髖臼三柱三維有限元分析及形態(tài)學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、目的：對(duì)比動(dòng)物與人骨盆三維有限元建模及加載應(yīng)力分析特點(diǎn)，利用人骨盆三維有限元建模進(jìn)行骨盆皮質(zhì)骨厚度測(cè)量，對(duì)人髖臼中柱力線區(qū)域進(jìn)行實(shí)際解剖學(xué)測(cè)量，為髖臼三柱劃分提供解剖學(xué)、生物力學(xué)及進(jìn)化論方面的參考依據(jù)和理論支持。 方法： 第一部分：基于CT掃描圖片，經(jīng)醫(yī)學(xué)影像處理及建模軟件Mimics10.0和Simpleware2.0建立起正常成人、實(shí)驗(yàn)犬、恒河猴三種物種的骨盆三維實(shí)體模型，對(duì)比不同物種間骨盆的三維有限元模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2、 第二部分：將動(dòng)物與人的三維有限元模型導(dǎo)入大型有限元軟件Abaqus6.7.2中進(jìn)行前處理并執(zhí)行有限元相關(guān)計(jì)算，根據(jù)動(dòng)物與人的體重與活動(dòng)特點(diǎn)，進(jìn)行加載應(yīng)力模擬，人：采用L3錐體上表面豎直向下的均布載荷，行0N到500N，分五級(jí)進(jìn)行逐級(jí)加載。將兩側(cè)股骨模型的下三分之一處進(jìn)行6個(gè)自由度的全位移約束作為邊界條件，用來(lái)模擬人的正常站立位。犬：20.09N自股骨下三分之一處橫截面豎直向上加載。對(duì)標(biāo)本各椎體棘突行6個(gè)自由度完全約束，用來(lái)模擬

3、犬類正常站立位。恒河猴：分為2次加載，載荷49N自L3椎體上終板表面豎直向下和載荷12.25N自股骨下三分之一處橫截面豎直向上加載。并分別對(duì)標(biāo)本股骨中下三分之一行6個(gè)自由度完全約束，用來(lái)模擬靈長(zhǎng)類雙足站立位。對(duì)標(biāo)本各椎體棘突行6個(gè)自由度完全約束，用來(lái)模擬靈長(zhǎng)類四足站立位。 第三部分：將正常人的骨盆CT掃描圖像以DICOM格式圖像導(dǎo)入Mimics10.01軟件中提取皮質(zhì)骨輪廓并導(dǎo)入Patran2005r2軟件構(gòu)建骨盆皮質(zhì)骨三維有限

4、元模型，測(cè)量骨盆皮質(zhì)骨厚度。選取50具人體干燥骨盆標(biāo)本進(jìn)行骨盆中柱力線區(qū)域的實(shí)際解剖學(xué)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。 結(jié)果： 1)采用CT資料通過(guò)醫(yī)學(xué)影像處理及建模軟件。Mimics10.0和Simpleware2.0建立起正常成人、實(shí)驗(yàn)犬、恒河猴三種物種的骨盆三維實(shí)體模型，其中實(shí)驗(yàn)犬的骨盆三維有限元模型包括節(jié)點(diǎn)數(shù)45432個(gè)，單元數(shù)204312個(gè)，恒河猴的骨盆三維有限元模型包括節(jié)點(diǎn)數(shù)83170個(gè)，單元數(shù)379681個(gè)，

5、人的骨盆三維有限元模型包括節(jié)點(diǎn)數(shù)63920個(gè)，單元數(shù)259570個(gè)，模型有效，嚴(yán)格符合骨科解剖結(jié)構(gòu)，股骨頭相對(duì)髖臼可做各向活動(dòng)，可以多方向觀察。模擬的各部分可分別顯示，并能進(jìn)行各組成部分顯示其力學(xué)特性。 2)在Abaqus有限元軟件中，進(jìn)行模擬加載應(yīng)力。比較實(shí)驗(yàn)犬、恒河猴及人類三種不同生物的骨盆應(yīng)力傳導(dǎo)及最大應(yīng)力分布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)：①實(shí)驗(yàn)犬站立位時(shí)應(yīng)力自骶髂關(guān)節(jié)面經(jīng)髂骨向下傳導(dǎo)至臼頂，髂骨應(yīng)力分布均勻，臼頂處出現(xiàn)應(yīng)力集中并主要自股骨

6、頸向股骨方向傳導(dǎo)，少量向恥骨支方向傳導(dǎo)，應(yīng)力傳導(dǎo)途徑簡(jiǎn)單。②恒河猴在雙足站立位時(shí)，應(yīng)力主要自髂骨關(guān)節(jié)面向臼頂及前壁方向偏中心性傳導(dǎo)，應(yīng)力在髂骨中央中下段處出現(xiàn)少量應(yīng)力集中，應(yīng)力分布相對(duì)均勻，臼頂處出現(xiàn)應(yīng)力集中，其后除向股骨方向傳導(dǎo)外，一束向恥骨支方向傳導(dǎo)，坐骨支方向傳導(dǎo)不明顯。四足站立位模擬加載應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力自骶髂關(guān)節(jié)面沿髂骨內(nèi)、外側(cè)向臼頂方向傳導(dǎo)，髂骨中央未見(jiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，自臼頂、髖臼前壁出現(xiàn)應(yīng)力集中，其后除向股骨方向傳導(dǎo)外，一束向

7、恥骨支方向傳導(dǎo)，坐骨支方向傳導(dǎo)不明顯。③人類軀體重力自L3加載后，到達(dá)骶骨后經(jīng)骶髂關(guān)節(jié)前方自耳狀面前緣至弓狀線，沿弓狀線至恥骨上支、恥骨聯(lián)合為一支，后方自髂結(jié)節(jié)向髖臼臼頂前、上方傳導(dǎo)為第二支，后方自骶髂關(guān)節(jié)沿坐骨大切跡向臼頂、髖臼后壁并繼續(xù)向坐骨方向傳導(dǎo)為第三支。 3)基于人骨盆CT圖像建立的骨盆三維有限元模型測(cè)量髖骨皮質(zhì)骨厚度介于0.4404.00mm之間，皮質(zhì)骨較厚的部位為臼頂邊緣向上延伸至髂節(jié)結(jié)部位、髂嵴邊緣從髂前上棘經(jīng)髂

8、節(jié)結(jié)到髂后上棘、從耳狀面大切跡上方經(jīng)弓狀線、恥骨上支到恥骨聯(lián)合下方?；?0具干燥骨盆標(biāo)本實(shí)際解剖學(xué)測(cè)量，顯示髂骨結(jié)節(jié)至臼頂?shù)闹兄€髖骨厚度明顯高于此區(qū)域的其他測(cè)量點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示，各測(cè)量點(diǎn)實(shí)際解剖學(xué)測(cè)量結(jié)果有性別差別的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而無(wú)左右測(cè)量差別的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 結(jié)論及意義：中柱是人體骨盆的特化結(jié)構(gòu)，其存在與人直立行走的特征密切相關(guān)，是在從猿到人的長(zhǎng)期進(jìn)化中逐漸形成的。髖臼三柱概念與髖臼的力學(xué)功能和形態(tài)結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一，是人類長(zhǎng)期