手舟骨三維有限元模型建立及生物力學(xué)分析.pdf

1、三維有限元分析是借助電子計算機(jī)技術(shù)將工程力學(xué)和材料力學(xué)緊密結(jié)合在一起，是目前最常用的理論生物力學(xué)的研究方法，它是利用計算機(jī)處理三維圖像的功能，模擬在不同功能位置下的骨骼，清楚的顯示出復(fù)雜的骨骼形狀和生物力學(xué)的特點(diǎn)。
　　 手舟骨靠近腕關(guān)節(jié)的橈側(cè)，其形狀如舟，故名為舟狀骨，其80％的表面積被關(guān)節(jié)軟骨所覆蓋，背面較長而窄，表面粗糙不平。手舟骨的橈背側(cè)貫穿于其結(jié)節(jié)部、腰部及體部較深的血管壓跡形成手舟骨的縱軸及背嵴，由于手舟骨體部的半橢

2、圓形結(jié)構(gòu)為弧形且偏向近側(cè)，故其縱軸長度較舟骨的最大長度為小。手舟骨屬于短狀骨，其通過許多韌帶與橈骨的遠(yuǎn)側(cè)端、月骨、頭骨以及大、小多角骨構(gòu)成腕關(guān)節(jié)，因此手舟骨在腕關(guān)節(jié)中，對維護(hù)關(guān)節(jié)的穩(wěn)定和力量的傳導(dǎo)方面都起著非常重要的作用。
　　 但具體骨折類型的受傷機(jī)制尚未得到相關(guān)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。清楚了解手舟骨骨折的創(chuàng)傷機(jī)制對于骨折的診斷和制定治療方案有重要的指導(dǎo)作用，故有必要對手舟骨不同類型骨折的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行研究。
　　 目的:本

3、研究的目的在于建立一個完整的人體手舟骨三維有限元模型，利用該有限元模型，可以輕松的對手舟骨進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析，從而使該模型成為一個非常良好的生物力學(xué)的分析工具。應(yīng)用三維有限元技術(shù)建立精細(xì)的手舟骨模型，探討在腕關(guān)節(jié)背伸著地這一腕關(guān)節(jié)典型的受傷機(jī)制下手舟骨生物力學(xué)分析。
　　 方法:我們選擇的實(shí)驗(yàn)對象是一名健康成年男性志愿者，年齡29周歲，身高175cm，體重65kg，經(jīng)腕關(guān)節(jié)X線及CT檢查及詳細(xì)的體格檢查后排除既往手舟骨及腕關(guān)節(jié)

4、疾患及損傷。本實(shí)驗(yàn)所建立之?dāng)?shù)學(xué)模型，所有操作均在計算機(jī)利用相關(guān)軟件上完成。利用LightSpeed Biograph32排螺旋CT對志愿者右手腕關(guān)節(jié)進(jìn)行掃描，掃描范圍包括完整的右手、腕關(guān)節(jié)及尺橈骨遠(yuǎn)端，掃描電壓120KV,電流125mA，層厚0.625mm，層距0mm，共掃描300層，每層斷面圖像以512×512像素的DICOM格式保存。并借助Mimics軟件的圖像導(dǎo)入功能將CT的薄層掃描圖像以DICOM格式的圖像導(dǎo)入到Mimics14

5、.0軟件中，（包括軸位，冠狀位和矢裝位以及三維圖像四個視窗）應(yīng)用三維有限元技術(shù)對CT圖像進(jìn)行重建，建立完整的手舟骨皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的有限元模型，再將模型輸入Ansys13.0有限元分析軟件，對模型賦予材料的物理屬性，然后在舟骨近端與橈骨相關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面上，加載壓力1.5mpa，方向垂直于受力面，模擬在該外力狀態(tài)下的應(yīng)力分布并對其收集資料進(jìn)行生物力學(xué)分析。
　　 結(jié)果:
　　 (1)所建腕關(guān)節(jié)的正常有限元模型共包含433092

6、個節(jié)點(diǎn)，258429個四面體單元。所建模型可以真實(shí)的反映腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)情況。
　　 (2)在所建舟骨模型的近端面也就是手舟骨與橈骨關(guān)節(jié)面上予以加載1.5Mpa的載荷后，同時對于其它方向進(jìn)行約束，手舟骨腰部產(chǎn)生的剪切應(yīng)力最大，為70.999Mpa。
　　 結(jié)論:
　　 (1)三維有限元所建正常舟骨模型外觀逼真，所得數(shù)據(jù)和圖像可以重復(fù)使用。
　　 (2)應(yīng)用三維有限元分析建模分析后證實(shí)腰部是舟骨骨折的好發(fā)部位，與