正常儿童髋关节三维有限元模型的建立及初步生物力学分析

研究背景：有限元分析方法是一门应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学，其主要应用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。自从1972年Brekelmans和Rybicki首次将有限元分析法应用于骨科生物力学的研究以来，有限元分析法逐渐被广泛应用于人体生物力学的研究，并取得了显著的成绩，使之成为了骨科领域生物力学研究最重要的手段之一。国内外有限元分析法应用于髋关节的研究主要集中在成人髋关节生物力学的评估、优化假体辅助设计参数和个体化方案探讨等方面，关于儿童髋关节三维有限元模型的建立和其应力分析的文献报道甚少，虽然马承宣、阿良等建立了儿童髋关节的二维有限元模型，但目前尚未见包含真实软骨的正常儿童髋关节三维有限元模型及其生物力学研究的相关文献报道。 目的：①探讨正常儿童包含软骨在内的髋关节三维有限元模型的构建方法。②通过对髋关节软骨形态学测量，初步探讨儿童髋关节软骨的分布特点及生物学意义。③在建立三维有限元模型的基础上，模拟单腿站立位对正常儿童髋关节进行初步的生物力学分析，验证该模型能否进行生物力学研究，并探讨正常儿童髋关节表面生物力学分布特点。 方法：获取正常儿童髋关节标本，完整去除髋关节周围肌肉韧带等软组织，仅保留骨与软骨组织，进行64排CT薄层扫描得到Dicom格式的计算机图像数据，使用医学影像处理软件Mimics及逆向工程和三维检测软件Geomagic Studio Version 8.0构建髋关节三维几何实体模型，将模型导入ANSYS10.0软件，采用实体模型建模法，进行网格划分并设定单元属性，建立三维有限元模型。同时在重建的髋关节软骨模型中对不同部位的软骨厚度进行测量，此外还在标本中对髋臼盂唇切除前后的容积变化进行了测量，以初步探讨分析髋关节软骨的分布特点及其生物学意义。再在已建模型的基础上模拟单腿站立位，在有限元分析软件ANSYS10.0中确定边界条件，加载生理负荷，进行有限元法分析计算。 结果 1．成功构建了正常儿童髋关节的三维有限元模型：建立的模型包含了髋关节诸骨及完整软骨成分，具有良好的生物形态，其外形与实体标本高度一致，模型可以任意旋转从不同角度观察，可获得髋关节的直观及整体的印象。 2．通过形态学测量发现髋臼软骨及股骨头软骨并非为均一的厚度，总体分布趋势为：股骨头软骨中间厚四周薄，而髋臼软骨呈中间薄四周厚，髋臼唇的存在大约增加了髋臼36％的容积。 3．通过对儿童髋关节单腿站立位进行三维有限元生物力学分析发现：正常儿童髋关节单腿站立位时应力主要集中于股骨头软骨表面的最上部分、髋臼软骨表面顶穹区及其相对应的臼顶区，压力以放射状分布向周边逐渐减弱，髋关节接触压力峰值为1.25MPa，头臼间作用力为437N，约相当于2.5倍体重力。 结论： 1．通过采用CT扫描资料和Mimics等软件获得的影像数据，快速建立三维有限元模型的方法切实可行，极大的提高了有限元模型建模的速度和精度。 2．该模型能够反映正常儿童髋关节骨与软骨的系统解剖形态，可以模拟正常儿童髋关节进行生物力学研究。