基于CT影像动态膝关节有限元模型的构建及仿真力学分析

• 作者: 乔锋 侯成志 刘广伟 成永忠 秦伟凯 赵勇 陈彦飞 鲁超
• 来源期刊: 中国骨伤
• 学科: 医学
• 关键词: 膝关节 有限元分析 仿真力学 屈膝角度
• 年，卷（期）: 2020,（5）
• 所属期刊栏目: 基础研究
• 页码范围: 479-484
• 页数: 6页
• 分类号: R684
• 字数: 5328字
• 语种: 中文
• DOI: 10.12200/j.issn.1003-0034.2020.05.018

摘要

目的:基于CT影像资料构建动态性膝关节有限元模型,并进行模型的有效性验证和初步的有限元分析,为膝关节的生物力学研究提供仿真模型和基础数据.方法:选取1名健康男性膝关节CT资料,借助Mimics 19.0和Hypermesh 12.0等软件,从膝关节的三维模型构建入手,经几何重建、逆向工程、网格划分、材料定性等步骤,建立高仿真的有限元模型.通过确定边界条件和扭矩加载产生动态性的屈膝模型,并进行模型的有效性验证.予有限元模型施加近似屈膝活动时所承受的载荷(500 N),研究分析不同屈膝角度下胫股关节和髌股关节的生物力学变化.结果:基于CT影像并结合解剖特性建立了膝关节有限元模型,模型包括骨、韧带、软骨、半月板和髌骨支持带等三维单元,在确立边界条件后施加不同扭矩产生了不同屈膝状态下的有限元模型.根据等同工况(屈膝30°,股四头肌腱受200 N牵张)加载显示髌骨的应力峰值为2.209 MPa,平均Mises应力为1.132 MPa;股骨滑车的应力峰值为1.405 MPa,平均Mises应力0.936 MPa,与既往研究比较差异性在1％～13.5％,证明模型的有效性.动态性的模型加载发现:胫股关节的Mises应力随屈膝角度增加而下降;而髌股关节的Mises应力与屈膝角度正相关,不同屈膝角度下各软骨应力面的Mises应力对比,差异均有统计学意义(P＜0.05).结论:研究建立的有限元模型结构更趋完整,可有效模拟动态性膝关节的生物力学特性,为膝关节进一步的仿真力学研究提供了支撑.

作者信息

序号	姓名	单位	发文数	被引次数	H指数	G指数
1	成永忠	中国中医科学院望京医院骨伤综合科	42	290	11.0	16.0
2	赵勇	中国中医科学院望京医院骨伤综合科	80	960	17.0	29.0
3	鲁超	西安交通大学附属红会医院骨科	16	47	4.0	6.0
4	秦伟凯	中国中医科学院望京医院骨伤综合科	28	360	10.0	18.0
5	乔锋	西安交通大学附属红会医院骨科	18	32	3.0	5.0
6	侯成志	中国中医科学院望京医院骨伤综合科	5	1	1.0	1.0
7	陈彦飞	西安交通大学附属红会医院骨科	3	9	1.0	3.0