一种高仿真腕关节有限元模型的建立及验证

doi:10.12307/2026.189

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (21): 5445-5451.doi: 10.12307/2026.189

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一种高仿真腕关节有限元模型的建立及验证

熊万涛1，刘广伟2，王禹丁1，苏星宇3，崔国鹏3，李永耀1

1中国中医科学院望京医院创伤骨科，北京市 100102；2中医正骨技术北京市重点实验室，北京市 100102；3北京中医药大学，北京市 100029

接受日期:2025-07-11 出版日期:2026-07-28 发布日期:2026-03-04
通讯作者: 李永耀，博士，副主任医师，硕士生导师，中国中医科学院望京医院创伤骨科，北京市 100102
作者简介:熊万涛，男，2000年生，湖北省天门市人，汉族，中国中医科学院在读硕士，主要从事骨与软组织损伤方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(82274556)，项目负责人：李永耀；中国中医科学院望京医院创新团队专项资助项目(WJCXTD-202401)，项目负责人：李永耀

Establishment and validation of a high-fidelity finite element model of the wrist joint

Xiong Wantao1, Liu Guangwei2, Wang Yuding1, Su Xingyu3, Cui Guopeng3, Li Yongyao1

1Department of Orthopedic Traumatology, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China; 2Beijing Key Laboratory of Bone Setting Technology of Traditional Chinese Medicine, Beijing 100102, China; 3Beijing University of Chinese Medicine, Beijing 100029, China

Accepted:2025-07-11 Online:2026-07-28 Published:2026-03-04
Contact: Li Yongyao, MD, Associate chief physician, Master’s supervisor, Department of Orthopedic Traumatology, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China
About author:Xiong Wantao, Master candidate, Department of Orthopedic Traumatology, Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, Beijing 100102, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 82274556 (to LYY); Special Funding Project for Innovation Team of Wangjing Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences, No. WJCXTD-202401 (to LYY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

腕关节：是人体结构和功能最复杂的关节之一，涉及较多骨骼、韧带、关节囊、肌腱，在人体的日常生活运动中发挥着不可或缺的作用，极易出现损伤。
有限元分析：是一种数值计算方法，用较简单的数学问题代替复杂的物理问题后再求解。通过有限元软件模拟真实物理系统，把连续体离散化为有限个小的、相互连接的单元，并对这些单元进行分析来研究连续体的力学性能。

摘要
背景：目前涉及腕关节的有限元模型研究大多只构建骨骼韧带，较少涉及肌肉及肌腱等组织，仿真性和精确性不足。
目的：建立一种高仿真腕关节有限元模型，以期为深入开展腕关节生物力学研究提供参考。
方法：选取1名33岁成年健康男性志愿者的上肢CT及MRI数据，将所得图像导入 Mimics 20.0中，采用阈值选择、区域增长、图像分割等方法，进行腕关节相关骨骼及肌肉等软组织的重建，通过Solidworks 2020、Hypermesh 14.0对模型进行表面优化处理、曲面片及网格的划分，将赋予材料属性的模型导入ABAQUS 6.13，建立韧带、软骨及软骨接触，建立腕关节三维有限元模型，观测在轴向压力情况下腕关节各结构的应力分布。
结果与结论：①建立了包括尺桡骨、肱骨远端、手腕骨、掌骨、旋前圆肌、旋前方肌、旋后肌、外侧肌群、掌侧肌群、背侧肌群、骨间膜及主要韧带和软骨等结构的三维有限元模型，共包括759 191个单元，245 510个节点，计算并获得了掌骨受轴向压力下桡腕关节的应力分布图，与文献报道尸体研究相对比，验证了此次研究建立模型的真实有效性；②综上，基于人体CT及MRI影像数据，通过计算机软件模拟重建了更完整的腕关节骨与软组织结构，建立了前臂肌肉的起止点及肌肉走行过程中与骨骼之间的接触，得到了更为仿真的腕关节有限元模型。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 腕关节, 有限元模型, 生物力学, 建模, 仿真

