正常步態(tài)下距骨三維有限元模型的建立

1、正常步態(tài)下距骨三維有限元模型的建立摘要：目的：建立一個(gè)具有高度幾何相似性的足踝部三維有限元模型，并用此模型靜態(tài)地分析人體不同步態(tài)相時(shí)距骨的生物力學(xué)特性，量化距骨的應(yīng)力-應(yīng)變狀況。方法：基于志愿者足的三維CT掃描數(shù)據(jù)，利用Mimics13.0、Geomagic10.0軟件對(duì)足踝相關(guān)組織進(jìn)行幾何重建，導(dǎo)入Hypermesh10.0軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，賦予材料屬性，最后導(dǎo)入相）時(shí)的受力狀況，進(jìn)行有限元分析。結(jié)果：建立距骨及周圍結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，共21865個(gè)節(jié)點(diǎn)、73440個(gè)單元，具有較好的幾何相似性。正常步態(tài)中從落地相到離地相中等效應(yīng)力峰值在距骨滑車分別為3.0 MPa、4.3 MPa、4.8

2、 MPa；在距骨頸分別為1.3 MPa、1.9 MPa、2.8 MPa；在距舟關(guān)節(jié)分別為2.8 MPa、3.0 MPa、3.4 MPa；在距下關(guān)節(jié)分別為2.2 MPa、1.8 MPa、1.5 MPa。結(jié)論：本研究中創(chuàng)建的三維有限元模型，經(jīng)驗(yàn)證是一個(gè)正確可靠的模型，可以幫助臨床醫(yī)生和其他研究人員更好的理解正常步態(tài)下距骨的許多生物力學(xué)特性。關(guān)鍵詞：距骨；生物力學(xué)；有限元分析；步態(tài)引言：距骨具有獨(dú)特的解剖結(jié)構(gòu)和功能，無肌肉附著，大部分骨質(zhì)被關(guān)節(jié)軟骨面包圍，是人體重力傳至足部的樞紐，故有“骨半月板”之稱1。人體在行走時(shí)，足踝的生物力學(xué)變化比較復(fù)雜，因此研究正常步態(tài)下距骨生物力學(xué)變化較為困難。全面了解距

3、骨在正常步態(tài)下的應(yīng)力分布可以為我們研究距骨生理學(xué)和病理學(xué)提供十分有用的信息，理解距骨在正常步態(tài)下力的傳遞對(duì)足的損傷及治療有重要意義?；铙w組織研究能得到較為精確數(shù)據(jù)，但因倫理學(xué)的原因受到限制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元理論的不斷發(fā)展，人們開始大量使用數(shù)值模型和有限元法分析復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。與以往的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，有限元方法可以建立高度幾何相似及物理相似的有限元模型，既可以反映區(qū)域性力學(xué)特性，有可以反映整體信息；既可以進(jìn)行精確的數(shù)字分析，有可以進(jìn)行形象的、直觀的定性研究。有限元分析方法的最大特點(diǎn)是對(duì)生物體的無損傷，可以模擬活體組織內(nèi)部的生物力學(xué)行為，完成其他研究方法所不能實(shí)現(xiàn)的加載方式及約束條件，得到客觀

4、實(shí)體實(shí)驗(yàn)所難以得到的研究結(jié)果?？梢酝ㄟ^改變載荷加載方式、改變材料特性等方法進(jìn)行個(gè)體化受力分析，研究省時(shí)快捷，費(fèi)用低廉，應(yīng)用面廣。本研究基于CT數(shù)據(jù)建立距骨及周圍結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，分析不同步態(tài)下距骨結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，以期為距骨生物力學(xué)研究提供新的研究手段。1材料與方法1.1數(shù)據(jù)收集：男性志愿者1名，25歲，身高170 cm，體質(zhì)量60kg。先行X線檢查，排除足部腫瘤、畸形等其他病變，進(jìn)行右足踝部64排螺旋CT平掃，層厚0.45 mm，數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出保存。1.2有限元模型建立CT掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics13.0，通過閾值分開骨組織及軟組織，建立距骨及周圍結(jié)構(gòu)的幾何模型，輸

