Mimics及ANSYS在跟距关节面静压力的有限元分析中的初步应用

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【摘要】  目的： 探讨Mimics及ANSYS在跟距关节面静压力的有限元分析中的初步应用。 方法： 对健康男性跟骨CT扫描，对图像用Mimics处理建模。用Ansys软件分析跟距关节面的生物力学特性。 结果：在跟距关节面中央部位应力及形变最大。 结论： Mimics可以高效的对CT数据建模，在此基础上ANSYS可以方便的进行各种力学分析。

【关键词】  跟骨; 有限元分析; 建模; 生物力学

跟骨是人体中最大的跗骨 , 对行走及负重有重要的作用。跟骨形态复杂 , 呈不规则长方体 , 上面有三个关节面 , 分别为跟距前、中、后关节 , 跟骨后关节面最长 ,长轴呈凸弧形斜向前下方 , 组成跟距关节的大部分。以后关节面为界分为三部分 , 后关节面以前为前部 , 以后为后部 ,前窄后宽。在负重情况下 , 足的距骨、跟骨必须正确排列 ,有足够的力量和高度来承受负荷跟骨骨折是临床常见骨折。跟骨骨折由于本身复杂的解剖特点复杂，现有方法对跟骨尤其是跟距关节面的生物力学分析有一定的难度[1,2]。本研究旨在通过Mimics建立高度仿真的跟骨模型，并且导入ANSYS中进行静压力分析，对跟距关节面的应力分布做简要分析。并通过此方法的建立，为研究跟骨骨折的生物力学研究建立初步方法。

　　1 资料与方法

　　1.1 研究对象

　　被测试对象:健康男性 1 名,身高170cm,体重60kg ,年龄30 岁。采用襄樊市中心 医院西门子螺旋CT对其进行足部扫描。

　　1.2 方法

　　用Simens多排螺旋CT对受试者的足部进行扫描,受试者呈仰卧位,从胫骨中段至足底进行连续螺旋扫描,将影像输入到 Mimics 10 11 软件(Materialise公司,比利时) 。

　　CT断层扫描图片以dicm格式导出，以Mimics软件(比利时)导入，形成三维图像，并且通过对感兴趣的部位(本文为跟骨)单独形成三维图像，再导出为lis格式，并且做smooth和mesh处理。然后将此文件导入ANSYS10.0(美国)，并以此面模型建立体模型。在跟距关节面上根据解剖关系划出软骨关节面范围，设定跟骨的四面关键点为不可位移的关键点，再在软骨面上施加正常成人体重的1/2约343N，得出应力云图及各个方向的形变[3]。

        2 结果

　　2.1 Mimics软件可以顺利的将整个足的CT断层扫描数据 转化为3D模型，然后选取研究感兴趣的部分如跟骨单独成像。比传统CT图像胜在更直观，并去除了解剖结构的限制，可以从任意角度观察跟临床感兴趣的部位(图1)。

　　2.2 将跟骨单独形成三维图像后再导出为lis格式，并且做smooth和mesh处理，然后将此文件导入ANSYS10.0可以建立能够进行有限元分析的网络模型(图2)。

　　2.3 设定跟骨的力学特性密度泊松值和杨氏模量。选定跟骨底部四个点为约束点，跟距关节面上根据解剖关系划出软骨关节面范围后施加343N静压力，时间为1s(图3)。

　　2.4 求解可以得出在压力作用下跟骨模型的应力云图和各向形变。

　　根据设定条件, ANSYS提示跟骨之跟距关节面受压力后 跟骨内部的应力变化, 关节面部分为桔黄色代表应力较大，其中中中央部分为红色代表应力最大为7.17M Pa, 跟骨体部为绿色代表较大代表应力较小(图4)。

　　形变分析图示在跟距关节中央为红色提示形变最大为0.342mm，向外周延伸形变逐渐减小。这与临床跟骨骨折的常见表现类似。当应力超过跟骨本身的材料屈服标准时，跟骨就会发生不可逆的形变也就是骨折(图5)。3 结论

　　① Mimics可以方便的个体化建立准确有效的跟骨模型

　　② ANSYS可以在方便快捷准确的分析跟骨跟距关节的的各种力学特性，比如静力分析。比较复杂的比如接触分析，在建立肌腱软骨的正常模型的基础还可以进行运动分析。

　　③ 静力分析表明跟距关节在正常静压力下，跟距关节的压力峰值集中在跟距关节中心，形变也与压力相应分布在附近。这和临床实践所见是相符合的。

　　4 讨论

　　有限元分析软件已经由过去对生物体材料几何结构的简单模拟和近似计算,发展到能对人体各组成部分复杂的非均质性结构进行真实模拟和精密分析,成为现代人体生物力学研究的一种重要工具，尤其是应用在口腔颌面外科和骨科方面。有限元分析的基础是模型的建立和网格的划分。过去缺乏建模工具，往往采取直接更具结构的几何外形建立节点和单元而得到有限元，模型，一般只适合简单的结构系统，无法完全反映正确的人体骨性结构。应用CT或MRI的计算机三维影像重建虽然可以直观地反映人体结构,为临床提供部分诊断信息,但无法以此直接进行生物力学分析。MIMICS是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据(CT、MRI)，建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析)，RP(快速成型)格式，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理。本研究主要使用的是MIMICS FEA模块，MIMICS FEA模块可以将扫描输入的数据进行快速处理，输出相应的文件格式，用于FEA(有限元分析)及CFD(计算机模拟流体动力学)，用户可用扫描数据建立3D模型，然后对表面进行网格划分以应用在FEA分析中。FEA模块中的网格重新划分功能对FEA的输入数据进行最大限度的优化，基于扫描数据的亨氏单位，可以对体网格进行材质分配[4，5]。本研究成功地建立了以正常人体跟骨螺旋 CT扫描影像为几何依据的有限元模型。以往建立的医学有限元模型由于软件功能单一、 网格划分算法少、 人体组织结构形状不规则等原因,需要进行适当的简化和假设,在精度方面有一定的缺陷,而且模型创建过程环节多、 成本高、 周期长,进一步限制了其应用。此方法具有便捷、 高效、 准确、高度自动化的优势。通过初步建立的跟骨模型，分析了简单的静力分析，得出的结论和临床实践相符，证明Mimics和ANSYS结合是骨科生物力学分析的有利工具。另外，如建立肌腱软骨的正常模型，就可以方便的在ANSYS中实现对跟距关节面的动态分析，还可以利用Mimics中的CAD模块插入内固定物，实现内固定物对骨折的固定效果的力学分析，具有广泛的用途。

【参考文献】
  　1 朱仕文, 杨明辉, 武勇. 跟骨关节内骨折的诊断与治疗. 中华创伤骨科杂志, 2006 , 8 (5) : 472～474.

　　2 梁军, 胡滨成. 跟骨的形态结构特点及其临床意义. 中国临床解剖学杂志, 2000 , 18 (2) : 118～120.

　　3 Oguz Kayabasi , Fehmi Erzincanli . Finite element modeling and analysis of a new cemented hip prost hesis. Advances in Engineering Software ,2006 ,37 (2) :477～483.

　　4 夏虹, 张美超, 赵卫东，等. 寰椎三维有限元模型的建立及其骨折机制. 中华创伤杂志, 2004 , 20 (4) : 209～211.

　　5 张美超, 张志凌, 夏虹，等. 枢椎齿状突骨折的有限元分析. 临床生物力学, 2005 , 23 (1) : 96～98.