Abstract: BACKGROUND: Current finite element models of the wrist joint predominantly focus on osseous and ligamentous structures, with insufficient incorporation of musculotendinous components, thereby limiting their fidelity and accuracy.
OBJECTIVE: To establish a high-fidelity finite element model of the wrist joint, providing a reference for in-depth biomechanical investigations.
METHODS: Upper limb CT and MRI data from a 33-year-old healthy male volunteer were imported into Mimics 20.0. Threshold-based selection, region growing, and image segmentation techniques were employed to reconstruct wrist-related bones and soft tissues (including muscles). The model underwent surface optimization, patch generation, and meshing in SolidWorks 2020 and HyperMesh 14.0. Material property assignment and ligament-cartilage contact interfaces were implemented in ABAQUS 6.13 to construct a three-dimensional finite element model of the wrist joint. Stress distribution across wrist structures under axial compression was analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) A three-dimensional finite element model encompassing the ulna, radius, distal humerus, carpal bones, metacarpals, pronator teres, pronator quadratus, supinator, lateral muscle group, volar muscle group, dorsal muscle group, interosseous membrane, major ligaments, and cartilage structures was successfully established, comprising 759 191 elements and 245 510 nodes. The stress distribution pattern at the radiocarpal joint under axial compressive loading on the metacarpals was computationally analyzed and compared with cadaveric studies reported in literature, thereby validating the authenticity and effectiveness of the current model. (2) This investigation employed CT and MRI data to simulate and reconstruct comprehensive wrist joint osseous and soft tissue structures through computational methodologies. The model precisely delineates starting point and ending point of the muscle and characterizes contact interactions between forearm musculature and skeletal elements during muscle pathway simulations, ultimately resulting in a more realistic finite element model of the wrist joint.

Key words: "> , wrist joint, finite element model, biomechanics, modeling, simulation

中图分类号:

熊万涛, 刘广伟, 王禹丁, 苏星宇, 崔国鹏, 李永耀. 一种高仿真腕关节有限元模型的建立及验证[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(21): 5445-5451.

Xiong Wantao, Liu Guangwei, Wang Yuding, Su Xingyu, Cui Guopeng, Li Yongyao. Establishment and validation of a high-fidelity finite element model of the wrist joint[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(21): 5445-5451.

