人体髋关节三维有限元模型的建立及其生物力学意义

人体髓关节三维有限元模型的建立

及其生物力学意义

【摘要】目的:构建正常人体髓关节的

三维有限元模型，作为该部位进一步有限元

分析的基础。方法:采用活体髓关节为标本,

应用CT扫描技术及图形数字化方法获取骸

关节的三维坐标，输入有限元分析软件，并

通过确定材料特性参数和网格化，建立髓关

节的三维有限元模型。结果:所构建毓关节

三维有限元模型客观反映髓关节真实解剖

形态及其生物力学行为，还原性良好，可以

满足有限元分析的需要。结论:采用CT扫描

资料建立的三维有限元模型切实可靠，实体

建模法将有限元模型的几何特征和边界条

件的定义与有限元网格的生成分开进行，减

少了模型生成的困难。所构建的懿关节三维

有限元模型，可以为髓关节力学行为以及骨

折内固定、酸关节成型术的力学基础研究提

供精确模型。

【关键词】懿关节三维有限元模型生物

力学有限元分析CT

Abstract:Objective:Toestablisha

three-dimensionalfiniteelementmodel

ofnormalhumanhipasafoundationof

finiteelementanalysisinthisarea.

Methods:Normalhipjointinvivowas

usedasspecimen.CTscanwasusedto

obtainconfiguration,

three-dimensionalcoordinateofthehip

jointwasobtainedusingautoCAD

software.Withthesoftwareoffinite

elementanalysisdeterminingproperty

parameterofmaterialandmeshing,a

three-dimensionalfiniteelementmodel

ofthehipjointwassetup.Results:The

constructedthree-dimensionalfinite

elementmodelofnormalhumanhipjoint

objectivelyreflectedtherealhip

joint'sanatomyandbiomechanical

behaviorandcouldsatisfytheneedof

finiteelementanalysis.Conclusion:It

wasreliabletobuildthree-dimensional

finiteelementmodelwithCTscandata

andtosimulaterealandcomplicated

geometryfigureaccurately.Bythe

methodofbuildingthe

three-dimensionalfiniteelementmodel

dependsonentity,defineborder

condition,determinethegeometry

characteroffiniteelementmodel,and

meshesthemodel,respectively.The

difficultyofbuildingthefinite

elementmodelcanbereduced.The

consructionofthree-dimensionalfinite

elementmodelofnormalhumanhipjoint

providesbasicdataforresearchon

mechanicalbehaviorofhipjoint,

internalfixationafterfractureandhip

arthroplasty.

Keywords:hipjoint;

three-dimensionalfiniteelementmodel;

biomechanics;finiteelementanalysis;

