文摘
为了解决运动损伤问题的建模前交叉韧带的方法基于智能有限元算法。考虑横向各向同性的韧带,本文构造了一个膝关节三维有限元模型,基于医学图像数据。相同的韧带应力-应变本构方程被用来适应参数力学实验曲线的三种不同的前交叉韧带,和不同的前交叉韧带力学参数的影响在膝关节的运动学和生物力学特性进行比较。实验结果表明,在模型1中,2和3,最大应力值出现在股附件的后外侧的区域的韧带,16.24 MPa, 16.36 MPa,分别和22.05 MPa。然而,在胫骨附着区域应力值是9.80,13.8,和13.93 MPa,分别和压力值在中间的前外侧的部分韧带是6.36,11.89,和12.26 MPa,分别都小于股附件区,也定量解释的临床现象,ACL断裂通常发生在股骨附件区在实践中。因此,膝关节高度的三维有限元模型模拟膝关节的结构和材料性能。这个方法证明了智能有限元算法可以有效地解决建模问题的前交叉韧带的运动损伤。
1。介绍
膝关节不仅是由于其复杂的结构也因为其复杂的生物力学特性。作为人体最大、最复杂的关节,膝关节坐落在髋关节和踝关节,下肢活动的中心。越来越多的人意识到它的重要性和相关疾病,和他们的研究越来越深。根据2725例运动损伤的分析在各种体育赛事的运动医学研究所膝盖损伤占25.82%,占所有运动损伤(第一1]。不同的类型和程度的膝盖伤病严重影响运动员的训练和运动性能。因此,为了更好地预防和康复计划或提供科学依据的研究人员,有必要研究其发病机制。膝关节不仅是由于其复杂的结构也因为其复杂的生物力学特性。解剖结构,机械环境,膝关节的功能需求使其最常受损的关节之一(2]。的进一步改善人民了解膝关节损伤的重要性,人们越来越重视研究膝关节的生物力学特性。孤立的标本的传统实验方法导致了前交叉韧带的生物力学研究,但仍有许多缺陷,比如一些生理和病理条件下很难模拟,和压力测量不够准确。有限元分析方法在体外实验标本有无与伦比的优势,有效弥补了缺陷的体外实验3]。
近年来,许多学者提出了不同的膝关节生物力学模型,取得了一些研究进展。黄等人广泛、深入研究骨隧道扩大的原因。然而,由于体外实验样本的局限性,许多困难出现的研究。有限元分析是一个重要的力学计算方法。近年来,ACL重建的生物力学研究和应用发展迅速,这是一个很好的补充体外实验标本。膝关节的有限元模型主要包括胫骨、股骨、关节软骨、半月板,但是没有韧带在膝关节模型。然而,韧带是一个重要的稳定膝关节的设备,这是必不可少的膝关节的生物力学研究[4]。曾庆红等人认为,膝关节模型建立了曾庆红等人包括周围的韧带膝关节胫骨和股骨隧道用于ACL重建,它提供了一个有价值的工具,用于ACL重建的生物力学研究5]。许等人获得的机械曲线韧带体外和安装参数,直接使用其他文学研究的力学模型和参数设置(6]。提出了不同的膝关节生物力学模型,并已取得了一些进展。然而,由于复杂的解剖结构,材料属性,运动形式,和负载分布的每个组件的膝关节,人们无法准确地描述各种属性和行为的膝关节。随着现代计算机技术的快速发展,有限元软件的逐步改善,有限元分析逐渐吸引人们的注意力。膝关节有限元分析已经成为膝关节的生物力学研究的重点(7]。膝关节的三维有限元模型建立了用健康人体膝关节CT图像和前交叉韧带的生物力学特性,后交叉韧带、内侧副韧带,和横向侧韧带膝关节的膝盖小腿内翻足时,分析了前后和胫骨受到不同的力量。它全面揭示了膝关节运动的生物力学特征,为运动训练提供了理论依据和分析和预防膝关节运动损伤。
2。研究方法
2.1。模型建立
左膝关节健康的女人(36岁)是由磁共振成像扫描在矢状面和横向方向,它被用来获取几何轮廓信息的主要韧带、骨头、膝关节半月板和其他组织。扫描层厚2毫米,间隔0毫米,分辨率为0.371 mm /像素(190毫米的视野,和像素矩阵是512×512)。扫描条件如下:选择骨组织窗口,层间距2毫米,共有113层,和扫描数据直接存储根据DICOM 3.0标准。
