正常步态下距骨三维有限元模型的建立

正常步态下距骨三维有限元模型的建立摘要：目的：建立一个具有高度几何相似性的足踝部三维有限元模型，并用此模型静态地分析人体不同步态相时距骨的生物力学特性，量化距骨的应力-应变状况。方法：基于志愿者足的三维CT扫描数据，利用Mimics13.0、Geomagic10.0软件对足踝相关组织进行几何重建，导入Hypermesh10.0软件中进行网格划分，赋予材料属性，最后导入相）时的受力状况，进行有限元分析。结果：建立距骨及周围结构的三维有限元模型，共21865个节点、73440个单元，具有较好的几何相似性。正常步态中从落地相到离地相中等效应力峰值在距骨滑车分别为3.0MPa、4.3MPa、4.8MPa；在距骨颈分别为1.3MPa、1.9MPa、2.8MPa；在距舟关节分别为2.8MPa、3.0MPa、3.4MPa；在距下关节分别为2.2MPa、1.8MPa、1.5MPa。结论：本研究中创建的三维有限元模型，经验证是一个正确可靠的模型，可以帮助临床医生和其他研究人员更好的理解正常步态下距骨的许多生物力学特性。关键词：距骨；生物力学；有限元分析；步态引言：距骨具有独特的解剖结构和功能，无肌肉附着，大部分骨质被关节软骨面包围，是人体重力传至足部的枢纽，故有“骨半月板”之称［1］。人体在行走时，足踝的生物力学变化比较复杂，因此研究正常步态下距骨生物力学变化较为困难。全面了解距骨在正常步态下的应力分布可以为我们研究距骨生理学和病理学提供十分有用的信息，理解距骨在正常步态下力的传递对足的损伤及治疗有重要意义。活体组织研究能得到较为精确数据，但因伦理学的原因受到限制。随着计算机技术和有限元理论的不断发展，人们开始大量使用数值模型和有限元法分析复杂的结构。与以往的生物力学实验相比，有限元方法可以建立高度几何相似及物理相似的有限元模型，既可以反映区域性力学特性，有可以反映整体信息；既可以进行精确的数字分析，有可以进行形象的、直观的定性研究。有限元分析方法的最大特点是对生物体的无损伤，可以模拟活体组织内部的生物力学行为，完成其他研究方法所不能实现的加载方式及约束条件，得到客观实体实验所难以得到的研究结果。可以通过改变载荷加载方式、改变材料特性等方法进行个体化受力分析，研究省时快捷，费用低廉，应用面广。本研究基于CT数据建立距骨及周围结构的三维有限元模型，分析不同步态下距骨结构的应力变化，以期为距骨生物力学研究提供新的研究手段。1材料与方法1.1数据收集：男性志愿者1名，25岁，身高170cm，体质量60kg。先行X线检查，排除足部肿瘤、畸形等其他病变，进行右足踝部64排螺旋CT平扫，层厚0.45mm，数据以DICOM格式输出保存。1.2有限元模型建立CT扫描的数据导入三维重建软件Mimics13.0，通过阈值分开骨组织及软组织，建立距骨及周围结构的几何模型，输出为STL文件。然后导入逆向工程软件GeomagicStudio10.0中，对模型进行除噪点、平滑，根据各关节面的几何形状，在各骨面上划分软骨边界，最后拟合曲面，输出为Iges格式。再导入有限元前处理软件Hyperwork10.0中，按照上述生成的软骨边界，生成软骨；依据韧带解剖数据，通过五条纤维束三维排列连接韧带附着点建立韧带模型，最后对实体模型进行网格划分、设置材料属性等处理。最终导入ABAQUS6.9软件进行计算分析等后处理。有限元模型见图1。1.3材料参数：骨性结构和软骨均模拟为各向同性的线弹性材料，韧带使用非线性单轴连接单元来模拟其只受拉、不受压的特性。骨、软骨、韧带的材料特性由实验文献确定［2-6］，列于表1、表2。1.4边界条件及载荷：对步态过程中位相的划分方式很多，但通常将其分为落地相、中立相、离地相3个位相。正常步态踝关节运动方式由距骨体滑车关节面确定，侧面观，距骨体滑车形状近似圆锥一部分，腓侧曲率半径大于胫侧，踝关节在矢状面屈伸运动轴不是水平的，自内上向外下倾斜，并且也不是恒定不变的，但是在正常步态中，踝关节屈伸运动的瞬时旋转中心位于距骨体内并且十分靠近，因此可以近似认为是一个点。本研究屈伸运动轴及旋转中心的确定根据以前学者的研究方法，确定距骨滑车胫、腓侧穹弧的圆心，连接两个圆心，即为旋转轴，两圆心的中点为旋转中心［5,7-8］。踝关节在步态运动中的受力状况研究采取将其作为相对静止加载的近似方法，加载在胫腓骨截面上。关节面之间建立接触对，摩擦系数为0.01［5］。不同位相受力状况参考文献数据［9］，见表3。2结果：建立距骨及周围结构三维有限元模型，其形态还原性好，重建效果较理想，能任意旋转，可获得详细、满意的三维信息。模型分析结果与以往研究具有相似性［4-5,10］，认为模型有效，可以用来进一步分析计算。足踝部不同位相VonMises应力分布如图2、3。距骨不同区域最高等效应力分布值见表4。由图3、表4可以得出，不同位相距骨VonMises应力值及分布范围不同，等效应力在距骨滑车、距骨颈及距舟关节从落地相到离地相逐渐增大，在距下关节逐渐减小。3讨论：足踝部生物力学研究长期以来一直受到众多生物力学专家的关注。距骨具有重要的生物力学功能，一旦解剖结构紊乱、破坏，对足的功能影响较大［11-12］。因距骨运动生物力学复杂，在人体内测量及研究其生物力学较为困难，要完全理解距骨的三维信息依然是一个难点。传统的骨科生物力学实验主要是以动物模型或尸体模型为基础，而且绝大多数研究方法都是避开其他因素而进行的单因素体外研究，与人体内在的实际运动及损伤机制和顺序可能有一定差别。动物模果虽然最为可靠，但由于实验手段的缺陷及伦理等因素的影响，想在不改变其生理状态的情况下得到生物十分困难的。尸体模型虽然在几何相似性有很大的优势，却又会改变生物体作为活组织的特性，难以获得各异的力学性能，同时一个标本具有疲劳性，不能反复利用，使对照研究的可比性下降，且实验费用较高，取材较困难，想得到实验对象内部任意部位的生物力学变化也十分困难。