computertomography

近年来，医学与工程力学的结合，使分析

有限元作为一种较新的生物力学研究手段,

逐渐应用到医学领域。随着计算机技术的发

展，三维非线性有限元软件的开发，有限元

分析能够精确分析骨骼假体的内部应力分

布及定量分析应力集中等［1］。髓关节是人

体重要承重关节，其骨折创伤程度重，无论

保守治疗还是手术治疗经常由于复位不完

全，出现股骨头坏死或骨关节炎等严重后果。

传统的生物力学研究从不同的角度分析了

髓关节的生物力学，并从不同侧面提出了髓

关节骨折的治疗方法。由于髓关节形状和结

构的复杂性和特殊性，本研究旨在探讨利用

CT扫描技术，取得正常髓关节的各种结构的

三维坐标值，在有限元分析软件中采用实体

建模，从而建立起正常麒关节的有限元模型,

并对材料特性和网格大小等参数设定进行

探讨，以期为髓关节损伤的相关研究提供多

维思路，进一步丰富髓关节生物力学行为的

研究手段⑵3］。

1材料和方法

材料和设备①选择1名健康自愿者作为

对象，女性，49岁，实验前行X线检查，排

除病理改变后，进行髓关节CT扫描，获取

用于建立三维计算机模型的相关资料。②西

门子SOMATOMVolumeZoomCT机。

③Unigraphics、SolidWorks2006和有限

元分析软件。④WindowsXP操作系统。⑤

图像处理软件。

建模方法与步骤

对髓关节进行CT断层成像：在CT成像过

程中，要求髓关节在纵轴方向保持不变，每

隔mm间距扫描一次，共278层。所得图像

以DICOM格式直接存入CT机，刻录光盘，

从而得到表示髓关节每层横截面的图像。同

时对所得的每一张CT图像按照扫描的顺序

逐张进行处理，去除骨骼周围肌肉和软组织

后得到处理后的麒关节每一个断层CT图像，

在处理过程中保持骨骼灰度处理前与扫描

时一致，为骨密度计算和弹性摸量设定打下

基础。

切片对齐：为了保证重建的模型能逼真反

映髓关节的实际情况，选取图片左边标尺的

上端点为第一基准点，下端点为第二基准点,

使每一层的两基准点严格保持一致，从而避

免了图像的相对位移和偏移。

坐标原点的确定：提取出股骨头中间断面

上距离最大的2个像素点，取该2个像素的

中点定为三维坐标系的原点，髓关节的近端

为Z轴正方向，远端为负方向。

轮廓提取：图像中的轮廓信息通过计算各

像素点间的灰度值“梯度”确定，梯度值大

的地方通常是轮廓所在位置。对每层图像处

理，提取髓臼和股骨近端内表面和外表面的

一系列关键点，逐步建立代表各种结构轮廓

的点、线、面和体，并适时运用布尔运算,

最终形成区分松质骨、皮质骨和骨髓腔的近

视自然人正常髓关节的实体模型。

有限元分析输出的实体以IGS格式的文

件展示，将其导入Unigraphics软件中，转

换成UG格式，并利用Unigraphics软件强

大的缝合功能进行面片之间的缝合，缝合完

成之后再导入SolidWorks2006软件转换成

SolidWorks格式的文件，采用CAE有限元分

析软件C0SM0SWorks2006进行网格划分，网

格大小参数设置根据精细与经济兼顾的原

则。

单元类型采用有限元分析软件单元库所提

供的第三号角锥单元，每一单元具有四个节

点，每个节点具有6个自由度。髓关节骨骼

在应力不超过其强度极限时，它的应力-应

变关系与许多工程材料很类似，呈线性，因

此对髓关节进行应力分析时，假设髓关节为

连续、均质、各向同性的线弹性材料，综合

前人实验测量及有限元模型验证结果，有关

材料力学参数选择如下：皮质骨弹性模量

17000MPa,泊松比；软骨下皮质骨弹性模

量2000MPa,泊松比；松质骨弹性模量70MPa,

泊松比[4,5]0

2结果

股关节三维有限元模型的建立分析髓关

节的解剖结构可以发现，酸臼及股骨头内外

表面都是相连在一起的，相邻很近的两层切

片间，不会出现大的形变和位移；因此将上

下对应的内、外轮廓线连接，生成轮廓面，

再将内外表面生成体积，建立正常懿关节的

三维实体模型。

雕关节三维有限元分析将建立的懿关节

模型导入有限元构建软件SolidWorks2006

中，进行三维有限元网格划分。髓关节的网

格划分完全按照实际的解剖构造进行，根据

髓关节几何形状的特殊要求，采用三维十结

点四面体实体单元，共划分为121239个结

点、112491个单元。从CT扫描得到平面图

像经加工处理后获得髓关节的几何坐标，利

用实体建模法，经合理设立参数与网格化,

建立了正常赣关节的完整的三维有限元模

型，这一模型反映了正常骸关节的几何形状

和材料特性。

髓关节应力分布在所获取的髓关节三维

有限元网格划分图上，对于骸关节网格密集

的区域进行提取和分析，可以发现，在股关

节三维有限元模型上面，存在着如下应力集

中分布区域，分别是弓状线，骼骨翼，髓臼

后上方，坐骨结节以及小转子上方、稍偏股

骨颈的后方处等。

3讨论

