佩戴腕保護(hù)器的腕部模型軸向加載實驗及有限元分析.pdf

1、研究背景和目的：
　　腕部骨折發(fā)病群體廣泛，發(fā)病率占全身骨折的6.7％~11%，由此而產(chǎn)生的住院醫(yī)療成本高昂。腕關(guān)節(jié)，由骨性結(jié)構(gòu)、下尺橈關(guān)節(jié)、尺腕關(guān)節(jié)、腕中關(guān)節(jié)、腕骨間關(guān)節(jié)及腕掌關(guān)節(jié)組成，是位于前臂和手之間的一種復(fù)合關(guān)節(jié)。其中，骨性結(jié)構(gòu)又由尺橈骨遠(yuǎn)端、手舟骨、月骨、三角骨、豌豆骨、大多角骨、小多角骨、頭狀骨、鉤骨和1-5掌骨基底構(gòu)成，是組成腕關(guān)節(jié)的重要部位。骨性關(guān)節(jié)和其他關(guān)節(jié)不僅在功能上互相呼應(yīng)，游刃有余；在結(jié)構(gòu)上也緊密分工，互為

2、一體，所以常稱之為腕關(guān)節(jié)復(fù)合體。其力學(xué)機(jī)制較復(fù)雜，也是人體最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，因此腕關(guān)節(jié)受損極有可能引發(fā)其他腕部骨折和損傷，進(jìn)而影響人體上肢相關(guān)部位的健康，故對腕關(guān)節(jié)進(jìn)行深入細(xì)致的研究具有重要的臨床意義。
　　導(dǎo)致腕關(guān)節(jié)受損的因素有多種，其中生物力學(xué)因素在探尋腕部損傷治愈方面有著重要的實踐指導(dǎo)意義。本文正是基于此，從實驗生物力學(xué)角度入手，且通過人體模型擬實驗、動物模型實驗、尸體模型實驗及有限元仿真分析已經(jīng)較充分地闡述了腕部力學(xué)機(jī)制、治療

3、評價及建立了各種腕部疾病的模型。目前，對于腕部損傷預(yù)防的研究仍局限于使用藥物治療骨質(zhì)疏松、QCT的骨質(zhì)疏松骨折預(yù)測等方面。
　　本課題旨在通過尸體腕部模型力學(xué)測試與計算機(jī)腕部仿真分析相結(jié)合，利用兩者相互驗證，對腕部保護(hù)器進(jìn)行力學(xué)對比分析和效果評價，為后續(xù)進(jìn)行腕部損傷模擬實驗及腕部保護(hù)器的優(yōu)化設(shè)計提供實驗數(shù)據(jù)及平臺。
　　研究內(nèi)容和方法：
　　1．尸體腕部模型的軸向加載對比分析
　　通過放射學(xué)攝片與骨密度測定初篩實

4、驗標(biāo)本，選擇8例腕部實驗標(biāo)本制作成尸體腕部模型，實驗分組后在生理載荷600N范圍內(nèi)，對腕部尸體模型進(jìn)行靜態(tài)軸向加載實驗，從而得出實驗組和對照組模型各自應(yīng)力大小和分布情況，最后運用統(tǒng)計分析方法對兩組實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行T檢驗，以期得到有效結(jié)果。
　　2.計算機(jī)仿真腕部三維有限元模型及腕保護(hù)器三維有限元模型的構(gòu)建
　　選擇一例青年志愿者進(jìn)行CT掃描，獲得前臂及手Dicom數(shù)據(jù)，通過Mimics10.01初步構(gòu)建腕部三維幾何模型，并轉(zhuǎn)化成

5、標(biāo)準(zhǔn)的文件格式導(dǎo)入 Geomagic Studio12.0中，以期能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行補(bǔ)洞及平滑處理；接著將重新生成的腕部三維模型以 IGES格式導(dǎo)入 Abaqus6.51有限元分析軟件，計算結(jié)果后獲得最終數(shù)據(jù)以此來驗證本實驗真實、科學(xué)、有效。此外，本文最終的目的是證明護(hù)腕的功能和作用，所以在Abaqus6.51中直接構(gòu)建腕保護(hù)器三維有限元模型。
　　3．腕部三維有限元模型受沖擊力的仿真對比分析
　　對兩組標(biāo)本均進(jìn)行2m/s沖擊速