图/表（结果） 1

参考文献

[1] 李永耀,赵勇,程灏,等.夹板弹性固定桡骨远端FrykmanⅧ型骨折尺侧柱稳定性的有限元分析[J].中国组织工程研究,2020, 24(30):4769-4774.
[2] 毛昭冲, 李福伟,杨凤云,等.有限元分析在桡骨远端骨折研究中的应用进展[J].中医正骨,2023,35(2):30-32+45.
[3] PURUSHOTHAMAN Y, CHOI H, YOGANANDAN N, et al. A Comparison Study of Four Cervical Disk Arthroplasty Devices Using Finite Element Models. Asian Spine J. 2021;15(3):283-293.
[4] GHOSH R, CHANDA S, CHAKRABORTY D. Application of finite element analysis to tissue differentiation and bone remodelling approaches and their use in design optimization of orthopaedic implants: A review. Int J Numer Method Biomed Eng. 2022;38(10):e3637.
[5] SPANSWICK PJC, WHITTIER DE, KWONG C, et al. Improvements in radiographic and clinical assessment of distal radius fracture healing by FE-estimated bone stiffness. Bone Rep. 2021;14:100748.
[6] MALAKOUTIKHAH H, LATT LD. Disease-Specific Finite element Analysis of the Foot and Ankle. Foot Ankle Clin. 2023;28(1):155-172.
[7] LEWIS GS, MISCHLER D, WEE H, et al. Finite Element Analysis of Fracture Fixation. Curr Osteoporos Rep. 2021;19(4):403-416.
[8] 张宁,康颂科,李伟延,等.三种空心钉构型踝关节融合的有限元分析[J].中国矫形外科杂志,2024,32(8):744-749.
[9] 高升,辛世民,刘兴权,等.基于影像学腰椎退变的生物力学有限元分析[J].中国组织工程研究,2026,30(15):3810-3819.
[10] 张子峥,罗旺,刘长路,等.膝内侧间室骨关节炎单髁置换中有限元分析的应用价值[J].中国组织工程研究,2026,30(9): 2313-2322.
[11] 吴志鹏,高伟阳,吴立军.腕关节生物力学有限元分析研究进展[J].国际骨科学杂志,2008(5):307-309.
[12] 颜冰珊. 尺骨茎突骨折与下尺桡关节稳定性关系的有限元分析[D]. 上海:复旦大学,2009.
[13] 郭欣,樊瑜波,李宗明. 掌骨受轴向压力作用下的腕部生物力学分析[J]. 航天医学与医学工程,2008,21(1):45-49.
[14] 钦斌,黄永火,欧阳羽,等. 轴向应力作用下的舟骨有限元分析[J]. 第三军医大学学报,2010,32(11):1213-1215.
[15] 周晓宁.腕关节三维有限元模型的建立及桡骨远端骨折发生机制的生物力学分析[D]. 北京:北京中医药大学,2014.
[16] KAPANDJI AI. 顾冬云等译. 骨关节功能解剖学[M]. 北京:人民军医出版社,2011.
[17] 马志虎,于晓凤,孙玉亮,等.加速康复外科综合治疗在三角纤维软骨复合体损伤患者围术期中的应用[J].山东大学学报(医学版), 2025,63(3):28-35.
[18] 闫立强,胡坤然,王丰羽,等.带线骨锚钉重建腕背韧带治疗腕关节骨折脱位[J].临床骨科杂志,2024,27(1):70-74.
[19] 黄子阳,谢威,练克俭,等.桡骨远端骨折畸形愈合的外科治疗进展[J].中国中医骨伤科杂志,2022,30(11):80-84+88.
[20] 顾伟民,陆耀刚,王子平.桡骨远端骨折与腕关节不稳的临床研究[J].中华创伤骨科杂志,2006,8(3):212-215.
[21] KIJIMA Y, VIEGAS SF. Wrist anatomy and biomechanics. J Hand Surg Am. 2009;34(8):1555-63.
[22] LI ZM, JORDAN DB. Carpal tunnel mechanics and its relevance to carpal tunnel syndrome. Hum Mov Sci. 2023;87:103044.
[23] TAN J, ZHANG F, LIU Q, et al. Effect of different ulnar osteotomies on loading of the distal radioulnar joint: a finite element analysis. BMC Musculoskelet Disord. 2024;25(1):454.
[24] LIAO L, GU F, XIONG F, et al. Biomechanical Analysis of Transosseous Repair Versus Combined Transosseous With Capsular Repair for Triangular Fibrocartilage Complex Tears With Instability. J Hand Surg Am. 2025;50(6):752.e1-752.e8.
[25] CHAN YS, CHEN AC, CHEN CC, et al. The effect of lateral hinge fracture with hinge hole and protective K-wire for medial opening-wedge high tibial osteotomy by compression testing and finite element analysis. J Orthop Surg Res. 2025;20(1):598.
[26] GARAVELLI C, ALDIERI A, PALANCA M, et al. Comparing the predictions of CT-based subject-specific finite element models of human metastatic vertebrae with digital volume correlation measurements. Biomech Model Mechanobiol. 2025;24(3):1017-1030.
