跟骨三维有限元模型的建立与静态分析

摘要

目的建立一个基于健康人体的跟骨三维有限元模型,静态分析双足站立相时跟骨内部的生物力学特性,探讨跟骨骨折疼痛的内外侧应力不均衡因素。方法选取1名健康男性志愿者,年龄28岁,体重64 kg。采用16排螺旋CT对足部沿横断面连续扫描,将符合DICOM 3.0标准的CT断层图像导入MIMICS10.1中,设定阈值为226～3071 Houfield unit,确定方位后经手动编辑、区域增长、形态学操作及空洞处理等,生成足部的三维模型,从整个足部模型中提取跟骨模型。对跟骨进行面网格的优化处理后,导入ANSYS10.0中得到体网格模型。根据CT断层图像的灰度值完成模型材质的添加,生成最终的三维有限元模型。模拟研究对象双足静止站立的状态,距下关节面在整个分析过程中被全约束,自足跟及跟腱附着点处对模型分别施加垂直向上的320 N和160 N载荷,观察跟骨的Vonmises应力分布。结果 MIMICS软件能够迅速建立更为精确的有限元模型,当垂直载荷作用于跟骨后,跟骨内、外侧存在一定的应力不均衡因素。跟骨的外侧结构是明显的薄弱区域,随着跟骨外侧壁的应力增加,导致继发外侧畸形,压迫腓骨长短肌及跟骰关节产生疼痛。结论创建的跟骨三维有限元模型,经验证是一个较为精确的正常跟骨三维模型,可用于理解跟骨内部的应力分布变化。