本文關鍵詞：人體膝關節(jié)有限元建模及損傷生物力學探索性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：一、背景和目的 在道路交通事故中,人-車碰撞引致行人下肢損傷占了絕大多數(shù)。膝關節(jié)作為人體下肢最大、最復雜的關節(jié),在下肢交通傷中十分常見。 人體致傷方式的推斷和損傷過程的重建是法醫(yī)病理學實踐中常見的難題。尤其在交通事故的鑒定中,對被鑒定人的交通傷、自身疾病等情況與其死亡之間的關系進行分析,是法醫(yī)病理學損傷鑒定中需面對的客觀問題。本研究的目的是為了讓法醫(yī)鑒定人在法庭上,提供人體交通傷的致傷方式、損傷機制及還原碰撞過程的一些參考依據(jù),結(jié)合醫(yī)學影像學和有限元分析技術,構(gòu)建接近真實人體的虛擬模型,通過人體虛擬模型進行模擬碰撞實驗,比較模型碰撞前后的受力變形、應力及應變等人體生物力學上的變化,將可有助法醫(yī)鑒定人對交通事故中的人體損傷進行有效的分析。 目前國內(nèi)在人體損傷的研究都是基于臨床或康復治療上的考慮,對膝關節(jié)因機械暴力作用所引致的損傷,膝關節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞過程,以及膝關節(jié)損傷過程對軟組織結(jié)構(gòu)的作用方面關注甚少。在部分研究中,膝關節(jié)模型結(jié)構(gòu)較精簡,欠缺皮膚、周邊的肌肉軟組織及韌帶結(jié)構(gòu),模型部件的料屬性亦較單一；利用尸體的膝關節(jié)組織進行生物力學測量,所獲得的數(shù)據(jù)與真實膝關節(jié)組織的生理狀態(tài)相比有一定的差距。國外在人體交通事故中損傷的研究上,雖有不少的較完善的人體膝關節(jié)有限無模型,包括了膝關節(jié)主要的骨性結(jié)構(gòu)、韌帶和半月板軟骨等,然而部分模型的設計仍未能針對人體生理結(jié)構(gòu)的復雜性進行表達,因此深化有限元膝關節(jié)模型的構(gòu)造、參照客觀真實的物理環(huán)境條件,以獲取更精確的損傷模擬結(jié)果,讓損傷形態(tài)更接近真實情景,將有助法醫(yī)病理學工作者分析膝關節(jié)損傷機制及推斷致傷方式,節(jié)省鑒定耗時。 二、材料和方法 1.人體膝關節(jié)三維有限元模型的建立收集一名已排除膝關節(jié)病史的男性志愿者的影像學數(shù)據(jù)。采取仰臥位平躺于CT機檢查床上,螺旋掃描范圍從股骨下段1/3至脛骨上段1/3處,掃描層厚為0.625mm,共獲取人體膝關節(jié)圖像262層,圖像以DICOM格式保存,將DICOM格式的膝關節(jié)CT影像學數(shù)據(jù)導入至Mimics15.0醫(yī)學影學建模軟件中,進行骨性結(jié)構(gòu)以及各軟組織結(jié)構(gòu)的描繪,對描繪后的膝關節(jié)部件進行平滑處理,以STL文件格式導出。 在3-matic6.1CAD編輯軟件下,導入STL格式的膝關節(jié)部件,對各韌帶進行優(yōu)化,通過比對CT醫(yī)學影像資料中的數(shù)據(jù),進行解剖位置、厚度及長度等校正,使用3-matic6.1CAD編輯軟件中的自我檢查功能,對導入的膝關節(jié)部件進行三角形網(wǎng)格的反復檢查和修正,把漏洞和錯誤降至最底以附合網(wǎng)格劃分軟件的要求為止。 經(jīng)修正后將部件導入至ICEM12.0專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件,選擇自動網(wǎng)格生成工具,對膝關節(jié)模型各部件進行四面體網(wǎng)格的自動劃分,再對劃分后的網(wǎng)格進行質(zhì)量檢測,以0.45質(zhì)量的標準,對網(wǎng)格質(zhì)量進行糾正,力求以最多的網(wǎng)格達至質(zhì)量標準,經(jīng)過反復的檢查后,導出膝關節(jié)部件為ABAQUS有限元分析軟件的INP文件格式。 