足部三维有限元模型的建立和跗跖关节准静态生物力学研究

论文摘要

目的:跗跖关节是人体足弓的重要组成部分,其解剖结构复杂。本研究旨在通过CT数据来对人足主要结构进行三维重建建立有限元模型,对跗跖关节进行准稳态有限元受力分析。以此方法来揭示跗跖关节解剖结构特点,探讨人足受力与跗跖关节损伤之间的关系,为解释跗跖关节损伤机制提供有限元模拟生物力学方面的理论依据。并希望其对临床诊断、治疗以及治疗后评价提供一定的帮助。材料和方法:本模型选取一健康女性志愿者,52岁,身高164cm体重57kg,行螺旋CT扫描,扫描范围包括足踝关节以下部分及胫骨远端约4cm、腓骨远端约5cm部分。螺旋CT扫描参数为:120kv,36mA,螺旋层厚0.699mm,床进速度0.707mm /s。最终得到239幅分辨率为512×512像素的二维CT扫描断层图像。将CT扫描数据以DICOM格式存储入可读写光盘。将DICOM文件导入MIMICS10.0软件,对原始图像进行蒙皮、分割、光滑等步骤生成足骨的三维模型,并以点云的形式输入逆向工程软件Geomagic9.0中生成实体模型。生成的实体模型经过装配,以IGES格式导入到有限元分析软件Ansys10.0中去。骨骼模型采用三维十节点四面体结构实体单元SOLID92进行模拟;韧带按解剖数据建模,采用三维仅受拉杆单元LINK10模拟;软骨采用三维仅受压杆单元LINK10;皮肤、软组织则利用SHELL93、LINK8来模拟。皮肤单元之间利用杆单元进行加强稳固。最终生成人足主要结构的三维有限元模型。对此模型进行力学加载,将足底足跟部皮肤进行全方位约束,将其余足底皮肤约束其纵向位移;在胫骨近侧端加载纵向向下280N的压力,进行求解得出正常状态下人足中立相的等效应力图。随后在同样的约束、加载条件下分别对足背(足弓最高处包括内侧楔骨、中间楔骨,外侧楔骨背侧)纵向向下的直接暴力100N、200N、300N、500N、1000N,进行求解得到模拟现实情况下碾压伤应力分布图。结果:建立了包括全部骨骼、主要韧带、皮肤及软组织在内的人足有限元模型。共有72934个单元108855个节点,其中骨骼模型21块,单元68110个、节点100266个;软骨单元2329个、节点3805个;韧带单元118个、节点219个;足底皮肤单元589个、节点1796个。足底软组织单元1788个、节点2769个。得到相应的人足中立相位正常情况下及模拟碾压伤直接暴力情况下人足等效应力分布图。对跗跖关节进行有限元分析显示,人足在正常生理情况下,应力最大值位于第二跖骨跖前侧;随着足背压力增大,跗跖关节应力随之升高,并且主要集中于第一、二、三跖骨的跖前侧,以及跖骨与跗骨相对的关节面上。第二跖骨应力最大,应力集中位于第二跖骨基底部及第二跖骨的跖前侧,最大应力达17MPa。结论:1.根据CT数据建立了人足全部足骨的三维可视化模型。2.建立了包括骨骼、主要韧带、皮肤及软组织在内的足部三维有限元模型。3.进行了在正常及模拟碾压伤情况下跗跖关节有限元应力分析,得到了跗跖关节应力云图。从图上可以看出第二跖骨在碾压伤情况下应力最大并集中于基底处及跖前侧。结合临床病例,跗跖关节损伤病人也多发生第二跖骨基底部骨折,这间接证实了本次试验有限元模型的可靠性,可以为跗跖关节损伤病因学研究提供一定得理论依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 研究论文 足部三维有限元模型的建立和跗跖关节准静态生物力学研究
• 前言
• 材料与方法
• 结果
• 附图
• 附表
• 讨论
• 结论
• 参考文献
• 综述 有限元法在足部力学分析中的应用
• 致谢
• 个人简历