骨质疏松股骨三维有限元模型的建立

doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2010.09.006

摘要/Abstract

摘要：

背景：通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体且模型间可比性低，对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段。
目的：建立骨质疏松股骨三维有限元模型。
方法：根据国人股骨平均参数，选择重度骨质疏松老年男性患者1例，年龄86岁，排除髋关节疾患。通过螺旋CT扫描获得骨质疏松股骨图像数据，将图像数据导入图像处理软件Mimics11.1进行图像处理，生成股骨骨皮质内、外表面的轮廓曲线；再将轮廓曲线数据导入建模软件Unigraphic NX4.0进行实体建模，得到具有骨皮质、骨松质、骨髓腔的股骨三维模型；将三维模型数据导入有限元分析软件Ansys11.0 进行赋值、网格划分、定义接触等操作建立骨质疏松股骨三维有限元模型。
结果与结论：建立了骨质疏松股骨三维有限元模型，为骨质疏松股骨限元模型的建立提供了切实可靠的方法，为研究骨质疏松股骨骨折的固定方法、关节置换等创造了条件

关键词: 股骨, 骨质疏松, 三维有限元, 螺旋CT, 数字化骨科技术

Abstract:

BACKGROUND: Usual mechanics experiment approach cannot be applied directly to human body and the inter-comparability of models is low. Therefore finite element numerical simulation to mechanical behavior of human body has become an effective method for better understanding of the human body.
OBJECTIVE: To establish a three-dimensional finite element model of femoral osteoporosis.
METHODS: According to the average Chinese femur parameters, 1 male patient with severe osteoporosis, aged 86 years, with no hip joint diseases, was selected. The data of femoral osteoporosis was obtained by means of spiral CT scanning. The graphical data were processed by the Mimics11.1 (a graph processing software), and the outline curve data of femoral bone cortex inside and outside surface were obtained. The curve data were imported into the Unigraphic NX4.0 for solid modeling. The femur three-dimensional model composed of the cortical bone, cancellous bone and medullary canal was obtained. The model data were imported into the Ansys11.0 for operations such as assigning, meshing, and contact interactions to establish three-dimensional finite element model of osteoporotic femur.
RESULTS AND CONCLUSION: Three-dimensional finite element model of femur of osteoporosis was successfully established, which provides a reliable method for the construction of finite element model of femoral osteoporosis, and creates conditions for investigating femoral osteoporosis fracture fixation method and joint replacement.

中图分类号:

R772.2

彭李华，陈世荣，唐进，黄梁库，熊飞龙. 骨质疏松股骨三维有限元模型的建立[J]. 中国组织工程研究, 2010, 14(9): 1545-1548.

Peng Li-hua, Chen Shi-rong, Tang Jin, Huang Liang-ku, Xiong Fei-long. Establishment of a three-dimensional finite element model of osteoporotic femur[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2010, 14(9): 1545-1548.

参考文献

引言

材料方法

讨论

三维有限元模型的精确性：数据采集更加精确，采用多层螺旋CT对活体股骨进行薄层扫描，可以得到股骨的容积数据。多层螺旋CT减少了传统单层CT在扫描过程中的数据丢失,使得股骨数据的采集更加精确^[19]。图像处理过程更为科学，基于CT扫描间接法建立股骨有限元模型报告较多^[20-22]。何荣新等^[23]将DICOM格式的CT数据转换为JPEG格式的图片进行图像处理软件获得轮廓数据然后到Solid2003上建模；也有CT数据转化为JPEG格式，记录各层的图像的二维维坐标，根据层厚层距，直接用Ansys建模^[24]。本文采用Mimics软件直接读取DICOM格式数据^[25]，并且可以通过CT值进行图像处理，避免了DICOM格式文件转化为其他格式过程中的精度的损失，用CT值为依据进行图像处理较利用图像灰度进行处理更为科学。精确的三维有限元模型的建立：将Mimics获得的三维图像数据可直接导入UG建模，避免人工录入图像坐标建模过程的误差。UG具为工业造型设计较为较为常用的软件,具有强大的实体建模功能,同时具有自身的有限元分析功能，解算器精度远不如专业的有限元分析软件Ansys。UG、Ansys二个软件优点的结合保证了三维建模和有限元分析的精确性。三维有限元模型的特点：本模型能较好的反映骨质疏松股骨的特征。通过先进的多层螺旋CT技术对骨质疏松股骨进行数据采集，使得采集的数据信息更加丰富。计算机利用Mimics软件直接读取DICOM格式的CT数据利用CT值图像后处理；图像后处理数据导入UG对股骨精确建模，得到了包含股骨皮质骨、松质骨、骨髓腔三维模型；对材料的赋值、网格的划分、定义接触、力学的加载，得到骨质疏松股骨的有限元模型。应力云图看出股骨应力的传导主要是从内、外侧皮质传导的，都是从近段向远端逐渐升高约在中下1/3处应力逐渐下降，应力最高处在股骨内侧，股骨内侧应力在股骨距及股骨中段较高。应力在股骨轴上的变化趋势与以往的研究一致^[26]；说明骨质疏松对股骨大体受力趋势影响较小。模型的建立为后续的研究打下基础。UG具有强大的实体建模功能，且有多个有限元软件接口。在UG中建立股骨模型的同时，可以较容易实现内固定物、人工关节假体的建模及模拟在股骨上手术，为后续的人工关节置换、内固定术等的三维有限元研究打下基础。建立骨质疏松股骨有限元模型为国内的首次报告。三维有限元模型局限性：人体骨骼严格说是各向异性的非弹性材料，国内外在有限元研究中对骨骼的赋质存在争论。El’Sheikh等^[27]认为可将皮质骨与松质骨看作分布均匀且各向同性体材料进行分析，对结果影响不大，而且明显简化了运算。对肌肉、韧带，对股骨的影响也进行近似处理。实验涉及多个复杂软件，研究人员同时掌握3个软件需要大量的精力；并且实验涉及较多环节，一个环节的错误会导致后期不能分析，需要重新修改模型，甚至得到错误的结论。随着人们对骨骼生物力学的进一步研究和有限元软件的升级换代，以及直接用于医学建模、有限元分析软件诞生，骨科生物力学将有更加深入的发展。

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