不同肩关节功能位置上肱骨三维有限元应力分析

不同肩关节功能位置上肱骨三维有限元应力 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 不同肩关节功能位置上肱骨三维有限元应 力分析 临床骨科杂志JournalofClinicalOrthopaedics2006Dec;9(6)'559? 不同肩关节功能位置上肱骨三维有限元应力分析 何仿h,苟三怀,卜海富 ? 实验与临床- 摘要:目的探讨在不同的肩关节功能位置上肱骨骨折的受伤应力机制,为肱骨骨折 的治疗提供理论依据. 方法建立人体肩关节的三维有限元模型,模拟在l2个不同的肩关节功能位置上, 肱骨受到轴向载荷时的应 力,应变状况.结果所建立人体肩关节的三维有限元模型合理,准确,稳定,可以精确 计算出任一个肩关节 功能位置上,任一肱骨节点的应力,应变,位移状况.结论三维有限元分析法是研究 肱骨骨折瞬时受伤机制 的理想生物力学工具. 关键词:肩关节;肱骨骨折;三维有限元;生物力学 中图分类号:R684;R445.2;R318文献标识码:A文章编号:1008—0287(2006)06— 0559—03 Threedimensionalfinlteelementanalysisofhumerusunderthedifferentfunctionalposition ofshoulderHEng,GOUSan-huai,BUHai-fu(DeptofOrthopaedics,ChangzhengHospital, SecondMilitaryMedicalUniversity,Shanghai200003,China) Abstract:ObjectiveToinvestigatetheinjurystressmechanismofhumeralfractureforthepurposeofprevention andtreatmentofsuchfracture.MethodsAtierestablishmentofthreedimensionfiniteelementmodelofshoulder, stressandstrainofhumerusweresimulatedandanalyzedundertheconditionwhichlongitudi nalforcewasloadedon thehumerusbasedonthe12functionalpositionsofshoulder.ResultsThemodelbuiltinthisstu dywasareasona? ble,preciseandstablebiomechanicstool,withwhichstress,strainanddisplacementofanyno deonthehumerus couldbeexactlycalculatedinanyfunctionpositionofshoulder.ConclusionsThreedimensio nfiniteelementanaly- sisisanidealmechanicalmethodfortheinstantaneousinjurymechanismresearchofhumerus fracture. Keywords:shoulderjoint;humeralfracture;threedimensionfiniteelement;biomechanics 临床上肩关节及其邻近部位的骨折较常见,但 目前对其确切的受伤机制缺少深入的了解,本研究 旨在运用肩关节的三维有限元生物力学模型,分析 不同的功能位置上肱骨受到轴向载荷时的应力,应 变状况,探讨肱骨骨折的受伤应力机制,以期指导骨 折的预防和治疗. 1材料与方法 1.1肩关节结构的几何实体重建 1.1.1肩关节几何重建数据源使用美国虚拟人 网站(VisibleHuman)提供的男性人体(亚洲)离体 作者单位:'第二军医大学附属长征医院骨科,上海200003 安徽医科大学第一附属医院骨科,安徽合肥230022 现在马鞍山市中心医院骨科,安徽马鞍山243000 作者简介:何仿,男,副主任医师,博士,主要从事骨科生物力学,创 伤研究; 苟三怀,男,教授,主任医师,博士生导师,主要从事骨科生 物力学,脊柱,骨盆创伤研究; 海富,男,教授,主任医师,硕士生导师,科主任,主要从 事骨科生物力学,创伤研究. 