基于DICOM数据构建股骨三维有限元模型的精确力学分析

摘要

背景：有限元模型已经由二维发展到三维，由线性模型发展到非线性，由于该方法在分析不太规则物体的力学特点方面具有优越性，因此在骨科生物力学研究特别是髋关节方面得到广泛应用。目的：利用有限元方法分析人体股骨在载荷下的受力状态，探索一种快速建立股骨有限元模型并能进行精确力学分析的方法。方法：选择标准成年男性志愿者行股骨CT扫描成像，得到股骨每层横截面图像，应用DICOM数据和MIMICS软件行三维重建，结合有限元分析软件ABQUS 6.8构建股骨三维有限元模型，并分析股骨模型载荷状态下的应力分布。结果与结论：结果显示，基于DICOM数据建立的股骨三维有限元模型，划分网格后形成38636个节点，201422个单元，其中包括股骨松质骨体网格模型与皮质骨体网格模型。有限元分析结果与以往的实验数据一致性较好，能够客观实际地反映股骨真实解剖形态和生物力学行为，分析精度较高。提示运用Mimics软件提供了简单有效的建模方法，极大程度上提高了建模效率，基于 DICOM 数据的三维有限元模型几何形状较准确，可以为股骨正常力学行为研究提供精确模型。利用ABQUS 6.8分析得到的应力分布情况与临床观察一致。