【摘要】：建立了人體膝關(guān)節(jié)三維數(shù)字化模型,為膝關(guān)節(jié)損傷的數(shù)字化研究奠定基礎;并基于有限元理論探討、研究了膝關(guān)節(jié)損傷發(fā)生的力學機制。利用膝關(guān)節(jié)的核磁共振圖像,采用專業(yè)的醫(yī)學建模軟件,基于3D插補法,重建膝關(guān)節(jié)三維數(shù)字化模型。建立的完整的人體膝關(guān)節(jié)三維有限元模型包括骨骼、韌帶、軟骨等14個主要力學承載部件,結(jié)構(gòu)完整、形態(tài)逼真。本文所建的模型高度模擬了膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)與材料特性,具有空間結(jié)構(gòu)測量準確性高、單元劃分精細等特點。通過應力和應變測試驗證了模型的有效性,模型可以重復使用,可以用此模型來研究膝關(guān)節(jié)損傷的力學機制。
【圖文】：

骨的網(wǎng)格更密，以便重點計算軟組織的應力、應變情況，節(jié)省了計算機資源。(a)導入軟件的MRI圖像(b)股骨蒙版(藍色)(c)脛骨蒙版(粉色)(d)前交叉韌帶(黃色)(thekneeMRIimage)(thefemarmask(blue))(thetibiamask(powder))(theanteriorcruciateligament(yellow))(e)前交叉韌帶和部分后交叉韌帶(黃色)(f)后交叉韌帶(黃色)(g)股骨軟骨(綠色)(h)脛骨軟骨(黃色)(theanteriorcruciateligamentand(theposteriorcruciateligament(yellow))(thefemoralcartilage(green))(thetibialcartiloge(yellow))someposteriorcruciateligament(yellow))圖1膝關(guān)節(jié)各個組織的蒙版Fig.1Themaskofeachtissueoftheknee(a)正面(anteriorview)(b)后面(posteriorview)圖2首次生成的模型Fig.2Themodelofthefirstgeneration(a)正面(anteriorview)(b)側(cè)面(lateralview)圖3修改后的膝關(guān)節(jié)模型Fig.3Themodifiedkneejointmodel(a)正面(anteriorview)(b)后面(posteriorview)圖4光滑后的膝關(guān)節(jié)模型Fig.4Themodelofthekneeaftersmoothing(a)正面(anteriorview)(b)后面(posteriorview)圖5膝關(guān)節(jié)有限元模型Fig.5Thefiniteelementmodelofkneejoint對脛骨施加134N向前的推力后，發(fā)現(xiàn)脛骨平臺位移為4.30mm，如圖6所示。在同樣載荷條件下，文獻[12]得出的結(jié)論為4.83mm，文獻[4]測量結(jié)果為4.75mm，文獻[13]為5.0mm，文獻[14]為4.6mm，雖然各自結(jié)果略有差異，但是脛骨平臺移動的趨勢和量級是一致的。從圖6中也可以看出脛骨前移時，前交叉韌帶中的等效應力為19.57MPa，后交叉韌帶中為11.39MPa，和臨床結(jié)論前交叉韌帶主要限制脛骨前移的作用是相符的，驗證了該模型的有效性。對脛骨下端依次施加體重3.47倍、4.24倍、5.27倍的方向向上的壓力時，脛骨軟骨的應力峰值為2.39MPa、2.81

骨的網(wǎng)格更密，以便重點計算軟組織的應力、應變情況，節(jié)省了計算機資源。(a)導入軟件的MRI圖像(b)股骨蒙版(藍色)(c)脛骨蒙版(粉色)(d)前交叉韌帶(黃色)(thekneeMRIimage)(thefemarmask(blue))(thetibiamask(powder))(theanteriorcruciateligament(yellow))(e)前交叉韌帶和部分后交叉韌帶(黃色)(f)后交叉韌帶(黃色)(g)股骨軟骨(綠色)(h)脛骨軟骨(黃色)(theanteriorcruciateligamentand(theposteriorcruciateligament(yellow))(thefemoralcartilage(green))(thetibialcartiloge(yellow))someposteriorcruciateligament(yellow))圖1膝關(guān)節(jié)各個組織的蒙版Fig.1Themaskofeachtissueoftheknee(a)正面(anteriorview)(b)后面(posteriorview)圖2首次生成的模型Fig.2Themodelofthefirstgeneration(a)正面(anteriorview)(b)側(cè)面(lateralview)圖3修改后的膝關(guān)節(jié)模型Fig.3Themodifiedkneejointmodel(a)正面(anteriorview)(b)后面(posteriorview)圖4光滑后的膝關(guān)節(jié)模型Fig.4Themodelofthekneeaftersmoothing(a)正面(anteriorview)(b)后面(posteriorview)圖5膝關(guān)節(jié)有限元模型Fig.5Thefiniteelementmodelofkneejoint對脛骨施加134N向前的推力后，發(fā)現(xiàn)脛骨平臺位移為4.30mm，如圖6所示。在同樣載荷條件下，文獻[12]得出的結(jié)論為4.83mm，文獻[4]測量結(jié)果為4.75mm，文獻[13]為5.0mm，文獻[14]為4.6mm，雖然各自結(jié)果略有差異，但是脛骨平臺移動的趨勢和量級是一致的。從圖6中也可以看出脛骨前移時，前交叉韌帶中的等效應力為19.57MPa，后交叉韌帶中為11.39MPa，和臨床結(jié)論前交叉韌帶主要限制脛骨前移的作用是相符的，驗證了該模型的有效性。對脛骨下端依次施加體重3.47倍、4.24倍、5.27倍的方向向上的壓力時，，脛骨軟骨的應力峰值為2.39MPa、2.81
【作者單位】： 天津體育學院體育教育訓練一系;天津體育學院天津市運動生理與運動醫(yī)學重點實驗室;天津體育學院體育文化傳媒系;
【基金】：國家自然科學基金(11372223;11102135) 天津市應用基礎與前沿技術(shù)研究計劃項目(14JCYBJC29300;13JCYBJC25000) 天津市自然科學基金(17JCZDJC36000)
【分類號】：R684;TP391.41

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本文編號：2527924