把已優(yōu)化網(wǎng)格的膝關節(jié)部件,導入ABAQUS6.12有限元分析軟件,在該軟件下進行材料屬性、組裝、固定、接觸、加載與約束的設置。根據(jù)現(xiàn)有的文獻資料對各個部件分別設置材料屬性參數(shù),添加現(xiàn)實環(huán)境下人體體重、重力、摩擦力等物理加載,以及各組織在膝關節(jié)中的相互固定點和接觸對,膝關節(jié)整體的運動約束。經(jīng)過運算軟件反復的迭代計算后,對模擬運算后的結(jié)果進行檢查,使結(jié)果達至收斂為止。 2.人體膝關節(jié)三維有限元模型的驗證 三點折曲驗證：依據(jù)文獻對骨的兩端進行固定,一端加載為6000N,設置直徑為12mm的碰撞物碰撞長骨中段,碰撞方向垂直于長骨長軸,壓力加載為400N,長骨與碰撞物之間定義為無摩擦,利用靜態(tài)測試,以排除應變率及慣性的影響,與文獻實驗數(shù)據(jù)進行比對,分別收集股骨、脛骨、腓骨及髕骨的在垂直碰撞后的應力、應變、變形和受壓范圍,檢查上述結(jié)果的收斂性,將檢查后的結(jié)果與文獻報道中的結(jié)果相對比,以驗證骨骼有限元部件再現(xiàn)損傷的可能性。 膝關節(jié)抽屜試驗的驗證：參照文獻先在股骨上端施加1150N的軸向壓力,使股骨垂直向下壓迫半月板軟骨及脛骨平臺,而脛骨及腓骨的下段施加約束以作固定,在股骨遠端施加一水平方向力大小為134N,使股骨遠端向前移動不超過4.75mm,向后移動不超過5mm,對各組織間的接觸面定義為無摩擦,收集前交叉韌帶、后交叉韌帶、外側(cè)副韌帶和內(nèi)側(cè)副韌帶的應力、應變結(jié)果。檢查上述結(jié)果的收斂性,將抽屜試驗所產(chǎn)生的應力結(jié)果與文獻報道中的應力結(jié)果相對比,以驗證膝關節(jié)有限元模型穩(wěn)定性。 3.人體膝關節(jié)三維有限元模型在交通事故中的應用 模擬側(cè)面碰撞致軟組織損傷的有限元分析：使用上述經(jīng)過驗證的人體膝關節(jié)有限元模型,導入有限元分析軟件ABAQUS,分別設置以10m/s,20m/s,40m/s的速度對膝關節(jié)有限元模型進行側(cè)面的撞擊,收集碰撞后的應力、應變和碰撞時間等結(jié)果,檢查收集結(jié)果的收斂性,經(jīng)反復的碰撞使結(jié)果穩(wěn)定為止。將上述收集的應力和應變結(jié)果,與文獻的極限應力(36.4M Pa)和極限應變(0.15)相比較,以此推斷行人站立位人體膝關節(jié)軟組織,在碰撞后損傷的可能范圍和嚴重程度。 模擬自行車騎行者膝關節(jié)軟組織損傷的有限元分析：使用上述經(jīng)過驗證的人體膝關節(jié)有限元模型,導入有限元分析軟件ABAQUS,固定膝關節(jié)有限元模型脛骨、腓骨和周邊肌肉的的下端,先對膝關節(jié)有限元模型加載體重的壓力,后對股骨的上端施加150N水平后后的拉力。經(jīng)反復屈曲實驗后,收集應力、應變的結(jié)果,檢查收集的結(jié)果并達至收斂為止,將檢查后的結(jié)果與文獻進行相關軟組織的應力、應變的正常值相比較,預測騎行者人體膝關節(jié)軟組織,在屈曲狀態(tài)下軟組織損傷的可能性。 三、結(jié)果 1.建立由58448節(jié)點、269508四面體單元構(gòu)成的人體膝關節(jié)三維有限元模型,包括了膝關節(jié)主要的骨骼、韌帶、半月板軟骨以及周邊的肌肉軟組織等。此模型一定程度上呈現(xiàn)了膝關節(jié)軟組織的生理復雜性,可作有限元分析軟件的計算。本研究的有限元模型網(wǎng)格數(shù)量較多,接觸對的設置較復雜,建模過程中的檢查較多,通過預實驗中發(fā)現(xiàn),大量高質(zhì)量的四面體網(wǎng)格能提供穩(wěn)定的運算結(jié)果,受力分布連續(xù)；接觸對的設置,可避免碰撞接觸時網(wǎng)格穿透現(xiàn)象；建模過程中多次的檢查,使運算結(jié)果更準確。 2.