手舟骨三维有限元模型建立及生物力学分析

摘要

三维有限元分析是借助电子计算机技术将工程力学和材料力学紧密结合在一起，是目前最常用的理论生物力学的研究方法，它是利用计算机处理三维图像的功能，模拟在不同功能位置下的骨骼，清楚的显示出复杂的骨骼形状和生物力学的特点。
　　 手舟骨靠近腕关节的桡侧，其形状如舟，故名为舟状骨，其80％的表面积被关节软骨所覆盖，背面较长而窄，表面粗糙不平。手舟骨的桡背侧贯穿于其结节部、腰部及体部较深的血管压迹形成手舟骨的纵轴及背嵴，由于手舟骨体部的半椭圆形结构为弧形且偏向近侧，故其纵轴长度较舟骨的最大长度为小。手舟骨属于短状骨，其通过许多韧带与桡骨的远侧端、月骨、头骨以及大、小多角骨构成腕关节，因此手舟骨在腕关节中，对维护关节的稳定和力量的传导方面都起着非常重要的作用。
　　 但具体骨折类型的受伤机制尚未得到相关生物力学实验的证实。清楚了解手舟骨骨折的创伤机制对于骨折的诊断和制定治疗方案有重要的指导作用，故有必要对手舟骨不同类型骨折的发生机制进行研究。
　　 目的:本研究的目的在于建立一个完整的人体手舟骨三维有限元模型，利用该有限元模型，可以轻松的对手舟骨进行结构力学性能分析，从而使该模型成为一个非常良好的生物力学的分析工具。应用三维有限元技术建立精细的手舟骨模型，探讨在腕关节背伸着地这一腕关节典型的受伤机制下手舟骨生物力学分析。
　　 方法:我们选择的实验对象是一名健康成年男性志愿者，年龄29周岁，身高175cm，体重65kg，经腕关节X线及CT检查及详细的体格检查后排除既往手舟骨及腕关节疾患及损伤。本实验所建立之数学模型，所有操作均在计算机利用相关软件上完成。利用LightSpeed Biograph32排螺旋CT对志愿者右手腕关节进行扫描，扫描范围包括完整的右手、腕关节及尺桡骨远端，扫描电压120KV,电流125mA，层厚0.625mm，层距0mm，共扫描300层，每层断面图像以512×512像素的DICOM格式保存。并借助Mimics软件的图像导入功能将CT的薄层扫描图像以DICOM格式的图像导入到Mimics14.0软件中，（包括轴位，冠状位和矢装位以及三维图像四个视窗）应用三维有限元技术对CT图像进行重建，建立完整的手舟骨皮质骨和松质骨的有限元模型，再将模型输入Ansys13.0有限元分析软件，对模型赋予材料的物理属性，然后在舟骨近端与桡骨相关节的关节面上，加载压力1.5mpa，方向垂直于受力面，模拟在该外力状态下的应力分布并对其收集资料进行生物力学分析。
　　 结果:
　　 (1)所建腕关节的正常有限元模型共包含433092个节点，258429个四面体单元。所建模型可以真实的反映腕关节结构情况。
　　 (2)在所建舟骨模型的近端面也就是手舟骨与桡骨关节面上予以加载1.5Mpa的载荷后，同时对于其它方向进行约束，手舟骨腰部产生的剪切应力最大，为70.999Mpa。
　　 结论:
　　 (1)三维有限元所建正常舟骨模型外观逼真，所得数据和图像可以重复使用。
　　 (2)应用三维有限元分析建模分析后证实腰部是舟骨骨折的好发部位，与临床上所见舟骨腰部骨折最常见相一致。

目录

声明

摘要

前言

材料与方法

1．1 实验对象

1．2 相关设备及软件

结果

附图

附表

讨论

一、手舟骨的特性

二、有限元分析方法

三、舟骨骨折

结论

参考文献

综述 手舟骨骨折的诊治

致谢

个人简历