获得的医学图像保存在DICOM格式,和3 d重建膝关节模型通过导入三维重建软件模拟13.1(出现、比利时)。模型包括膝关节的主要组织:股骨、胫骨、软骨、半月板、前交叉韧带,后交叉韧带、内侧副韧带和侧侧韧带。重建膝关节三维模型引入有限元软件ABAQUS 6.10(达索系统模拟公司,美国)把二阶四面体元素,和膝关节的三维有限元模型获得了(8]。
2.2。建立有限元模型的膝关节和Tibia-Femur隧道
从Geomagic生成实体模型IGES文件导入到有限元分析软件ANSYS 9.0(美国ANSYS公司),和每个立体结构网状二阶四面体元素。近端胫骨和腓骨采用杆单元只轴承压力,和其他组织联系“cartilage-cartilage”和“cartilage-meniscus”等部分采用无摩擦接触设置。材料参数如表所示1。为了执行3 d CT数据的可视化、医学图像处理软件imic直接用于读取DICOM网格数据,骨头和髂骨的灰度值的图像提取、阈值的灰度值范围调整。骨头和其周围组织分离,图像灰度值的选择范围是自动标记,每一层的骨骼轮廓线生成。软骨NURBS曲面分为三维8-node结构壳元素,和自适应闭壳结构连接到每个骨组织模型。韧带组织模拟的三维tension-only元素包括后交叉韧带、内侧和外侧副韧带,和髌韧带,和非线性弹性材料设置,选择初始横截面积(9]。
tibial-femoral隧道用于ACL重建获得的7.5毫米直径的圆柱体的布尔运算和胫骨固体模型。胫骨和股骨的实体模型与隧道是网状SOLID92元素。的等距点胫骨隧道位于intercondylar脊柱前的内侧胫骨平台,提前7毫米后交叉韧带的停止点,和隧道形式一个角度30胫骨纵轴的冠状平面。胫骨平台的矢状面是65飞机。股骨的等长点位于侧壁intercondylar窝,6毫米的顶点。冠状隧道与股骨长轴是30,和矢状隧道与股骨长轴(2510]。
2.3。材料特性
在这项研究中,密度、弹性模量和泊松比计算不同材料根据不同的CT扫描图像,灰度值和骨组织的分配问题与非均匀材料特性和各向异性力学性能是实现。假设股骨和胫骨是均匀和各向同性线弹性材料,弹性模量 和泊松比 。人类行走的单摆周期是l第二,这是远远低于软骨的粘弹性的影响时间。因此,软骨的粘弹性可以忽略在这项研究中,它被定义为均匀各向同性线弹性材料。 和 。半月板的材料特性可以得到: 和 (11]。
纤维相似的取向分布的矩阵组成的水,蛋白多糖,醣脂类,构成纤维复合结构的韧带。韧带的力学性能的描述,本文假定它是横向各向同性超弹性材料的本构方程,采用应变能函数。韧带的应变能量方程分为体积部分描述了体积变化, ,和抵消部分描述形状的变化, ,在抵消部分可分为矩阵部分和纤维部分 。
应变能的公式如下:
类型:是变形梯度张量。雅克比Cauchy-Green变形梯度张量吗 。可扩展性可以计算出变形的材料和纤维的初始方向吗 。它可以计算的 通过假设附件的中心区域两端的韧带是初始韧带的纤维方向。根据quasi-incompressibility韧带,它的质量可以通过罚函数定义:
矩阵的应变能函数的偏差被认为是一种新虎克超弹性模型和公式 在哪里是新虎克模型的系数。体积弹性模量的倒数,这可以通过公式计算 。
因为在韧带胶原纤维几乎不能承担压载,纤维的应变能函数的偏差可以被定义为 在哪里时的伸长纤维变直,即拐点指数之间的应力-应变曲线段和直线段。
为了研究力学性能的变化的影响仿真结果的前交叉韧带膝关节,3有限元模型与不同的ACL膝关节的力学性能建立了。如图1ACL的机械实验曲线模型1,2,3取自文献方法。基于这三种不同的实验数据的韧带力学,力学本构方程由本等人是装有参数。三组不同的材料参数的有限元分析获得膝关节。其他韧带的材料参数,如表所示2(12]。
3所示。实验结果