标本断层解剖图像,作为肩关节实体几何重建的数 据源. 1.1.2主要软件Uthascsaimagetoo点数据采集软 件,CatiaV5有限元分析软件,ACD6.0,Photoshop 7.0等图像处理软件. 1.1.3计算机兼容机性能参数CPU:P42.2;内 存:1.0G;硬盘:80G;操作系统:WindowXP. 1.1.4方法在人体肩关节断层解剖图上选取自 锁骨顶端至肱骨远端关节面共380层的断层图像, 层厚1mm.在Uthascsaimagetool图像处理界面下 读取锁骨,肱骨,肩胛骨结构边界点的两维坐标(图 1),包括软骨,皮质骨,松质骨,髓腔的边界,形成肩 关节骨性结构和软骨,髓腔的表面轮廓点阵,再以1 mm的断层间隔作为z轴间隔,获取目标结构的所 有点的三维空间坐标,共生成11766点,再将其逐一 输入CatiaV5三维重建和分析软件的运行环境(重 建模块),生成相应的点元素(points),后用曲线拟 合的方式将各点连接起来,生成线(1ines),接着将 线按照扫掠的方式生成面(areas),这时已初步形成 56(I-墙贡毡,|nm}If(;tirurIIiftrt/lop~lf—li20116 芙节Ii10々彤.构,l此_'1J荆【略rr<J.I硝;14『』1 之闸n0连接不光顺.?n州眵战完的件素.坡等 将多个而之的连接处进行ff细的侧角千u修饰.Ji 复辆关节的fl伴标本刊照,外精接近1闩 戈的骨rI~~rli为J接荇鹎『】:jiI』而之mJ1.1.彤 成=雏体索1,.1u,m-).此.自天的维儿何匝 建憷型完成,它包括聍目,锁'.膻墨.?1.按照组成 啦分1:.舒别艇示皮腰r垮',性质,软,ij'故腔 构,(:iaV5运行半台}?_以任意角度转动蜣察 模型的噼刮结构和方向! 圉l边界点的读取匿2肩关节的三维几何实体重逢图像 1.2肩关节三维有限元模型的构建璃戈的 维实体建横完成.掘材料特性的{同.需监埘 佝进行舒类.别定义并…恂材料I_fJ学参数表 1 表l肩关节的材料力学参数 .…"" *趋fr-I3』2q2 l芎虑列肩袖结构庄.r/7关节的动』性稳定平?物 力学中的晕耍作?,lfi=『阿I,肌是重疆旧外腱H儿,-帔楼 建叫.必须号I量刮j莪f儿时啦骨吊1兑节的jJ的竹 川t.故加l载时,根据肌f1.朋f脏骨人结节的fJ. 和主力,j向.每一个功能似骨}均施加50水f载 侍,以怍为宿汕的参照血』Jr 为r在网格化巾精确再现扁关节的结bJ,术研 究选用10点的阳而体单元计肫月_?胛-,锁骨 进,于刚格jiIi分fIlll?h)I,以碴f几津芙11,觇l『j『】的 几何肜状,浚叫而体每个点j}冉,'个方向的Ih 度在CallaV5运行台『一.定义情跫节的符项参 数和指标,选择巾等精度J|『0FI动附格划分模式.刊 府关节进行白动网懈化,一I成3977,t,i, rl-"h-,,!(II,,叫l叫体儿(t,hrillnlJ3 圈3肩关节的三维网格化 J.3肩关节不同功能位置上肱骨的三维有限元力 学分析稿功(2aliaV5的结构模块根柳;盂脏足 面的接呲天系.1J王肫一头的旋转中心的确.同定肩 胛肯l什{对1.将眦骨分圳从0位外刊3(1.45.. 6(),90.簿似I,.分Wjl没i种旋转状怎:t{ 艟.外艟45,内旋4,从而将f关的态功能过 程舒割成I2个『的功能f氍.舒刺在飚骨一i正端施 1Jf1轴lf,l戴茹1O0N,舒析其也J』,城变他侈状况许 n动态示载一形变i'2Pil输lj,?-,,1一-力讣 .用鼠标f,意在确荚I'取,求睥其符Jm数 2结果 以外展6(J'』J:舒圳t}一直他,If,j旌外脯州, 拽霸的肫骨及眩炎节而的v,1i: 求魄【J? 心J五(罔4,6);同时L『_显,JJ?裁力的力向硬『? 栽1肫骨的1变动态过程(以外旋45为俐, 7, 3讨论 圈4中立位加载后的脏骨及盂 脑关节面的~4)11?i三维应力 云图圉5外旋45加载后 的触骨及盂脓关节面的"conM__ 三堆应力云图图6内 提4加载后的弦骨殛盂肽关节 面的vIlllMis三维应力云固 临乐骨科杂志^,hf.'