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【关键词】 骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力
Threedimensional finite element pelvic modeling during standard gait and its biomechanical significances
【Abstract】 AIM: To construct a threedimensional (3D) finite element pelvic model which includes both 3D pelvic muscle and acetabular contact forces during standard gait. METHODS: A normal pelvis from an adult male subject was scanned by CT and the images of every crosssection were obtained. A pelvic model including both threedimensional pelvic muscle and acetabular contact forces during standard gait was constructed with PATRAN 2005R2 software. RESULTS: The constructed 3D finite element pelvic model clearly reflected the real pelvic anatomy and biomechanical behavior, especially the muscle force and hip contact force. The model was divided into 113 028 nodes and 137 524 units. CONCLUSION: The construction of 3D finite element pelvic model provides basic data which are critical for accurately modeling either normal loads or stresses and strains, or the effects of abnormal conditions.
【Keywords】 pelvis; threedimensional finite element; acetabular contact force; pelvic muscle force
【摘要】 目的： 构建包含骨盆肌肉及头臼作用力的标准步态下骨盆三维有限元模型. 方法： 选择标准成年男性志愿者行骨盆CT扫描成像得到骨盆每层横截面图像, 运用Mimics软件行三维重建， 利用有限元分析软件PATRAN 2005R2构建髋臼三维有限元模型,并将标准步态中肌肉收缩力及头臼作用力也设计到该模型中. 结果： 所构建髋臼模型共划分为113 028个结点、137 524个单元, 模型模拟了骨盆皮质骨、松质骨、关节软骨以及股骨头结构的材料特性. 所建模型结构完整，空间结构测量准确度高，单元划分精细，重点突出，尤其肌肉及头臼作用力加载模拟形象、逼真，客观反映髋臼真实解剖形态结构和生物力学特点. 结论： 构建的髋臼三维有限元模型为正常髋臼或异常髋臼力学研究提供可循模型.
【无忧论文 【http://www.uklunwen.com】关键词】 骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力
0引言
对于髋关节的生物力学的研究，有必要了解跨髋关节肌肉的收缩力的大小方向及部位，完整地了解髋臼接触力与骨盆肌肉收缩力力学机制，有助于进一步模拟髋关节力学行为、解剖学与手术后改变的影响，虽然有文献［1-3］讨论过骨盆髋臼生物力学行为，然而这些先前的模型或没包括髋臼接触力或不包括肌肉收缩力. 因此其结果已受到大多学者的质疑. 作为实验研究骨盆与髋臼负载的需要，本实验试图报导一个既包含了肌肉又包含了髋臼接触力的三维有限元模型，这些数据将对于准确模拟髋关节与骨盆的正常负载或异常负载将尤为重要.
1材料和方法
1.1材料① 成年男性志愿者骨盆（男性，40岁）；② 西门子SOMATOM Volume Zoom CT 机；③ DELL工作站；④ Mimics软件；⑤ Patran 2005 r2 软件；⑥ Windows XP操作系统.
1.2方法
1.2.1骨盆三维有限元模型构建具体可以分为3个步骤① 步骤一： 对一成年男性志愿者（40岁）的骨盆进行CT断层成像；在CT成像过程中要志愿者在骨盆纵轴方向保持不动，每隔1 mm层厚扫描一次. 所得图像以DIMCOM格式存入CT机，刻录光盘，从而得到表示骨盆每层横截面的图像. ② 步骤二： 将上述以DIMCOM格式存储的图像导入Mimics软件，设定门槛下界灰度值为270，上界不限. 通过Region growing 选择感兴趣区域，进行骨盆三维重建. ③ 有限元分析与计算： 三维重建图像以out格式导出，并导入Patran 2005 r2软件，并重新进行网格划分，建立皮质骨的外表面与内表面，其内外表面都相互连接，分别建立骨盆的皮质骨及松质体模(图1). 与骨盆骨相互作用的股骨头也被建模，此外关节软骨也被建模，以保证一个光滑且真实的髋关节作用力的加载［4］，除了髋关节头臼作用力(表1)，22块附着在骨盆上的肌肉也被设计到该模型中(表2，图2)，肌肉的生理附着点被绘制到有限元网格中，其相关参数皆来自于Pedersen1997年的研究结果［5］.
图1髋臼皮质骨(A)与松质骨(B)有限元模型 略
表1步态循环中支撑相时负载受力参数 略
1.2.2设置单元属性根据骨盆的解剖结构特点，骨性结构模拟材料为皮质骨、松质骨、软骨下骨及关节软骨，材料参数的选择参考文献［6-7］（表3）.
1.2.3加载情况固定骶髂关节处的节点模拟骶骨的支持，只对左半侧骨盆进行加载，在耻骨联合处模拟弹性边界条件. 根据步态循环周期中左支撑相的第4个子步相的髋关节的头臼之间的作用力,从股骨头的中心点处进行加载. 此外肌肉收缩力也被考虑，收缩力的方向是根据远近端的附着点获得［8］，并且步态中骨盆肌肉与股骨的相对位置关系也被考虑进去. 本实验中设定股骨头内收15°，同时在前后位上骨盆与股骨头(髋关节的伸屈)的角度是可以变化的(表1). 肌肉的收缩力以分布载荷运用到模型的表面，肌肉的收缩力的方向是由其远近端的生理附着点的连线，并同时兼顾髋关节的屈伸角度对远端生理附着点的坐标影响. 假设条件:本实验所涉及的生物材料均假定为均质、连续和各向同性. 受力时模型各截面不产生相互滑动，各单元有足够的稳定性;材料受力变形为小变形.
表25步态载荷中肌肉收缩力的大小(略)
表3骨盆三维有限元模型单元属性表 略
2结果
2.1模型建立本研究中，应用CT图像专用的D |
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