有限元分析方法目前已被广泛应用于生物

医学领域，它可以通过CT或MRI扫描从活

体组织提取相应的数据，由于影像学技术的

快速发展，通过扫描所获得的数据很准确,

据此而建立的几何模型接近于真实。建模时

应根据具体情况，由实体建模和直接建模两

种方式选择建模方法，并可利用工作平面来

辅助建模，以提高建模的精确性。尤其是三

维模型，将有限元模型的几何特征和边界条

件的定义与有限元网格的生成分开进行，减

少了模型生成的困难。在进行网格划分之前,

应先行定义单元属性，设置网格生成选项，

网格划分前保留数据库，最后进行网格划分。

髓关节三维有限元模型建立的意义

以往对髓臼和股骨颈进行有限元分析，鉴于

其形状复杂，一般均对其作简化处理，分析

的结果必然引起误差。本研究通过CT扫描、

即时存储，避免了数据收集过程中关键信息

的丢失；更重要的是，实现了整个建模过程

的全数字化，最大程度上保证了建模的准确

性和精确性。为了使计算模型反映实际情况,

建模时以髓关节的实际形状为对象，建立髓

关节的三维有限元模型，采用三维十结点四

面体实体单元进行网格划分，共划分为

121239个节点、112491个单元，外观整齐、

逼真，网格适当，而且三维有限元图像还原

性好，能从力学上真实代表实物，对于今后

研究髓关节的生物力学行为、髓关节骨折及

骨折后治疗和髓关节置换术等方面有极其

重要的意义。

目前髓关节的研究,较多偏重于股骨上端

髓腔、股骨假体的设计及股骨的测量，而酸

臼侧由于解剖结构的复杂性及患者个体差

异性的存在,除了通过骨性标志或X线片进

行髓臼直接、间接测量CE角（股骨头中心点

至髓臼顶外缘连线与双侧股骨头中心点连

线的垂线的夹角）、外翻角及髓臼的深度等

之外，很难对髓臼作进一步量化处理。计算

机辅助设计及图像技术的发展，不仅能进一

步准确重建麟臼的解剖形态，而且还能达到

对股臼进行定量的测量。酸臼形态结构是髓

关节保持稳定、发挥正常运动功能以及维持

其软骨面良好受力状态的基础。在人工全髓

关节置换术中，髓臼假体的稳定固定也依赖

于假体与酸臼窝周围骨结构的紧密结合。然

而，髓臼窝骨形态结构极为复杂，其中，臼

窝内壁和边缘形态尤甚，通常很难在大体解

剖或X线片下作三维形态的定量分析。

本研究通过对髓关节CT三维重建，并对其

生物力学的计算分析和实验力学的方法得

到的结果进行比较，来研究此种建模的可行

性和准确性，基于此的解剖形态特征和力学

相应进行研究,所构建模型为临床应用提供

相关的形态学和生物力学依据。

麒关节力学行为分析生理状况下，骨骼

的结构和功能在很大程度上依赖于其所处

的力学环境C在髓关节三维有限元模型上可

以清楚地看到，酸臼后上方应力集中，可能

与髓臼顶部承载人体重量并在上下应力传

导中起着非常重要的作用有关；股骨颈作为

下肢应力传递、分散的主要途径，其应力集

中比较明显，表现在网格划分图上网格划分

密集分布，且以股骨颈的中下段为主，并在

小转子上方、稍偏股骨颈后方处集中更为突

出。将研究结果与人体骨小梁的分布较好统

一起来也从另一侧面印证，骨小梁的分布是

顺应人体的力学分布而进行的。

当然，髓关节应力集中点，在股关节遭受

突然暴力作用时，一方面作为应力分散的主

要途径；另一方面，如果暴力未能及时得到

分散，那么极有可能在上述几个应力集中处

最先发生骨折，这也将在之后的研究中进行

探讨。

从某种意义上讲，髓关节应力集中点也可

以作为骨折内固定力点的较好选择之一。鉴

于股骨颈区的生物力学特点，其应力主要通

过压力骨小梁和股骨距向远端传导，内固定

的放置应与压力骨小梁的方向一致并紧贴

股骨矩。内固定与股骨的主应力方向一致，

有利干股骨颈的应力传导和骨折端的加压，

符合生物力学原理。

本研究的意义表面提取技术和水平的发

展使得几何重建的精度提高，但仍只能是接

近真实而不能完全等同于事实，假设某个部

位的材料是均质的且对关节软骨、肌肉、韧

带、关节囊等组织作用忽略，这都与实际不

符，因而在其基础上产生的有限元模型的建

立和分析有可能产生误差。通过使用更加先

进的边界和表面提取技术，建立包含多种组

织和如流体-结构有限元模型等耦合场模型,

可以尽量简化和假设，从而使有限元模拟技

术更加接近真实。

采用CT扫描资料建立三维有限元模型切实

可靠，采用实体建模法比直接建模法更加简

便、高效。本研究成功构建的正常髓关节三

维有限元模型可以从不同角度进行观察，较

真实、准确地模拟了人体酸关节的解剖形态

及其特点，反映了髓关节的生物力学特性。

当然，这是全面认识髓关节生物力学改变的

第一步，理想的模型将为进一步的髓关节生

物力学研究提供可靠的手段和方法，提高我

们对髓关节病变的认识及人工假体的设计

水平，为髓关节外科学的发展提供有益的思

路。

【参考文献】

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