5、出為STL文件。然后導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio10.0中，對(duì)模型進(jìn)行除噪點(diǎn)、平滑，根據(jù)各關(guān)節(jié)面的幾何形狀，在各骨面上劃分軟骨邊界，最后擬合曲面，輸出為Iges格式。再導(dǎo)入有限元前處理軟件Hyperwork10.0中，按照上述生成的軟骨邊界，生成軟骨；依據(jù)韌帶解剖數(shù)據(jù)，通過五條纖維束三維排列連接韌帶附著點(diǎn)建立韌帶模型，最后對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)置材料屬性等處理。最終導(dǎo)入ABAQUS6.9軟件進(jìn)行計(jì)算分析等后處理。有限元模型見圖1。1.3材料參數(shù)：骨性結(jié)構(gòu)和軟骨均模擬為各向同性的線彈性材料，韌帶使用非線性單軸連接單元來模擬其只受拉、不受壓的特性。骨、軟骨、韌帶的材料特性由實(shí)

6、驗(yàn)文獻(xiàn)確定2-6，列于表1、表2。1.4邊界條件及載荷：對(duì)步態(tài)過程中位相的劃分方式很多，但通常將其分為落地相、中立相、離地相3個(gè)位相。正常步態(tài)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式由距骨體滑車關(guān)節(jié)面確定，側(cè)面觀，距骨體滑車形狀近似圓錐一部分，腓側(cè)曲率半徑大于脛側(cè)，踝關(guān)節(jié)在矢狀面屈伸運(yùn)動(dòng)軸不是水平的，自內(nèi)上向外下傾斜，并且也不是恒定不變的，但是在正常步態(tài)中，踝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心位于距骨體內(nèi)并且十分靠近，因此可以近似認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)。本研究屈伸運(yùn)動(dòng)軸及旋轉(zhuǎn)中心的確定根據(jù)以前學(xué)者的研究方法，確定距骨滑車脛、腓側(cè)穹弧的圓心，連接兩個(gè)圓心，即為旋轉(zhuǎn)軸，兩圓心的中點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心5,7-8。踝關(guān)節(jié)在步態(tài)運(yùn)動(dòng)中的受力狀況研究采取將

7、其作為相對(duì)靜止加載的近似方法，加載在脛腓骨截面上。關(guān)節(jié)面之間建立接觸對(duì)，摩擦系數(shù)為0.015。不同位相受力狀況參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)9，見表3。2結(jié)果：建立距骨及周圍結(jié)構(gòu)三維有限元模型，其形態(tài)還原性好，重建效果較理想，能任意旋轉(zhuǎn)，可獲得詳細(xì)、滿意的三維信息。模型分析結(jié)果與以往研究具有相似性4-5,10，認(rèn)為模型有效，可以用來進(jìn)一步分析計(jì)算。足踝部不同位相Von Mises應(yīng)力分布如圖2、3。距骨不同區(qū)域最高等效應(yīng)力分布值見表4。由圖3、表4可以得出，不同位相距骨Von Mises應(yīng)力值及分布范圍不同，等效應(yīng)力在距骨滑車、距骨頸及距舟關(guān)節(jié)從落地相到離地相逐漸增大，在距下關(guān)節(jié)逐漸減小。3討論：足踝部生物力學(xué)

8、研究長(zhǎng)期以來一直受到眾多生物力學(xué)專家的關(guān)注。距骨具有重要的生物力學(xué)功能，一旦解剖結(jié)構(gòu)紊亂、破壞，對(duì)足的功能影響較大11-12。因距骨運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)復(fù)雜，在人體內(nèi)測(cè)量及研究其生物力學(xué)較為困難，要完全理解距骨的三維信息依然是一個(gè)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的骨科生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是以動(dòng)物模型或尸體模型為基礎(chǔ)，而且絕大多數(shù)研究方法都是避開其他因素而進(jìn)行的單因素體外研究，與人體內(nèi)在的實(shí)際運(yùn)動(dòng)及損傷機(jī)制和順序可能有一定差別。動(dòng)物模果雖然最為可靠，但由于實(shí)驗(yàn)手段的缺陷及倫理等因素的影響，想在不改變其生理狀態(tài)的情況下得到生物十分困難的。尸體模型雖然在幾何相似性有很大的優(yōu)勢(shì)，卻又會(huì)改變生物體作為活組織的特性，難以獲得各異的力學(xué)性能

