手舟骨三維有限元模型建立及生物力學分析.pdf

1、三維有限元分析是借助電子計算機技術將工程力學和材料力學緊密結合在一起，是目前最常用的理論生物力學的研究方法，它是利用計算機處理三維圖像的功能，模擬在不同功能位置下的骨骼，清楚的顯示出復雜的骨骼形狀和生物力學的特點。
　　 手舟骨靠近腕關節(jié)的橈側，其形狀如舟，故名為舟狀骨，其80％的表面積被關節(jié)軟骨所覆蓋，背面較長而窄，表面粗糙不平。手舟骨的橈背側貫穿于其結節(jié)部、腰部及體部較深的血管壓跡形成手舟骨的縱軸及背嵴，由于手舟骨體部的半橢

2、圓形結構為弧形且偏向近側，故其縱軸長度較舟骨的最大長度為小。手舟骨屬于短狀骨，其通過許多韌帶與橈骨的遠側端、月骨、頭骨以及大、小多角骨構成腕關節(jié)，因此手舟骨在腕關節(jié)中，對維護關節(jié)的穩(wěn)定和力量的傳導方面都起著非常重要的作用。
　　 但具體骨折類型的受傷機制尚未得到相關生物力學實驗的證實。清楚了解手舟骨骨折的創(chuàng)傷機制對于骨折的診斷和制定治療方案有重要的指導作用，故有必要對手舟骨不同類型骨折的發(fā)生機制進行研究。
　　 目的:本

3、研究的目的在于建立一個完整的人體手舟骨三維有限元模型，利用該有限元模型，可以輕松的對手舟骨進行結構力學性能分析，從而使該模型成為一個非常良好的生物力學的分析工具。應用三維有限元技術建立精細的手舟骨模型，探討在腕關節(jié)背伸著地這一腕關節(jié)典型的受傷機制下手舟骨生物力學分析。
　　 方法:我們選擇的實驗對象是一名健康成年男性志愿者，年齡29周歲，身高175cm，體重65kg，經腕關節(jié)X線及CT檢查及詳細的體格檢查后排除既往手舟骨及腕關節(jié)

4、疾患及損傷。本實驗所建立之數學模型，所有操作均在計算機利用相關軟件上完成。利用LightSpeed Biograph32排螺旋CT對志愿者右手腕關節(jié)進行掃描，掃描范圍包括完整的右手、腕關節(jié)及尺橈骨遠端，掃描電壓120KV,電流125mA，層厚0.625mm，層距0mm，共掃描300層，每層斷面圖像以512×512像素的DICOM格式保存。并借助Mimics軟件的圖像導入功能將CT的薄層掃描圖像以DICOM格式的圖像導入到Mimics14

5、.0軟件中，（包括軸位，冠狀位和矢裝位以及三維圖像四個視窗）應用三維有限元技術對CT圖像進行重建，建立完整的手舟骨皮質骨和松質骨的有限元模型，再將模型輸入Ansys13.0有限元分析軟件，對模型賦予材料的物理屬性，然后在舟骨近端與橈骨相關節(jié)的關節(jié)面上，加載壓力1.5mpa，方向垂直于受力面，模擬在該外力狀態(tài)下的應力分布并對其收集資料進行生物力學分析。
　　 結果:
　　 (1)所建腕關節(jié)的正常有限元模型共包含433092

6、個節(jié)點，258429個四面體單元。所建模型可以真實的反映腕關節(jié)結構情況。
　　 (2)在所建舟骨模型的近端面也就是手舟骨與橈骨關節(jié)面上予以加載1.5Mpa的載荷后，同時對于其它方向進行約束，手舟骨腰部產生的剪切應力最大，為70.999Mpa。
　　 結論:
　　 (1)三維有限元所建正常舟骨模型外觀逼真，所得數據和圖像可以重復使用。
　　 (2)應用三維有限元分析建模分析后證實腰部是舟骨骨折的好發(fā)部位，與