ACL从内侧股骨外侧髁和结束前intercondylar波峰在前后的胫骨内侧的方向,主要限制了反向运动的股骨或胫骨的向前运动。为了分析ACL的影响力学性能对整个膝关节的位移和应力分布的关节内的组织,根据现有的ACL力学性能曲线,本文构造的三维有限元模型与三个不同的膝关节ACL属性。膝关节的有限元仿真结果得到了134 N股向后推力负荷。根据模型的边界条件,膝关节的三个翻译位移值取自股骨,也就是说,股骨上髁的轴线的中点。两个旋转位移值被从胫骨13]。拼箱的旋转角和制程胫骨附着点相对于胫骨平台参考点是平均获得相应的旋转位移值。相同的外部负载下,模型的模拟结果类似于关节位移值获得许多以前的膝关节生物力学研究,验证有限元模型的有效性的膝关节。6自由度位移测量机械手系统是用来测量位移的尸体膝关节。发现在前后关节的位移,远近,内部和外部的方向是4.30毫米,0.62毫米,0.39毫米,分别和出入口旋转角度0.09°和1.9°,分别。类似关节位移(美联社位移为4.0毫米,PD位移为0.3毫米,ML位移为0.6毫米,VV角是0.2°,和EI角是1.7)是衡量这个系统。退休的实验研究中,在相同的负载,膝关节在美联社方向的位移为3.5毫米和4.16毫米,分别为(14]。这些结果表明PCL是主要的结构抵抗胫骨前在膝盖弯曲,位移和应力主要集中在胫骨近端插入,这是符合临床发生的PCL插入股骨骨折。
4所示。讨论
模拟位移的结果摘要膝关节的生物力学实验结果不同于其他研究人员,这可能是由于个体之间的差异。膝关节的位移将受到几何尺寸和力学性能的影响不同的联合组织。首先,本文的模型是基于医学图像的一个健康的中国成年女性的膝关节。联合组织的几何尺寸会不同于其他实验研究的样本。其次,ACL的机械性能和其他韧带组织本文来自不同机械实验曲线,这可能是不同于其他实验样本。它也会导致仿真结果之间的差异和其他实验结果15]。尽管结果是不同的,本文仿真结果符合整个位移膝关节的实验,数值几乎没有差异。尤其是主要位移值(前后位移)的向后推力负载下膝关节股骨基本上是相同的,验证有限元模型的有效性的膝关节。此外,随着材料科学的发展,有限元分析理论和计算机科学,膝关节的三维有限元模型将成为主要的膝关节生物力学分析方法。
表3列表的整体位移下关节三ACL机械性能。可以看出,联合仿真模型的运动学性能将大大影响应用不同的机械性能设置ACL。的向后推力下股骨134 N,膝关节的大位移发生在美联社和ML的方向,而其他方向的位移相对较小。EI关节位移角远远大于VV角。潜浮性能相对较大的运动的关节(前后的翻译和前后的旋转),股骨近端位移和胫骨内侧旋转的三个模型是没有多少不同,虽然后的股骨位移三种模式是完全不同的。相反,这个验证临床观点ACL主要限制了关节的前部和后部位移(16]。
比较分析的ACL的力学性能对应力分布的影响在关节组织,它可以发现ACL上的应力分布趋势没有改变,但应力水平有很大改变。作为一个相对较新的生物力学研究方法,有限元分析已逐渐应用于生命科学领域。理论分析,但是很难获得一个精确的解析解由于几何、材料属性和不规则膝关节的外部负载。ACL的米塞斯应力分布在三种机械曲线显示。ACL的应力主要分布在股附件的后外侧的区域,后外侧的胫骨附着区域,前外侧韧带。尽管acl的力学性能发生了变化,应力分布趋势在acl基本上是相同的17]。在模型1、2和3,最大应力值出现在的后外侧的区域股韧带的附件,16.24 MPa, 16.36 MPa,分别和22.05 MPa。然而,在胫骨附着区域应力值是9.80,13.8,和13.93 MPa,分别和压力值在中间的前外侧的部分韧带是6.36,11.89,和12.26 MPa,分别都小于股附件区,并验证模型的有效性和可靠性,也定量解释的临床现象,ACL断裂通常发生在股骨附件区在实践中。对于其他联合组织,如制程,半月板,和软骨,ACL的应力分布和大小基本相同,这表明ACL的力学性能的变化几乎没有影响其他联合组织。