[27] MEJÍA RODRÍGUEZ M, GONZÁLEZ-ESTRADA OA, SÁNCHEZ-RESTREPO HD. Custom design of a temporomandibular joint prosthesis: A kinematic approach evaluated by finite element analysis. J Prosthet Dent. 2025;133(6):1580.e1-1580.e10.
[28] 岳肖华,李晏乐,程灏,等.尺骨茎突骨折有限元模型的建立与力学分析[J].中国中医骨伤科杂志,2018,26(10):6-9.
[29] 张必欢,蔡兴博,王斌,等.个性化3D打印钛合金舟骨部分置换术后有限元模型的建立及生物力学分析[J].中国临床解剖学杂志, 2024,42(3):293-303.
[30] 魏明杰,许育健,吴一芃,等.手腕部不同载荷状态下舟月骨间韧带应力分布分析[J].中国临床解剖学杂志,2021,39(5):
586-592.
[31] 谢澄铖,薛俊伟,黄晨阳,等.谢式夹板和解剖夹板外固定治疗伸直型桡骨远端骨折的生物力学特性比较[J].中国中医骨伤科杂志, 2024,32(1):42-47.
[32] MENA A, WOLLSTEIN R, BAUS J, et al. Finite Element Modeling of the Human Wrist: A Review. J Wrist Surg. 2023;12(6):478-487.
[33] MENA A, WOLLSTEIN R, YANG J. Development of a Finite Element Model of the Human Wrist Joint With Radial and Ulnar Axial Force Distribution and Radiocarpal Contact Validation. J Biomech Eng. 2025; 147(3):031006.
[34] 侯泽欣,许本柯,戴媛,等.老年人跌倒腕关节背伸损伤机制的有限元分析[J].中国组织工程研究,2024,28(6):886-890.
[35] 姜昆,陶宝琛,魏成建.小夹板治疗桡骨远端关节内骨折的有限元分析[J].医用生物力学,2018,33(3):206-211.
[36] AZAR FM, BEATY JH. 唐佩福等译. 坎贝尔骨科手术学[M]. 14版. 北京:北京大学医学出版社,2023.
[37] 王亦璁,姜保国.骨与关节损伤[M].北京:人民卫生出版社, 2012.
[38] 邢飞,马剑雄,马信龙. 软组织生物力学特性研究进展[J]. 中华骨科杂志,2017,37(22):1432-1440.
[39] 呙金海,黄富国.近排腕骨间不稳的生物力学研究进展[J].中国修复重建外科杂志,2015,29(1):108-112.
[40] ESCHWEILER J, LI J, QUACK V, et al. Anatomy, Biomechanics, and Loads of the Wrist Joint. Life (Basel). 2022;12(2):188.
[41] FORSTMANN M, YUDKIN DA, PROSSER AMB, et al. Transformative experience and social connectedness mediate the mood-enhancing effects of psychedelic use in naturalistic settings. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020;117(5):2338-2346.
[42] 夏长江,袁志峰,方宁.基于尺桡骨三维有限元模型分析桡骨远端骨折的生物力学特征[J].中国组织工程研究,2020,24(6):893-897.
[43] 王爱国,陆贲琪,李沿鑫,等.桡骨远端骨折夹板外固定有限元模型的建立及其愈合过程的应力分析[J].中国中医骨伤科杂志, 2024,32(3):7-11.
[44] 陶宝琛,石耀武,夏均青,等.动力气囊压垫纠正桡骨远端AO C3.1型骨折手法复位后残余成角移位的有限元分析研究[J].山东中医杂志,2020,39(8):791-796.
[45] HALLGREN HB, NICOLESCU D, TÖRNQVIST L, et al. Ultrasonographic examination of acute soft tissue lesions in the elbow has good inter-rater reliability and acceptable agreement with magnetic resonance imaging. J Shoulder Elbow Surg. 2024;33(7):1615-1623.
[46] GARCIA-ELIAS M, ANANOS D, ESPLUGAS M, et al. Ligaments and muscles stabilizing the radio-ulno-carpal joint. J Hand Surg Eur Vol. 2022;47(1):65-72.
[47] WEBER A, REISSNER L, FRIEDL S, et al. Stability of the distal radioulnar joint with and without activation of forearm muscles. J Hand Surg Eur Vol. 2023;48(8):762-767.
[48] NAKAMURA T. Classifications of Triangular Fibrocartilage Complex Lesions. J Wrist Surg. 2024;13(1):1.
[49] BOECKSTYNS MEH, HERZBERG G. Complications after total wrist arthroplasty. J Hand Surg Eur Vol. 2024;49(2):177-187.
[50] REIGSTAD O. Total wrist arthroplasty: recent advances and current recommendations. J Hand Surg Eur Vol. 2025;50(1):34-41.
[51] 张浩,朱建民,马南,等. 腕关节有限元骨性建模及力学分析[J]. 江苏大学学报(医学版),2013,23(1):53-56.
[52] 李永耀,程灏,赵勇,等.夹板固定治疗尺骨茎突骨折的三维有限元分析[J].中国组织工程研究,2018,22(11):1737-1742.

