基于软骨和韧带的全腕关节有限元模型建立和舟状骨生物力学研究

摘要

目的通过基于CT扫描数据包含韧带和软骨的腕关节有限元模型构建、受力分析,在传统仅以骨为研究和建模对象的有限元领域做出突破,以期为后期开展全结构、多组织生物力学有限元分析的研究提供参考。方法应用Mimics、Geomagic Studio、Abaqus等软件,采用快速个体化建模方法对1名29岁成年健康男性志愿者的右侧尺桡骨远端至近端指骨的CT扫描数据进行快速建立模型,施加沿中指轴线的静力载荷和约束,观察米塞斯应力的分布情况、最大值及其所处部位。结果在100、300N压力下,最大应力分别为1.059×108和3.178×108 Pa,在不同应力载荷下,腕关节的最大应力值和最小应力值部位均相同。不同荷载状态下应力云图显示,舟状骨最大应力值出现在腰部区域,可明确解释临床工作中舟状骨骨折多见于腰部,并且有效验证了本模型的真实性和有效性。结论采用个体化建模方法可对腕关节整体结构模型进行运算分析,在模拟韧带结构和软骨结构的分析中,可采用简化的梁结构和相互作用对实现。