~ll:rjir?lfOrth20t)6I:9( 图7外旋45加截后脏骨的应力和变动态过程 3.1本研究中采用的三维有限元方法的原理本 研.花果川问拔建摸法雨建宿天节结构摸型.即觅获 得扁炎表面轮廓美键的IhJ坐标,然通过 元软什将采集点转化战需要重建的摸EJ前, 撅好f?1标站构的各采集点的准确空I位的方法 两种,一种商接J1』二维夺数字仪在标本的表面描 汁,jf】振得断采集点的夺坐怀,奶Kh-in?al 栗J1J空数F仪摊i卜』『奉l关的,霞建关的 有限儿懂;本fJl"~承川川接方法.光采集关 谜点的标+l~f-fF4据浚J=[ii在参等坐际系?}If}{J位置. 确定器采蜒点的空间坐标…庄此法-于r,层面 之旧间隔遮小.越能较精确反映骨骼表旧的状况以 jlg.I[;成的三维有限元谈型研究越准确4王研究采用 层面问隔1^JIIIlIT}的离分辩率的肩火节解剖髓断而 l斟作为肩j乏维有限元模r重建的数据源"此 获得的扁天.维琐清晰精确,逼真,能够满足 fi限,舒析出求 32肩关节不同功能位置上肱骨三维有限元力学 分析的意义府父节区动日_以划抒成外腱和内 收仲内旋壬l=『外转二部分,岂们之fhI叫l 组台,构成戈复杂的运动模式..剥lLj常活 动.揭部的外展是J.驶发挥功f~-t19基础姿势.另 外.胄炎艟…蝉状态外眨叫.眩骨头必须同时 佧有旋转运动'能成.所以,在仃元舒析时.将 扁欠的功能位置简化成外展千?旋转的不问l[【台. 是符台人体肩荧常基本的运动模?的,此外.率 研究中所采J{J的j维有限元轼件可以实现三维空 闸巾模拟f关节不同1l】々功能位嚣.困If1i壁三蜘符台啦 骨受J的I刮况 掰纳祟,找?}-以看出.住相同『}{Jh向戴茼下 f使拟凡体捧例lJt艟骨受到的间接暴力1.舷骨和盂 眩足}7嘧1蚰I,i/力【{现J_复性的.均匀的变化.以 肫tl'外科预j外科预十fI移行的{i}十邮喧j最九,以 盂肫天I外科颔之n】n0ft域腼力破小.提示疰 芷此区域易形成高应』莆.一h超过骨埙限强度. 即发生骨折即便高啦力区没囱发,骨折,其 骨小桀匣会发乍小的彤竖.这种彤变'小桨的做骨 折无特定.是具有l昧和研究意义的采f_f]试 验方学的疗法,琏无法自:接观察到骨叠的,而有限 庀抒析可以肖观地显示骨lB变位删程度.柯利于 判断骨折的位置和骨折线肜惫的情汁.例如:{ 6外腱时.种不同的硅转状态,骨形.墅区内 旋位懿犬,外旋时骨形变矮墩,rlI位卡l最,j,:内 旋时,偏向于内删.1月前内删垃骨'折皓断裂的 位置.lq折线走行自外至莳他功能忙置的 jJ学状态均可逦过类假的方法欹得此外.强几的 限]分析功能使我们能够轻易用鼠标服值,扶得 眩骨股盂胜关节阿?t一点c包{;柑的深青 点)力,位移,矢量数恤,并12n『【根据统il需要. 绘制裁茼一腹j芝或应一啦窆曲线此其他得一提 的是.:维有限元IiIL_,1)ll戡』J的方岐豇?载后 昭骨的形变动卷i』程.这种}茸#Lfl',/模拟,町姒形象 而又直z地展永髂在承受载简.内部缔陶的 变化过程.最然这是汁蓐机技术与骨利生翱力学的 巧吵结合的成 参考文献 K1liiinJlkrMl'H?IfI.w.,…IlrrHIn1【?{-Il?_l l1IulIdl1tir?nI-Iii]t~lnI-tI}?P1r,…Il_…1hlrII'tii)Ill?Ilill lliLJJJB?lmj1.i999,32I1II:II9l—II "itl~f-lll_l{.M.…II'.l川lnildH?.|I1I?l,rI'll'l^al~llL41… eha.Itc|I.l1.,l,'fl}ljrl?t1iIll,)cl1.,T?InLr…iIiIltlllII1 lriiI.ule,lT?r【JI(mlIJ川.I5I%l,pI 』肢日期:20(一Ic)一【】s) l三.剐=i_圭吣,一 ??K一?? ?: 巾0j…蚋? . j{ _ lr?一至邺捌m.二… _量b_喜什,m_至川一l'……==二. 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