类似的情况可以在联合组织的应变分布;即应变分布趋势ACL几乎没有变化,但应变水平有很大改变,显示ACL的最大主应变的分布在三种机械曲线。类似于ACL上的应力分布,ACL的最大主应变主要分布在股附件的后外侧的区域,后外侧的胫骨附着面积,和前外侧韧带的分布趋势基本上是相同的。在模型1、2和3的最大主应变后外侧的股骨附着面积0.44,0.24,和0.20,分别时的最大主应变在胫骨附着面积0.35,0.26,和0.19,分别与最大主应变的前外侧的部分中间韧带是0.18,0.15,和0.12,分别都小于股附件的主应变区(18]。
关节软骨在传统建模方法,得到固体元素除以两个硬骨。生物力学建模的脚踝在这个模型中,妞妞等人首次提出适应性闭壳结构的概念和应用足底软组织建模,巧妙地解决了许多存在的问题领域的生物组织的有限元建模。因为膝盖软骨的厚度有限,其厚度远小于其他维度,所以固体元素的应用部门将不可避免地产生大量的变形元素,导致大型计算错误。获得的原始图像DICOM格式的CT扫描是模仿,没有任何格式转换预处理,避免了信息的损失,节省了大量的时间,减少了工作量。阈值0的定义是用来完成骨骼轮廓的提取,实现自动化。和提高建模速度和准确度。之前的有效的解决方案是使用实体单元的尺寸在一维单层的规模小得多的比其他两个维度划分。软骨的厚度在不同位置模拟单元的大小。这种方法类似于壳元素从本质上讲,但技术上很难意识到组织厚度的模拟控制固体元素的大小。此外,边缘节点没有自适应功能。 In this model, the shell element is used to simulate the geometric features of cartilage, so as to achieve the surface effect with high matching degree. The simulation of cartilage thickness is completed by a compatible rod element, and the closed mechanical system is generated by the adaptive rod element at the edge of the shell structure, and no new nodes are generated between the compatible rod element and adaptive rod element, which improves the calculation efficiency. The weaving technology of the adaptive rod unit needs good mechanical insight and sensitivity [5,19]。
5。结论
摘要膝关节的三维有限元模型,包括主要解剖结构,建立了横向各向同性的韧带被认为是。基于有限元模型和相同的韧带本构方程,膝关节的三维有限元模型,包括主要解剖结构重建是逆向建模技术。横向各向同性的韧带被认为是。基于相同的本构模型,三种不同的ACL机械实验的参数曲线拟合,和膝关节的力学性能在不同ACL属性进行比较,和不同ACL机械的影响曲线的有限元模拟膝关节的定量分析。三个不同的ACL力学性能曲线的影响膝关节的生物力学性能进行比较,这对如何选择具有良好的指导意义组织力学性能参数和有限元分析预测未来可能的变化。它证明了选择不同的ACL力学性能曲线会影响有限元模拟的结果。在未来,我们应该给予足够的关注,相应的设置组织膝关节的力学性能和模型的构建和验证。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以要求作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。