股骨髁有限元模型的建立及表面软骨不同切除后髁部力学变化的有限元分析

作     者：田有勇 

作者单位：山西医科大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张永红

授予年度：2010年

学科分类：1002[医学-临床医学] 100210[医学-外科学(含：普外、骨外、泌尿外、胸心外、神外、整形、烧伤、野战外)] 10[医学] 

主      题：股骨髁 表面软骨 三维模型 有限元分析 生物力学 

摘      要：目的利用磁共振图像(MRI)建立正常人股骨髁部+表面软骨的三维非线性有限元模型,通过给予不同力学参考值分析髁部应力分布云图,测定指定节点的应力值以验证模型的有效性;并利用此模型进一步模拟去除髁部不同大小、不同区域软骨后对股骨髁部力学变化的影响进行初步探讨。 方法选取一名正常青年男性,排除右膝疾患,利用1.5T Twinspeed/Excite超导型磁共振扫描仪进行右膝关节连续失状位MRI扫描,扫描方式右膝关节自内向外不间断扫描。所得扫描图像经过Mimics10.0、Geomagic Studio 8.0分析软件处理后建立股骨髁部包括表面软骨的完整三维模型,并将Geomagic Studio 8.0软件处理生成的STL文件转化为有限元分析软件ANSYS 11.0可接受的IGS文件。将建立好的模型导入ANSYS11.0软件进行网格划分和模拟不同区域不同大小软骨切除,并对应力分布情况进行比较。 结果利用MRI图片,经过Mimics10.0、Geomagic Studio 8.0软件处理建立了人体右膝股骨髁部的三维计算机模型,为后期股骨髁表面软骨的有限元仿真分析提供了保证。利用ANSYS 11.0软件对股骨髁部表面软骨进行不同大小不同区域的模拟切除,并绘制出了不同模拟负载下髁部应力应变图形。 结论1、结果提示二维MRI图片下所建立三维模型,解决了CT数据对软组织成像较差的不足,能够使模型更接近于真实解剖结构。2、本次试验所建立的三维有限元模型为静力模型,与人膝关节髁部实际解剖结构十分相近能很好的分析髁部的应力情况。3、所设计的相关力学分析均为静力模拟,结果为预测股骨髁部表面软骨的作用和股骨髁部力学分布提供了一个参照。