用以反映周边肌肉软组织对膝关节碰撞时的作用； (2)提高网格的质量标准,提供更准确的模拟结果； (3)文献研究多认为内侧副韧带容易在膝关节承受侧面碰撞时受损,本研究结果反映出外侧副韧带远较内侧副韧带容易受损。
【关键词】：法医病理学 致伤方式 损伤机制 有限元分析
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R684
【目录】：

• 摘要5-10
• ABSTRACT10-16
• 第一章 人体膝关节三维有限元模型的建立16-44
• 1. 膝关节有限元模型的建立17-23
• 2. 韧带模型部件的优化与网格划分23-32
• 3. 人体膝关节有限元模型的组装与参数设置32-40
• 4. 固定、加载与约束设置40-41
• 参考文献41-44
• 第二章 人体膝关节三维有限元模型的验证44-54
• 1. 骨的三点折曲验证实验44-48
• 2. 膝关节模型的验证实验48-52
• 参考文献52-54
• 第三章 人体膝关节三维有限元损伤模型在交通事故的模拟54-66
• 1. 模拟侧面碰撞致软组织损伤的有限元分析55-61
• 2. 模拟自行车骑行者膝关节损伤的有限元分析61-63
• 参考文献63-66
• 第四章 不足与展望66-67
• 课题综述67-83
• 参考文献76-83
• 成果83-84
• 致谢84-85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张美超,赵卫东,原林,李鉴轶,唐雷,钟世镇;建立数字化虚拟中国男性一号膝关节的有限元模型[J];第一军医大学学报;2003年06期

2 董启榕,郑祖根,龚建平,宦坚,王以进;股四头肌对髌股关节影响的临床和实验观察[J];骨与关节损伤杂志;2000年02期

3 李强一,张秋琴,韩擎天,王以进;股骨远端骨折三种内固定方法生物力学比较研究与临床应用[J];骨与关节损伤杂志;2001年04期

4 郝智秀;冷慧杰;曲传咏;万超;;骨与膝关节生物力学行为研究[J];固体力学学报;2010年06期

5 周海辛;冯光;麦鸿飞;;解剖型钢板内固定治疗股骨远端骨折[J];海南医学;2009年S1期

6 杨济匡,方海峰;人体下肢有限元动力学分析模型的建立和验证[J];湖南大学学报(自然科学版);2005年05期

7 袁平;王万春;;膝关节三维有限元模型的建立及生物力学分析[J];中南大学学报(医学版);2010年01期

8 曾蜀雄;伍国胜;汪方;党瑞山;;膝关节后外侧结构的形态学及生物力学研究[J];解剖科学进展;2010年03期

9 董跃福;董英海;胡广洪;张华;胡杨;徐卿荣;;准确构建个体化膝关节有限元解剖模型的方法[J];临床骨科杂志;2011年02期

10 苏驰;林海滨;;胫骨平台后侧髁骨折的手术治疗进展[J];莆田学院学报;2010年05期

  本文关键词：人体膝关节有限元建模及损伤生物力学探索性研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：325848