儿童股骨上段有限元模型的建立及生物力学分析

摘要

目的和意义:有限元方法作为一种常用的力学分析方法，最早于1972年开始应用于骨科领域。由于其可在不同状态下模拟被测对象活动,得到不受实验条件影响的结果，能任意改变其中任意一个或几个参数以观察其对整个系统的影响，可重复计算,节约了实验成本。可以很好模拟拉伸、弯曲、扭转等各种力学实验,求解不同实验条件下模型任意部位变形、应力应变分布等变化情况，具有传统实验方法不能比拟的优点，因而被越来越多地应用于骨科基础和临床研究。以往的三维有限元研究多集中在成人骨科生物力学方面，而对于儿童，特别是下肢的有限元重建和分析研究很少，国内尚无针对儿童股骨的三维有限元模型的建立和应力分析的报道。 研究一种适合儿童骨科生物力学研究需求的仿真性好、有效的股骨上段三维有限元建模方法。初步建立儿童股骨上段三维有限元模型, 并对所建立模型做出初步的生物力学分析，了解其生物力学特性，更好地了解儿童股骨上段损伤机制，并对治疗策略的制定有一定的指导意义。 方法:选取一名正常男性儿童，将其上段股骨经SCT扫描，获得计算机断层扫描图像数据，使用Mimics数字化三维医学影像交互式软件进行图形处理，建立儿童股骨上段三维模型，然后将模型载入有限元处理软件ANSYS10.0，建立三维有限元模型，设定边界及载荷条件，对儿童股骨上段进行生物力学分析。 结果:初步建立了正常中国儿童股骨上段三维有限元模型，进行生物力学三维有限元分析结果显示，应力集中区主要在股骨大、小转子平面以下，其次为股骨颈后内侧中下段。 结论:在采用CT断层扫描影像技术获取的活体几何资料基础上，建立儿童骨骼三维有限元模型是有效可行的。本研究建立的正常中国儿童股骨上段三维有限元模型逼真、客观, 能真实反应儿童股骨上段的几何结构和生物力学属性，由于骨骺软骨的保护作用，应力集中区主要在股骨大、小转子平面以下，其次为股骨颈后内侧中下段。在国内首次以三维有限元的方法分析了儿童股骨上段的生物力学特点，更好了解儿童股骨上段损伤机制，制定治疗策略提供了有利的平台。