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ANSYS在跟距关节面静压力有限元分析

发布于:2018-07-04 17:42
有限元分析

      跟骨是人体中最大的附骨,对行走及负重有重要的作用。跟骨形态复杂,呈不规则长方体,上面有三个关节面,分别为跟距前、中、后关节,跟骨后关节面最长,长轴呈凸弧形斜向前下方,组成跟距关节的大部分。以后关节面为界分为三部分,后关节面以前为前部,以后为后部,前窄后宽。在负重情况下,足的距骨、跟骨必须正确排列,有足够的力量和高度来承受负荷跟骨骨折是临床常见骨折。跟骨骨折由于本身复杂的剖解特点复杂,现有方法对跟骨尤其是跟距关节面的生物力学分析有一定的难度。本研究旨在通过Mimics建立高度仿真的跟骨模型,并且导入ANSYS中进行静压力有限元分析,对跟距关节面的应力分布做简要分析。并通过此方法的建立,为研究跟骨骨折的生物力学研究建立初步方法。
      被测试对象:健康男性1名,身高170cm,体重60kg,年龄30岁。采用某市中心医院西门子螺旋CT对其进行足部扫描。
      用Simens多排螺旋CT对受试者的足部进行扫描,受试者呈仰卧位,从胫骨中段至足底进行连续螺旋扫描,将影像输入到MimicsApp(Materialise企业,比利时)。
      CT断层扫描图片以dicm格式导出,以MimicsApp(比利时)导入,形成三维图像,并且通过对感兴趣的部位(本研究为跟骨)单独形成三维图像,再导出为lis格式,并且做smooth和mesh处理。然后将此文件导入ANSYS,并以此面模型建立体模型。在跟距关节面上根据剖解关系划出软骨关节面范围,设定跟骨的四面关键点为不可位移的关键点,再在软骨面上施加正常成人体重的1/2约343N,得出应力云图及各个方向的形变。
      MimicsApp可以顺利的将整个足的CT断层扫描数据转化为3D模型,然后选取研究感兴趣的部分如跟骨单独成像。比传统CT图像胜在更直观,并去除了剖解结构的限制,可以从任意角度观察跟临床感兴趣的部位。将跟骨单独形成三维图像后再导出为lis格式,并且做smooth和mesh处理,然后将此文件导入ANSYS可以建立能够进行有限元分析的网络模型。
      设定跟骨的力学特性密度泊松值和杨氏模量。选定跟骨底部四个点为约束点,跟距关节面上根据剖解关系划出软骨关节面范围后施加343N静压力,时间为1s,求解可以得出在压力作用下跟骨模型的应力云图和各向形变。
      根据设定条件,ANSYS提示跟骨之跟距关节面受压力后跟骨内部的应力变化,关节面部分为桔黄色代表应力较大,其中中中央部分为红色代表应力最大为7.17MPa,跟骨体部为绿色代表较大代表应力较小。
      形变分析图示在跟距关节中央为红色提示形变最大为0.342mm,向外周延伸形变逐渐减小。这与临床跟骨骨折的常见表现类似。当应力超过跟骨本身的材料屈服标准时,跟骨就会发生不可逆的形变也就是骨折。
      Mimics可以方便的个体化建立准确有效的跟骨模型;
      ANSYS可以在方便快捷准确的分析跟骨跟距关节的的各种力学特性,比如静力分析。比较复杂的比如接触分析,在建立肌健软骨的正常模型的基础还可以进行运动分析;
      静力分析表明跟距关节在正常静压力下,跟距关节的压力峰值集中在跟距关节中心,形变也与压力相应分布在附近。这和临床实践所见是相符合的。


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