引言

有限元分析可以将复杂的人体组织离散为形状简单且数量有限的单元体，以节点连接各个单元形成的有限元模型替代原组织进行生物力学研究。有限元模型中各单元之间通过节点传递力，通过设置力学加载工况可以对不同的单元逐个进行分析，能得到客观实体实验难以得到的研究结果[1]。有限元分析具有无创、操作便利、可重复、实验条件可控、数据可靠等优点，在骨科研究领域发展迅速[2]。
PURUSHOTHAMAN等[3]通过有限元分析评估了4种不同设计特点的人工颈椎间盘，在不同运动工况下对关节活动度、椎间盘压力及关节突关节负荷等方面的影响，为颈椎间盘置换术的植入物选择提供了参考。还有学者基于骨重塑算法建立时间依赖性骨骼有限元模型[4]，模拟骨骼在长期负荷下的密度和形态变化，能够预测植入物周围骨的适应性变化，并评估植入物的长期稳定性。SPANSWICK等[5]利用高分辨率外周定量CT，收集稳定型桡骨远端骨折患者患侧和健侧的手腕数据并建立有限元模型，通过分析对比两侧的有限元模型刚度，以模拟骨硬度，精确预测了骨折愈合时间。有限元分析在骨科植入物与假体设计、骨关节应力分析、手术方案的选择、骨折发生风险的预测等方面发挥了重要作用[6-10]。
腕关节有限元分析的早期阶段，主要应用于骨骼创伤性疾病的应力分析，建立的有限元模型呈二维平面，结构较为简单，如只包括尺桡骨、舟骨、月骨等骨骼的桡骨远端骨折模型[11]。随着医学影像技术和计算机图形学不断发展，有限元的建模、分析能力发生了质的变化，腕关节有限元模型也越来越仿真。但既往的腕关节有限元分析多只采用CT数据，建立的模型或是孤立的腕部骨性结构，或缺少肌腱、肌肉、软骨、韧带等腕关节周围软组织。有限元模型的合理性和准确性是进行生物力学分析的关键。此次研究突破传统腕关节有限元模型建立框架，采用CT结合MRI数据资料，对腕关节周围肌肉及肌腱细化切割，建立包括骨骼、软骨、韧带、肌肉肌腱的正常腕关节三维有限元模型，使腕关节模型更完整、更精确。此次研究建立的高仿真度的腕关节有限元模型，将为腕关节骨与软组织损伤的生物力学研究提供更可靠的基础支持。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 有限元分析。
1.2 时间及地点 实验于2024年2月至2025年2月在中国中医科学院望京医院与中医正骨技术北京市重点实验室完成。
1.3 对象 招募1名成年健康男性志愿者，年龄33岁，身高173 cm，体质量90 kg，无腕部创伤史与病史。此次实验已获得中国中医科学院望京医院伦理委员会批准(伦理号：WJEC-KT-2023-004-P001)。志愿者对实验完全知情同意并签署知情同意书。
以该志愿者的右上肢为研究对象，在前臂处于解剖中立位状态下，采用CT技术(Revolution 256排螺旋CT，GE American)从尺骨鹰嘴水平至第三掌指关节水平对志愿者前臂及手部进行逐层扫描，扫描横断面层间距设置为0.625 mm，扫描长度为453.125 mm，获取CT扫描成像共725层。同一志愿者采取相同体位，对右上肢相同范围采用MRI技术(MAGNETOM Skyra 3.0T智能磁共振成像仪，
Siemens，AG Germany)进行逐层扫描，扫描冠状面层间距设置为0.5 mm，扫描长度为80 mm，获取MRI扫描成像共160层。志愿者右上肢经CT和MRI扫描显示腕关节正常，排除畸形与病变。获取的CT及MRI基本资料用于构建腕关节三维有限元模型，并以医学数字成像通信标准DICOM格式保存数据。
1.4 主要实验软件 Mimics 20.0 (Materialise，Belgium)、Solidworks 2020(Dassault，American)、Hypermesh 14.0(Altair，American)、ABAQUS 6.13 (Dassault，American)。
1.5 方法