6、度持續(xù)20ms的短暫動態(tài)沖擊實驗，對比評價兩組模型的橈骨遠(yuǎn)端部、尺骨遠(yuǎn)端部、舟骨部及第五掌骨基底部的應(yīng)力分布情況、應(yīng)力峰值及達(dá)峰時間。
　　1．尸體腕部模型的軸向加載對比分析
　　本研究中分別對實驗組與對照組模型選擇400N和600N的加載載荷，采用SPSS21.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):
　　當(dāng)加載載荷為400N時：
　?、賹嶒灲M橈骨遠(yuǎn)端掌側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　

7、②實驗組尺骨遠(yuǎn)端掌側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　?、蹖嶒灲M橈骨遠(yuǎn)端背側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　④實驗組尺骨遠(yuǎn)端背側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　?、輰嶒灲M橈骨近端掌側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　⑥實驗組尺骨近端掌側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　?、邔嶒灲M橈

8、骨近端背側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組大，P＞0.05，無統(tǒng)計學(xué)意義。
　?、鄬嶒灲M尺骨近端背側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組大，P＞0.05，無統(tǒng)計學(xué)意義。當(dāng)加載載荷為600N時：
　　①實驗組橈骨遠(yuǎn)端掌側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　②實驗組尺骨遠(yuǎn)端掌側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　?、蹖嶒灲M橈骨遠(yuǎn)端背側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。④實驗組

9、尺骨遠(yuǎn)端背側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　　⑤實驗組橈骨近端掌側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　?、迣嶒灲M尺骨近端掌側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　?、邔嶒灲M橈骨近端背側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組大，P＞0.05，無統(tǒng)計學(xué)意義。
　　⑧實驗組尺骨近端背側(cè)單元所受應(yīng)力均較對照組大，P＞0.05，無統(tǒng)計學(xué)意義。
　　2.計算機(jī)仿真腕部

10、三維有限元模型及腕保護(hù)器三維有限元模型的構(gòu)建
　　所建立腕部三維有限元模型中包含骨骼136897單元，軟骨9166單元，軟組織228893單元，共計374956單元。在已建立的手腕部三維有限元模型上增加腕保護(hù)器模型，腕保護(hù)器包括20mm厚的軟性海綿材料和2mm厚的聚丙烯硬性材料，均用線彈性材料來模擬。
　　為了保證模型有效、可靠和科學(xué)，本文在建立有限元模型時設(shè)置了多種邊界條件：1、實驗組和對照組的標(biāo)本都進(jìn)行了合理的人體腕部伸

11、、屈、展、收、旋轉(zhuǎn)等動作；2、加載載荷必須在生理載荷范圍內(nèi)；3、模型運算簡要、獨立、全面、真實?？傊?，本實驗在最大程度上貼近實際，具有參考意義。
　　3.腕部三維有限元模型受沖擊力的仿真對比分析
　　根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，分別對橈骨遠(yuǎn)端及第五掌骨基底部達(dá)峰期一致的單元進(jìn)行配對T檢驗；同時對橈骨遠(yuǎn)端、尺骨遠(yuǎn)端、舟骨部、第五掌骨基底部終末期進(jìn)行配對T檢驗。
　?、賹嶒灲M橈骨遠(yuǎn)端峰值期所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義

12、。
　　②實驗組橈骨遠(yuǎn)端終末期所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　?、蹖嶒灲M尺骨遠(yuǎn)端終末期所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　?、軐嶒灲M舟骨遠(yuǎn)端終末期所受應(yīng)力均較對照組小，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　?、輰嶒灲M第五掌骨基底部峰值期所受應(yīng)力均較對照組大，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。
　?、迣嶒灲M第五掌骨基底部終末期所受應(yīng)力均較對照組大，P＜0.05，有統(tǒng)計學(xué)意義。

13、>　　結(jié)論：
　　1、實驗組與對照組尸體腕部模型在600N生理載荷范圍內(nèi)進(jìn)行的軸向加載靜態(tài)力學(xué)測試中，尺橈骨遠(yuǎn)近端掌側(cè)承受應(yīng)力大，且均表現(xiàn)為壓力；尺橈骨遠(yuǎn)近端背側(cè)受力相對較小，且主要表現(xiàn)為張力。在600N載荷范圍內(nèi)，佩戴腕部保護(hù)器顯著降低尺橈骨遠(yuǎn)端掌背側(cè)和尺橈骨近端掌側(cè)所承受應(yīng)力，尺橈骨遠(yuǎn)端背側(cè)所受應(yīng)力無明顯減少。
　　2、本文建立的腕部FEA模型能夠逼真模擬腕關(guān)節(jié)運動及腕部著地姿勢，且可很好地反映腕部所受沖擊載荷下腕部各部