基于ANSYS研究人体膝关节生物力学模型

由于膝关节在几何形状上的不规则性和组成物质的非均匀性,以及用人体做力学试验的不可行性,近年来医学成像方式、计算机图像处理、三维建模、有限元数值模拟方法就深化成为人们对人体认识的一种有效手段,在膝关节生物力学研究中日益受到重视。本文的主要任务是从高精度的医学图像数据出发,建立膝关节几何结构模型,并进而导入有限元软件进行相关的力学分析研究。 在三维几何建模方面,本文着重探讨了基于1mm层厚的CT医学图像,进行膝关节三维几何建模的整套流程,包括医学成像方式、计算机图像处理和三维建模方法,利用医学重建软件Mimics分别建立了全膝关节和胫骨骨折的三维几何模型。建立模型的外形与实际的在体情况相符合,很好的表达了膝关节的解剖结构特点。 在有限元分析方面,本文选用ANSYS软件,对胫骨关节模型在模拟体重为70Kg的成人,处站立位时施加边界约束和载荷,并进行了一系列数值仿真计算。由于人体骨骼是一种非均匀的、各向异性的复合材料,所以在这一部分,文中还着重讨论了如何根据图像灰度值的不同分别对模型的密质骨、松质骨和骨髓三部分赋予不同的材料属性,使得计算模型更加接近真实情况。 从仿真计算的结果中得出在胫骨外侧平台出现最大位移达到0.964mm的塌陷,且最大等效应力和xy方向剪切应力均分布于外侧平台,与相关的骨科临床医学资料和前人研究成果相比较,该结果吻合实际的胫骨关节受力情况,故文中所建立的胫骨关节模型是科学有效的。 从总体上看,本论文结合CT断层扫描技术、图像处理,三维建模以及有限元分析技术,探讨了原始数据的图像分割、膝关节的三维建模和有限元分析,根据膝关节骨折情况模拟受力的整个过程,将基于图像数据的三维建模方法和有限元分析在生物力学研究中得到应用和扩展。