1.5.1 骨骼几何模型的构建将DICOM格式的CT医学影像数据导入Mimics 20.0软件中，分别重建出手部骨骼部分、尺骨、桡骨，并把手部掌骨、腕骨、腕掌关节融合，输出STL文件。将此STL格式文件导入Solidworks 2020软件中进一步光滑修改并进行逆向处理，生成骨骼的实体模型并装配(图1)，以IGES格式存储和输出。

1.5.2 肌肉几何模型的构建将DICOM格式的MRI医学影像数据导入Mimics 20.0软件中，将灰度阈值界定在802-1 295 HU以显现软组织，生成原始的前臂软组织3D模型(图2)。利用区域增长工具，分别在矢状面、冠状面和横断面3个层面分割前臂肌肉组织，通过Calculate 3D功能生成单个肌肉或肌群。利用选择性编辑对各部分肌肉进行细节优化处理，去除肌肉表面的毛刺、填充肌肉内部的空腔，使分割得到的肌肉模型表面光滑、内部结构封闭。最终重建出旋前圆肌、旋前方肌、旋后肌、外侧肌群(包括肱桡肌、桡侧腕长伸肌和桡侧腕短伸肌)、掌侧肌群(包括指浅屈肌、指深屈肌、桡侧腕屈肌等)和背侧肌群(包括指伸肌、示指伸肌、小指伸肌、尺侧腕伸肌等)及骨间膜，输出STL文件。将此STL格式文件导入Solidworks 2020软件中进一步光滑修改并进行逆向处理，生成肌肉的实体模型并装配(图3)，以IGES格式存储和输出。

1.5.3 三维有限元模型的生成将骨骼与软组织的几何模型导入Hypermesh软件进行布尔运算、网格划分，获得分网后的有限元模型(图4)，并以INP格式导出保存。将分网后的模型导入ABAQUS软件，通过TIE连接在肌肉、骨间膜与各骨骼部分之间建立联系。在桡腕关节、尺腕关节及下尺桡关节的关节面位置，绘制轮廓拉伸生成一层软骨，对接触面赋予接触属性(图5)。采用非线性弹簧单元模拟韧带，依据参考文献添加腕关节周围的主要韧带[12-13](图5)，最终建立出结构更完整的腕关节三维有限元模型(图6)。此次研究将皮肤层、脂肪层、神经及血管看作一个软组织整体，并设置为各向同性、均匀、连续的线弹性材料，材料相关属性参照文献确定，见表1，2。前期相关有限元建模技术成果已获得国家版权局计算机软件著作权登记(一种桡骨远端骨折的有限元建模系统，登记时间：2019-07-10，登记号：2019SR1037684.)。