9、，同時(shí)一個(gè)標(biāo)本具有疲勞性，不能反復(fù)利用，使對(duì)照研究的可比性下降，且實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較高，取材較困難，想得到實(shí)驗(yàn)對(duì)象內(nèi)部任意部位的生物力學(xué)變化也十分困難。近年來，隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，有限元分析作為一種較新的生物力學(xué)研究手段，逐漸應(yīng)用到足部生物力學(xué)領(lǐng)域13-15。有限元法進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、費(fèi)用少、可模擬復(fù)雜邊界條件、力學(xué)性能測(cè)試全面及可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。利用有限元軟件的強(qiáng)大建模及線性、非線性分析功能，可以精確地建立人體骨骼、肌肉、韌帶等組織的三維模型，并能夠賦予其生物力學(xué)材料屬性，模擬拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等生物力學(xué)載荷，可以求解在不同載荷下任意部位的變形、應(yīng)力、應(yīng)變分布、內(nèi)部能量變化

10、及屈服等情況。本研究利用正常人體足部CT掃描數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到Mimics軟件，建立距骨及周圍結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字模型，然后轉(zhuǎn)換格式，輸出到有限元軟件Abaqus中，建立精確的三維有限元模型，進(jìn)行分析計(jì)算。本模型的建立具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、較高的模型精確度。原始DICOM數(shù)據(jù)來自足部64排螺旋CT掃描，掃描層面薄，包含的信息量大，直接利用Mimics、Geomagic Studio建模，沒有摻雜人為因素，大大減少誤差，較真實(shí)地還原了骨骼的幾何模型；2、利用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh，劃分單元質(zhì)量高，單元大小合理，網(wǎng)格模型形態(tài)與實(shí)體模型形態(tài)一致，能從力學(xué)上真實(shí)地代表原物，計(jì)算結(jié)果更精確。距骨在步態(tài)過程中

11、的力學(xué)性能是相當(dāng)復(fù)雜的，為了有限元模型計(jì)算收斂，對(duì)模型材料等方面做了一些簡(jiǎn)化。研究顯示距骨在在行走過程中的不同位相位相時(shí)的應(yīng)力分布區(qū)域又有很大的變化，距骨背、距骨頸及距舟關(guān)節(jié)面等效應(yīng)力從落地相到離地相逐步增高，而距下關(guān)節(jié)面應(yīng)力值逐步減小。距骨各關(guān)節(jié)面應(yīng)力分布對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的退變及骨關(guān)節(jié)炎形成密切相關(guān)，不合理的應(yīng)力分布導(dǎo)致軟骨退變，進(jìn)一步促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。因距骨結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及實(shí)驗(yàn)條件的不可控性，關(guān)節(jié)面的壓力具有很大的個(gè)體差異性，但整體的分布范圍又具有相似性16。Gefen等用有限元模型計(jì)算顯示距骨應(yīng)力增高區(qū)在距骨背，從落地相的2. 55 MPa到離地相的3.55 MPa4。劉立峰等研究顯示落地相時(shí)

12、距下關(guān)節(jié)后關(guān)節(jié)面的Von Mises等效應(yīng)力相對(duì)于前關(guān)節(jié)面大，三位相中距下關(guān)節(jié)最大應(yīng)力值為起步相時(shí)的3.92 MPa17。Anderson等測(cè)量靜止站立時(shí)脛距關(guān)節(jié)面的接觸應(yīng)力，兩具實(shí)體標(biāo)本測(cè)量的結(jié)果分別是3.69 MPa和2.92 MPa，有限元模型分別是3.74 MPa和2.7410。以上研究距骨等效應(yīng)力及關(guān)節(jié)面壓力分布結(jié)果與本研究相似，這也進(jìn)一步說明了本模型的有效性，可以用于臨床及相應(yīng)的生物力學(xué)研究。目前對(duì)足踝部生物力學(xué)的研究雖然取得很大的研究成果和進(jìn)展,但仍然存在不足。本研究基于CT序列圖像，建立人體正常步態(tài)下距骨及周圍結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，較真實(shí)，準(zhǔn)確地模擬了距骨及周圍結(jié)構(gòu)的解剖形態(tài)，

13、為進(jìn)一步的距骨生物力學(xué)研究提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。參考文獻(xiàn)：1Rammelt S,Zwipp H.Talar neck and body fracturesJ.Injury, 2009,40(2):120-35.2Jacob S,Patil MK.Three-dimensional foot modeling and analysis ofstresses in normal and early stage Hansens disease with muscleparalysisJ.J Rehabil Res Dev,1999,36(3):252-63.3Funk JR,Hall GW,Crandal

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