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腕关节有限元分析建模及力学分析

发布于:2016-04-18 21:09
有限元分析

      手是由骨、关节、韧带、肌肉和肌腱组成的,发挥手的任何功能都必须依赖于这些结构共同而复杂的配合来完成。只有深入地探索和研究其生物力学原理及各种疾病的发生、发展原理,手外科的整体理论深度和治疗水平才有可能得到进一步展,从而更好地应用于临床。本研究探索在个人计算机平台上依据活体图像结合剖解资料,构建腕关节三维有限元分析模型的可行性及其应用价值。
      本研究主要包括骨和软骨组织三维有限元的研究。从扫描图像中可以很清楚得到骨与软骨的轮廓分界,人工自由选择比较合适的单位拟定为软骨数据,其余部分拟定为骨骼数据,测量扫描图像中软骨轮廓,并参考文献中软骨厚度的数据,设置软骨层厚度为将扫描得到的图像以格式刻盘,导入到三维医学图像建模App,根据骨与软骨轮廓分界将骨与软骨分割,然后建立实体三维模型,并以格式导出。并再次导入到App中,对模型进行网格化,并对网格化后的模型进行网格优化,获得不包括软骨及其附属韧带等的完整腕部骨骼有限元模型,并在此模型中根据软骨层厚度进行手绘各软骨面,同时记录各骨模型的单元位置及单元编号,用于其后的材料属性的赋值,以及接触分析中接触对的定义。最终得到完整的腕关节整体三维有限元模型,包括近端尺桡骨、腕骨、掌骨、近节指骨及各软骨面。
      模型的材料属性,生物组织属于各向异性的非线性体,而且腕部结构复杂,影响因素众多。本研究着重讨论静态载荷下的腕舟骨的受力情况(主要为舟、月骨与桡骨接触面的接触应力分布情况),同时参考文献方法,模型中仅考虑了骨与软骨材料,以减少计算量。
      将模型中的桡骨和尺骨近端在个方向完全约束,对近节指骨各施加轴向共455H的压力载荷。为了更好地模拟腕管载荷传递情况,本模型将相邻腕骨、桡骨与尺骨、桡骨与腕骨、尺骨与腕骨、腕骨与掌骨各关节处的软骨单元设置为接触单元。根据剖解实验数据得到载荷作用下各骨周围可能与之接触的骨骼分布情况,设置各软骨接触对。考虑软骨之间的摩擦系数较小,且关节中的组织滑液有减小摩擦的作用,因此本研究没有考虑摩擦因素的影响。
      建立了包括桡,尺骨远端,腕骨,掌骨,近端指骨,各关节软骨面,三角纤维软骨复合体等结构的三维有限元模型,成功模拟了掌骨受轴向压力情况,并得到各腕骨应力分布图。尤其真实有效模拟轴向压力加载下舟状骨应力分布最为集中地分布于腰部,这明确说明了临床工作中舟状骨骨折多见于腰部,并且有效验证了本模型的真实性及有效性。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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