1.5.4 模型的验证将腕关节三维模型导入ABAQUS软件，在模型中掌骨的远端添加控制点(reference point，RP)以施加载荷，添加RP1并与骨骼部分建立耦合关系(图6)，通过在RP1添加向下的集中力载荷，实现对模型施加轴向加压载荷。将模型中的肱骨近端施加完全约束固定，约束后肱骨近端则无法产生位移及旋转运动，参照文献[14-15]于第二掌骨头、第三掌骨头沿桡骨纵轴方向选择共施加100 N的轴向压力载荷，获取桡腕关节面应力分布云图。

1.6 主要观察指标 观测在轴向压力情况下桡腕关节的应力分布，与既往文献尸体研究中实验结果进行对比。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

人体腕关节组成包括桡尺骨的远端部分、腕骨以及维持关节稳定与正常功能活动的韧带、关节囊、肌腱等。腕关节是连接前臂和手的关节枢纽，是人体中结构复杂性、功能重要性、使用频繁性都极为显著的关节[16]。腕关节涉及屈伸、桡尺偏、环转以及旋转等运动，功能较为精细。
腕关节损伤临床中极为常见，如桡骨远端骨折、尺骨茎突骨折、三角纤维软骨复合体撕裂等病变会破坏腕关节各结构间的力学平衡，导致腕关节不稳，进而出现腕关节疼痛、肿胀、活动受限等症状[17-20]。腕关节的生物力学特性与其病变的发生发展密切相关[21-22]，深入探索和研究腕关节的生物力学原理，可以明确各种病变对腕关节应力的影响[23-24]，从而进一步提高腕关节精准诊疗的水平。
有限元分析在骨科领域的应用越来越广泛[25-27]。有限元分析能够精确地分析腕关节在不同运动状态下关节内部各组织结构的应力分布情况及变化趋势，深入了解腕关节各部位的受力特点[28-29]。魏明杰等[30]
构建了腕关节有限元模型，模拟了腕关节处于不同运动状态时舟月骨间韧带的应力分布，为舟月骨间韧带损伤机制的阐明提供了参考。谢澄铖等[31]通过影像重建、逆向处理得到正常腕关节有限元模型，并进一步建立伸直型桡骨远端骨折有限元模型，探讨了不同夹板外固定治疗伸直型桡骨远端骨折的疗效。然而，相较于腕关节这类小关节，髋关节、膝关节等大关节的解剖结构及力学传导更为简单，因此有限元分析方法在髋关节、膝关节研究中的应用更为广泛[30]。
目前，腕关节因其解剖结构的复杂性及腕骨间力学传导的特殊性，相关生物力学研究较少，现有研究构建的腕关节有限元模型也不够全面、精
确[29，32-33]。侯泽欣等[34]通过建立腕关节背伸位有限元模型，模拟老年人跌倒时手掌撑地的受伤状态，分析了腕关节背伸性损伤相关软组织、骨骼的应力分布；但该研究未对软组织进行细分，未探究跌倒时前臂肌肉收缩对手腕的影响。姜昆等[35]基于CT数据建立尺桡骨远端的三维有限元模型，并参考AO分型绘制骨折线对尺桡骨分块切割，建立了9个桡骨远端C型骨折模型；然而，因该研究建模只依靠CT数据，对于肌肉肌腱、韧带、关节等软组织的构建效果并不理想，模型难以呈现骨折周围组织的情况。
腕关节解剖结构复杂，涉及众多肌肉、肌腱、韧带、关节囊与神经，其中腕管内就包含9条肌腱及正中神经[36-37]，腕关节的功能活动依赖于各组织的精密协作完成。前臂肌肉通过肌腱传导动力使腕关节产生运动，各肌肉间的协同作用维持腕关节在复杂运动中的稳定性[38-39]。不同的肌肉激活状态会影响腕关节内部应力分布[40]，而不同生物组织有不同的力学特性，对外界的机械作用也会做出各自相应的电生理反应[41]。故在腕关节有限元分析研究中，应尽可能区分不同的软组织，对其赋予不同的材料参数，以模拟更真实的软组织构成，构建更为完整、仿真的有限元模型。
不同的建模方法提取的数据资料是影响有限元模型精确度的关键因素。图像处理法是目前有限元模型建立的主要方法，根据人体医学影像数据，建立某部位的三维有限元模型[2]。既往大多腕关节有限元研究仅利用CT影像数据建立有限元模型，而CT技术对软组织的成像较差，无法准确建立肌肉、肌腱及关节的模型，故骨骼韧带模型的构建多见，在建模过程中，较少涉及细分肌肉及肌腱等组织，且外周皮肤软组织作为力学介质多做均一化处理，最终建立的腕关节模型与人体实际存在较大偏
差[42-44]。MRI在软组织成像上具有独特优势，可以清晰显示肌肉、肌腱及韧带等软组织的结构[45]，采用MRI数据资料建立有限元模型能更准确、更精细地还原腕关节真实解剖结构。
前臂肌肉组织起止点各不相同，对应的功能也有较大差异[46]。桡侧腕屈肌、尺侧腕屈肌等主要负责腕关节的屈曲，桡侧腕长伸肌、桡侧腕短伸肌、尺侧腕伸肌及指伸肌等主要负责腕关节的伸展，前臂肌群之间协调配合可以有效缓冲并传导力
量[30，47]。有限元研究中肌肉建模的细化，对于阐明各部分肌肉在腕关节病变发生、发展及治疗过程中的生物力学作用具有关键意义。高仿真有限元模型的建立，将显著拓展有限元分析在临床实践中的应用场景。三角纤维软骨复合体的慢性劳损多因持续承受过度压力负荷所致[48]，通过构建高仿真腕关节有限元模型，对比不同干预方式下腕关节肌肉组织应力应变分布差异，可为三角纤维软骨复合体损伤的临床决策提供生物力学参考。腕关节置换术后远期并发症多与软组织力学失衡相关，常出现假体松动，甚至假体弯折、断裂等不良事件[49-50]。通过腕关节有限元分析建立高仿真模型，调整假体置入的力学平衡点，使假体与韧带、肌肉肌腱协调作用，有望维持腕关节动态稳定性和生物力学平衡。这对于腕关节置换术前规划具有重要临床价值，可以延长假体使用寿命，降低术后并发症发生率。在骨科外固定系统的设计中，借助高仿真腕关节有限元模型，可以精准量化评估外固定装置对腕周肌肉组织的应力-应变影响，分析其对腕关节动态稳定性的影响，进而为外固定系统构型的优化及临床应用提供指导。建立更仿真、更全面的腕关节有限元模型是未来有限元分析发展趋势，有助于开展更深层次的生物力学研究，对骨科临床实践将发挥更关键的作用[51]。作者课题组在前期的有限元研究中已经建立了较为精细的腕关节有限元模型[52]，包括尺桡骨、手腕骨、关节软骨、主要韧带，并以此模型为基础，探究了外固定治疗腕部骨折的生物力学机制。此次研究以此建模方法为基础，对肌肉组织进一步细分处理，在数据提取方面，引入MRI影像资料，并结合CT数据完成骨骼和肌肉的重建，并经过区域增长、表面光滑、逆向处理、网格划分等步骤，完成更加精细的腕关节有限元模型的建立。通过与已发表文献中尸体实验的结果进行对比，验证了此次研究建立的高仿真有限元模型的有效性。
目前有限元分析中对软组织模型的建立关注较少。此次研究建立的有限元模型在既往研究基础上进一步对肌肉肌腱进行了细分处理，模拟了更完整的腕关节骨与软组织结构，建立了肌肉的起止点及肌肉走行过程中与骨骼之间的接触，得到了更为仿真的腕关节有限元模型，建立的有限元模型更加接近人体正常的生理形态，为后续开展相关腕关节生物力学研究提供更可靠的基础支持。但此次研究仍存在以下不足：目前肌肉组织的弹性模量的赋值仍缺乏可靠的行业标准，无法对不同的肌肉组织依生物力学特性分别赋值；在MRI图像处理过程中肌肉与其他组织相连续，计算机软件无法实现完全自动化切割提取，在建模过程中采用了人工操作切割与修补的方法，同一条肌肉的肌腹与起止点腱性组织未加以细致区分，在骨骼、软组织、韧带单元组装过程中参照了文献及解剖学图谱进行人工组装，这些都有可能影响模型的准确性。相信不懈研究必将推动技术进步，随着科技的不断发展，未来的有限元研究将引入更先进的技术，建立出更精确仿真的人体关节有限元模型。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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此次研究通过收集一名健康志愿者同一体位相同范围的上肢CT及MRI数据，导入Mimics 20.0软件中，采用阈值选择、区域增长、图像分割等方法，分离腕关节相关骨骼，并重建肌肉、肌群及骨间膜，在Solidworks 2020软件中光滑修改及逆向处理，生成肌肉与骨骼的实体模型并装配，在Hypermesh 14.0对模型进行表面优化处理、曲面片及网格的划分，将赋予材料属性的模型导入ABAQUS 6.13。通过TIE连接在肌肉、骨间膜与各骨骼部分之间建立联系。绘制桡腕关节、尺腕关节及下尺桡关节的关节软骨，对接触面赋予接触属性。采用非线性弹簧单元模拟韧带，添加腕关节周围的主要韧带。最终建立了包括骨骼、肌肉、肌腱、韧带、骨间膜、桡腕关节面软骨、三角纤维软骨盘的腕关节三维有限元模型，共有759191个单元，245510个节点。其中肌肉有旋前圆肌、旋前方肌、旋后肌、外侧肌群、掌侧肌群、背侧肌群；韧带有远端掌背侧尺桡韧带、桡侧副韧带、桡舟头韧带、桡舟月韧带、桡月韧带、桡三角韧带、桡尺三角韧带、尺侧副韧带、尺三角韧带、尺月韧带、环状韧带以及伸肌支持带。通过对比相关尸体研究文献验证了模型的真实有效性。