近年来，随着医学影像技术和计算机科学的发展，有限元分析作为一种较新的生物力学研究手段，逐渐应用到足部生物力学领域［13-15］。有限元法进行的模拟实验具有实验时间短、费用少、可模拟复杂边界条件、力学性能测试全面及可重复性好等优点。利用有限元软件的强大建模及线性、非线性分析功能，可以精确地建立人体骨骼、肌肉、韧带等组织的三维模型，并能够赋予其生物力学材料属性，模拟拉伸、弯曲、扭转等生物力学载荷，可以求解在不同载荷下任意部位的变形、应力、应变分布、内部能量变化及屈服等情况。本研究利用正常人体足部CT扫描数据，导入到Mimics软件，建立距骨及周围结构的三维数字模型，然后转换格式，输出到有限元软件Abaqus中，建立精确的三维有限元模型，进行分析计算。本模型的建立具有以下优点：1、较高的模型精确度。原始DICOM数据来自足部64排螺旋CT扫描，扫描层面薄，包含的信息量大，直接利用Mimics、GeomagicStudio建模，没有掺杂人为因素，大大减少误差，较真实地还原了骨骼的几何模型；2、利用专业网格划分软件Hypermesh，划分单元质量高，单元大小合理，网格模型形态与实体模型形态一致，能从力学上真实地代表原物，计算结果更精确。距骨在步态过程中的力学性能是相当复杂的，为了有限元模型计算收敛，对模型材料等方面做了一些简化。研究显示距骨在在行走过程中的不同位相位相时的应力分布区域又有很大的变化，距骨背、距骨颈及距舟关节面等效应力从落地相到离地相逐步增高，而距下关节面应力值逐步减小。距骨各关节面应力分布对关节软骨的退变及骨关节炎形成密切相关，不合理的应力分布导致软骨退变，进一步促进骨关节炎的发生。因距骨结构的复杂性及实验条件的不可控性，关节面的压力具有很大的个体差异性，但整体的分布范围又具有相似性［16］。Gefen等用有限元模型计算显示距骨应力增高区在距骨背，从落地相的2.55MPa到离地相的3.55MPa［4］。刘立峰等研究显示落地相时距下关节后关节面的VonMises等效应力相对于前关节面大，三位相中距下关节最大应力值为起步相时的3.92MPa［17］。Anderson等测量静止站立时胫距关节面的接触应力，两具实体标本测量的结果分别是3.69MPa和2.92MPa，有限元模型分别是3.74MPa和2.74［10］。以上研究距骨等效应力及关节面压力分布结果与本研究相似，这也进一步说明了本模型的有效性，可以用于临床及相应的生物力学研究。目前对足踝部生物力学的研究虽然取得很大的研究成果和进展,但仍然存在不足。本研究基于CT序列图像，建立人体正常步态下距骨及周围结构的三维有限元模型，较真实，准确地模拟了距骨及周围结构的解剖形态，为进一步的距骨生物力学研究提供了基础平台。参考文献：［1］RammeltS,ZwippH.Talarneckandbodyfractures［J］.Injury,2009,40(2):120-35.［2］JacobS,PatilMK.Three-dimensionalfootmodelingandanalysisofstressesinnormalandearlystageHansen'sdiseasewithmuscleparalysis［J］.JRehabilResDev,1999,36(3):252-63.［3］FunkJR,HallGW,CrandallJR,etal.Linearandquasi-linearviscoelasticcharacterizationofankleligaments［J］.JBiomechEng-TAsme,2000,122(1):15-22.［4］GefenA,Megido-RavidM,ItzchakY,etal.Biomechanicalanalysisofthethree-dimensionalfootstructureduringgait:Abasictoolforclinicalapplications［J］.JBiomechEng-TAsme,2000,122(6):630-9.［5］AndersonDD,GoldsworthyJK,ShivannaK,etal.Intra-articularcontactstressdistributionsattheanklethroughoutstancephase-patient-specificfiniteelementanalysisasametricofdegenerationpropensity［J］.BiomechModelMechan,2006,5(2-3):82-9.［6］CorazzaF,O'connorJJ,LeardiniA,etal.Ligamentfibrerecruitmentandforcesfortheanteriordrawertestatthehumananklejoint［J］.Biomech,2003,36(3):363-72.［7］FriggA,FriggR,HintermannB,etal.Thebiomechanicalinfluenceoftibio-talarcontainmentonstabilityoftheanklejoint［J］.KneeSurgSportTrA,2007,15:1355-62.［7］FriggA,FriggR,HintermannB,etal.Thebiomechanicalinfluenceoftibio-talarcontainmentonstabilityoftheanklejoint［J］.KneeSurgSportTrA,2007,15:1355-62.［8］BottlangM,MarshJL,BrownTD.Articulatedexternalfixationoftheankle:minimizingmotionresistancebyaccurateaxisalignment［J］.JBiomech,1999,32(1):63-70.［9］GiddingsVL,Beau