生物力学概论-膝关节有限元模型.ppt

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1、膝关节 有限元 建模,孟良 孙君,Knee anatomy,皮肤软组织骨：髌骨、股骨、胫骨、腓骨关节：髌股关节、胫股关节（半月板、交叉韧带、内外侧副韧带）、上胫腓关节,Knee anatomy,皮肤软组织骨：髌骨、股骨、胫骨、腓骨关节：髌股关节、胫股关节（半月板、交叉韧带、内外侧副韧带）、上胫腓关节,Knee anatomy,Background,膝关节是人体最重要、最复杂的一个负重关节，运动损伤在临床上很常见。因此临床治疗和有效康复就需要深入了解膝关节的生物力学机制。膝关节主要做屈、伸运动，在膝关节半屈位时可做小幅度的旋转运动。,Background,临床影像CT 和(或)MRI 图像对膝关

2、节各结构进行三维重建。近年来三维有限元模型已发展到能对人体各部位复杂的非均质结构进行真实模拟和精密分析，成为骨科生物力学研究一种重要工具。,Background,数据来源基于CT 基于MRI,Background,CT与MRI的比较目前膝关节韧带等软组织的建模方法大多数是通过MRI扫描，得到DICOMDE的数据，然后在商用CAE软件中建模。MRI对软组织的显影比CT好，但MRI对骨的显影不如CT，而且不能达到CT的扫描精度。,Background,CT与MRI的比较：软组织成像：MRI优于CT骨组织成像：CT优于MRI,Background,有限元单元法的基本原理：是把由无限个质点构成的物体划

3、分为有限个结构形态简单并且力学特性已知的单元，根据原有物体的几何材料特性以及受力条件采用不同的单元种类，单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。单元划分越细，计算结果越精确。,Background,常规模型重建有两种方法：一种是直接采用三维立方体重建模型,这是一种从上而下的模型重建方法;另一种是从下而上的模型重建方法,即先获得实体结构表面轮廓关键点的空间坐标,然后通过有限元软件将采集点转化为需要重建的模型。,Background,目前，国际上大都使用有限元模型来研究膝关节周围韧带，建立并应用有限元模型是生物力学研究的一个重要方法。随着计算机技术的发展，三维非线性有限元软件的

4、开发，有限元分析广泛应用于骨、关节软骨及韧带、椎间盘等组织器官的生物力学特性分析，关节假体及内固定设计、材料选择、安装方式等的比较评估等。,应用举例构建膝关节模型,应用举例膝关节损伤的诊断,膝关节外旋时，前后交叉韧带的位置关系,膝关节内旋时，前后交叉韧带的位置关系,膝关节交叉韧带的损伤将引起关节的旋转异常,Example 1,基于CT,健康成年男性志愿者无膝关节疾患及外伤史拍摄膝关节正侧位X光片排除膝关节异常,研究对象：,Example 1,建模方法获得膝关节CT扫描膝关节断层影像轮廓三维空间坐标的获取,基于CT,（CT扫描图像影像数据输入医学影像处理软件Able Software 3D-Do

5、ctor 进行处理）,Example 1,膝关节三维模型的建立 膝关节各结构轮廓三位空间坐标数据输入逆向工程和三维检测软件Geomagic Studio软件处理生成膝关节实体模型,基于CT,Example 1,将生成膝关节实体模型导入有限元处理软件ABAQOUS/STANDARD 完成建模,膝关节三维有限元模型的建立,基于CT,Example 1,基于CT,评价：膝关节有限元模型及有限元计算结果的优劣，很大程度上取决于网格的质量。,一个有限元模型是否有效，最终取决于模型能否进行有限元分析并得出符合实际情况的结果。,Example 1,基于CT,CT扫描时，若扫描断层越密，CT重建的三维影像几何

6、相似性越好获得完整膝关节三维有限元模型。建立的膝关节三维有限元模型具有良好的生物形态，整体的外形与实体标本一致性高。,获得完整膝关节三维有限元模型。建立的膝关节三维有限元模型具有良好的生物形态，整体外形与实体标本一致性高，模型可以任意旋转并从不同角度观察，可获得膝关节的直观及整体的印象。模型的各组成部件几何形状均可以从不同角度进行观察，均与实际标本具有满意的相似性。该模型可依不同的研究目的和要求而进行任意切割，或删除和填加感兴趣的材料和结构。,Example 1,Example 2,基于MRI,实验对象：正常男性志愿者X线检查排除膝关节疾病15TMRI 对其膝关节进行扫描,Example 2,

7、基于MRI,建模方法：用MRI对受试者扫描得到图像。采用3D-Doctor软件采取半月板、胫骨和股骨边界，每层图像绘成点阵图像，进行数字化处理，获得各层面边界三维空间坐标。,Example 2,基于MRI,获得各层面边界三维空间坐标，将数据导入ANSYS软件系统，对膝关节各组成部分分别进行重建，在此基础上网格化。,Example 2,基于MRI,该模型包括了内外半月板，胫骨软骨层，股骨软骨层，股骨下段，以及胫骨上段，能真实地反映出构成胫股关节各个解剖结构的真实几何结构。,Example 2,基于MRI,根据膝关节MRI 不同加权像和ANSYS有限元软件点、线、面、体自下而上的建模方法,重建膝关

8、节股骨-半月板-胫骨复合体三维有限元模型。该模型包括了内、外侧半月板,胫骨软骨层,股骨软骨层,股骨下段,以及胫骨上段,能真实地反映出构成胫股关节各个解剖结构的真实几何结构。,Summary,构建膝关节生物力学模型研究膝关节的生物力学特性研究膝关节损伤的机制及治疗有限元分析则可通过对实验条件 的控制,更准确 地模拟体内的力学情况,。对人体力学行为进行有限元数值模拟已成为深化对人体认识的一种有效手段。,Summary,问题：,有限元单元划分、节点的选择、荷载和 边界件的规定 在一定 程度上是人为的,且不 能和实 验条 件完全 一致;离 体 实验 所得 数据可能与生理情况存在差异;模型 主要是 对膝

9、关节 的骨性 结构及半月板进行了分析而忽略了其中结 构较复 杂的韧 带,因 此不能模型动态过程,只能模 拟伸 直位膝 关节 所负 载的 情况,由 于以上 种种因素造成计算机模拟的结果与实验会 有一些 偏差,但如果 在总体变化趋势上与实验及临床应用能取 得一致,说明 了有限 元模型对生物力学分析是有一定作用的。随着对组织力学特性的认识及计算机软件的进一步发展，相信有限元分析在习惯见损伤和蜕变机机制的而研究治疗方法的改进及应用方面的前景会更加广阔。,Summary,展望：,随着对组织力学特性的认识及计算机软件的进一步发展，相信有限元分析在膝关节损伤和蜕变机制的治疗方法的改进及应用方面的前景会更加广阔。,The End Thank You,