此次研究结合CT及MRI数据，对软组织精细化建模，模拟了更完整的腕关节骨与软组织结构，建立了肌肉的起止点及肌肉走行过程中与骨骼之间的接触，构建了解剖结构更为真实的腕关节有限元模型，为解决既往有限元研究对腕关节外周软组织均一化处理的缺陷提供了一种更为仿真的建模方法。此次研究建立的有限元模型更加接近人体正常的生理形态，可以更真实地模拟腕关节常见疾病(如桡骨远端骨折、三角纤维软骨复合体损伤等)的病理状态，为后续相关生物力学研究提供更可靠的基础支持，也将显著拓展有限元分析在临床实践中的应用场景。#br# #br# #br# 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

一种高仿真腕关节有限元模型的建立及验证

Establishment and validation of a high-fidelity finite element model of the wrist joint

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[1]	曾轩, 翁汭, 叶仕成, 唐佳栋, 莫凌, 李文超. 两种腰椎旋扳手法治疗腰椎间盘突出症：生物力学差异的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2153-2161.
[2]	武泓序, 刘轩宇, 王韬宇, 王诗尧, 程靖祎, 张鸣文, 张银霞, 刘治华, 王晓洁. 引入肌肉单元的脊柱侧弯有限元仿真：双向载荷的矫形效果验证[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2172-2181.
[3]	刘佳富, 任茹霞, 廖州伟, 周夏丽, 吴益宏, 张少群. 颈性眩晕模型大鼠颈椎生物力学特性的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2182-2190.
[4]	郑汪杨, 费冀, 杨砥, 赵浪, 王伶俐, 刘鹏, 李海洋. 有限元分析肱骨外展与前屈运动中冈上肌腱及盂肱关节的受力变化[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2199-2207.
[5]	蔡其锐, 戴小玮, 郑晓斌, 简思莉, 卢绍平, 刘特熹, 刘国科, 林远方. 龙氏牵引下正骨法对颈椎功能单元的力学影响：头颈生物力学模型定量分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2208-2216.
[6]	饶敬澄, 李豫皖, 郑红兵, 徐志, 朱爱祥, 史册, 王冰, 杨春, 孔祥如, 朱大伟. 新型股骨近端稳定髓内钉与传统髓内钉生物力学的差异[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2217-2225.
[7]	陈龙, 王小阵, 席金涛, 鲁齐林. 短节段置钉联合可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中的生物力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2226-2235.
[8]	闫相宁, 陈雷, 陈永欢, 王超, 李小生. 下蹲动作中不同深度和负荷对膝关节力学和周围肌肉力量特征的影响[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2236-2247.
[9]	张先绪, 马忠, 刘欣, 黄磊, 沈文翔, 罗志强. 腰椎融合联合单侧固定治疗腰椎退行性疾病：生物力学、技术演化及临床应用[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2334-2342.
[10]	张楠, 孟庆华, 鲍春雨. 踝关节有限元模型的特性及临床应用[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2343-2349.
[11]	周道斌, 王科豪, 谢洋, 宁仁德. 掌侧锁定钢板与联合背侧钢板固定桡骨远端骨折尺背侧骨折块的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2255-2261.
[12]	张子华. 从坐到站动作老年下肢肌群仿真及用力特征分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1407-1416.
[13]	钟彩红, 肖晓歌, 李明, 林剑虹, 洪靖. 运动相关髌腱炎发病的生物力学机制[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1417-1423.
[14]	尚德鹏, 魏海宇, 杨帆. 三种不同螺钉内固定治疗L1椎体严重骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(3): 537-545.
[15]	余新林, 陈辉宇, 王盈盈, 郭卫中, 冯彬, 林成寿, 林旺 . 新型股骨外髁逆行髓内针内固定治疗股骨远端A2 型骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(3): 546-552.