三點折曲驗證骨性組織實驗中發(fā)現(xiàn),膝關節(jié)骨折情況在受力范圍、變形和應力表達等結(jié)果與文獻結(jié)果接近；膝關節(jié)抽屜驗證軟組織實驗中發(fā)現(xiàn),前交叉韌帶、外側(cè)副韌帶和內(nèi)側(cè)副韌帶的應力與文獻數(shù)據(jù)接近,證明本研究構(gòu)建的膝關節(jié)有限元模型具有可靠性。 3.人體膝關節(jié)三維有限元模型的側(cè)面碰撞結(jié)果顯示,膝關節(jié)周邊的肌肉軟組織在低速的碰撞中,起到保護內(nèi)部組織的作用；當碰撞速度高于20m/s時,部分的韌帶組織和半月板軟骨損傷的風險開始增加；至40m/s的高速度碰撞時,膝關節(jié)中絕大部分韌帶、半月板軟骨等組織均嚴重受損。 4.人體膝關節(jié)三維有限元模型的屈曲結(jié)果顯示,膝關節(jié)在正常的屈曲過程中,各韌帶組織的應變值與文獻正常值接近,一定程度上說明人體膝關節(jié)韌帶屈曲時的拉伸遠較碰撞所致的要少,以此推論屈曲狀態(tài)下韌帶受損的可能性。 四、結(jié)論 1.本研究成功建立了人體膝關節(jié)三維有限元模型,在道路交通事故法醫(yī)學鑒定上,對膝關節(jié)損傷機制的推導和致傷方式的判斷,提供了一定的研究基礎。 2.本研究將人體膝關節(jié)三維有限元模型進行驗證,在三點折曲驗證骨性結(jié)構(gòu)及抽屜試驗驗證軟組織的結(jié)果與文獻比較接近,證明了本研究模型的有效性。 3.研究中發(fā)現(xiàn)應力、應變多集中在韌帶的兩端與文獻報道的結(jié)果吻合,有限元模擬運算的結(jié)果能客觀地反映膝關節(jié)在碰撞前后形態(tài)、應力、應變的變化過程和組織損傷的范圍,為人體膝關節(jié)碰撞損傷的鑒定提供客觀科學的依據(jù)。 4.本研究的不足與展望。 由于有限元分析軟件的限制,本研究未有對韌帶張力、接觸力作結(jié)果的輸出；半月板軟骨部件的簡化處理,對半月板承受股骨和脛骨的壓力雖影響不大,然而對后續(xù)張力、接觸力的結(jié)果測量將會帶來影響。因此隨著研究技術的進一步提高,分析軟件不斷的完善,本研究將以更多的碰撞速度、更全面的屈曲角度,從靜態(tài)有限元元分析過渡到動態(tài)的有限元分析。 五、創(chuàng)新部分 本研究創(chuàng)新部分如下： (1)針對目前國內(nèi)外膝關節(jié)損傷研究中的不足,添加周邊肌肉軟組織,用以反映周邊肌肉軟組織對膝關節(jié)碰撞時的作用； (2)提高網(wǎng)格的質(zhì)量標準,提供更準確的模擬結(jié)果； (3)文獻研究多認為內(nèi)側(cè)副韌帶容易在膝關節(jié)承受側(cè)面碰撞時受損,本研究結(jié)果反映出外側(cè)副韌帶遠較內(nèi)側(cè)副韌帶容易受損。
【關鍵詞】：法醫(yī)病理學 致傷方式 損傷機制 有限元分析
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R684
【目錄】：

• 摘要5-10
• ABSTRACT10-16
• 第一章 人體膝關節(jié)三維有限元模型的建立16-44
• 1. 膝關節(jié)有限元模型的建立17-23
• 2. 韌帶模型部件的優(yōu)化與網(wǎng)格劃分23-32
• 3. 人體膝關節(jié)有限元模型的組裝與參數(shù)設置32-40
• 4. 固定、加載與約束設置40-41
• 參考文獻41-44
• 第二章 人體膝關節(jié)三維有限元模型的驗證44-54
• 1. 骨的三點折曲驗證實驗44-48
• 2. 膝關節(jié)模型的驗證實驗48-52
• 參考文獻52-54
• 第三章 人體膝關節(jié)三維有限元損傷模型在交通事故的模擬54-66
• 1. 模擬側(cè)面碰撞致軟組織損傷的有限元分析55-61
• 2. 模擬自行車騎行者膝關節(jié)損傷的有限元分析61-63
• 參考文獻63-66
• 第四章 不足與展望66-67
• 課題綜述67-83
• 參考文獻76-83
• 成果83-84
• 致謝84-85

【參考文獻】

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本文編號：325848