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有限元法在人体骨骼生物力学中的应用研究
发表时间:2007-6-22 姜海波   来源:e-works
关键字:CAE应用 有限元分析方法 生物力学 
在日常生活中生物力学的重要性越来越突出,对人体骨骼(包括颅骨、髋、膝、踝关节、脊椎和口腔)相关特性的分析不但对临床手术和术后康复具有重要意义,而且对于相关学科和行业的发展也同样不可获缺。有限元法的完善和相应软件的普及促进了人体工程学的发展,在多领域均创造了较为明显的成绩。

1 引言

    生物力学(biomechanics)一词,是由生物学(biology)与力学(mechanics)组合而成的全新词汇。从字面上可以简单地理解为对生物学问题通过力学方法进行解答。生物力学涉及面很广,针对与人体骨骼生物力学开展的相关理论国内外专家学者都进行了很多的研究。

    在工程技术领域,建立基本方程和边界条件较容易,但对于几何形状、材料特性和外部载荷均不规则的人体骨骼系统,要得到解析解却很困难,通常的做法是采用动物或人尸骨骼进行分析,而这与实际结果存在较大差异,特别在分析内部应力变化时力学实验几乎无法直接进行,因此,寻求近似解法就成了必由之路。经过多年的探索,采用有限元数值分析方法是不错的选择。有限元法[1]把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域(单元)所构成,其模型给出基本方程的分片(子域)近似解。由于单元(子域)可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸,所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。1943年,Courant第一次在他的论文中应用了有限元方法,此后有限元的发展很慢,直到1956年Turner等人第一次给出了用三角形单元求得的平面应力问题的真正解答。1960年Clough进一步处理了平面弹性问题后工程师们才真正认识到了有限元的能力。20世纪70年代以后随着计算机的发展有限元法也随之迅速发展起来。

    利用有限元软件的强大建模功能及其接口工具,可以逼真地建立人体三维骨骼、肌肉、软组织及血管等器官组织的模型,并能够赋予其生物力学特性。在计算中,对模型进行实验条件仿真,模拟拉伸、弯曲、扭转、抗疲劳等力学实验,可以求解在不同条件下任意部位的变形、应力、应变分布、内部能量变化及极限破坏等情况。

2 骨骼分析

2.1髋关节

    髋关节是人体最大、最稳定的关节之一,由股骨头、髋臼和股骨颈形成关节。由于关节炎的存在和意外骨折的产生导致股骨头坏死的病例增多,导致作为最终解决办法的髋关节置换术的形成。由于髋关节的重要性和置换的多样性,目前对于髋关节和置换假体的生物力学特性研究的较多。

    李长有等对于髋臼发育不良性髋关节进行了三维有限元模拟,研究其非线性接触压力分布。对于不同的髋臼覆盖程度(CE角)进行比较得到随着CE角的减小,接触压力和峰值应力明显增高,接触面积下降,当CE角大于30°后,压力分布,接触压力和峰值应力改变不明显。

    假体松动是关节置换远期失效的主要原因,严世贵[3]等通过对假体置换前后的股骨应力进行比较,认为假体植入后均有应力遮挡产生,应力分布的变化是假体松动和肢体疼痛的原因。关节材料的磨损也同样限制着置换术的远期效果,S.H.Teoh等人通过建立32mm直径的关节头来研究髋关节假体中UHMWPE的磨损行为,得到臼杯和关节头接触表面随着摩擦系数的增加磨损体积加大,同时还观察到摩擦对于间隙十分敏感,通常间隙在0.1~0.15时的磨损量最小,计算结果为假体的设计和安装标准提供了借鉴。

    假体的外形设计和手术中的安装、固定方法是现今研究的重点,针对这些方面国内外专家进行了很多的尝试。Jui-Pin Hung 等人对髋关节置换后采用骨水泥固定的关节柄进行受力分析,研究了骨水泥层的应力分布和在循环持续载荷作用下的破坏率,通过对破坏率的预测可以提高步态运动中的稳定性。通过对置换中采用大的多孔螺钉和动态螺钉固定进行研究后,Weng-Pin Chen证实了用螺钉固定将在近骨端产生更高的应力集中,不适当的骨切除,特别是从粗隆之间进行的骨切除术将对固定造成更大的风险。Iain R.Spears通过6个截面特性不同的模型来研究非骨水泥固定的人工髋臼植入后的稳定性,发现假体与股骨的间隙大小将影响假体的稳定性,这与Teoh研究的间隙对磨损的影响较为相似。而Georg N.Duda通过对有肌肉力和关节力作用下的股骨在步态运动中四个运动相时的应力及应变分布情况进行了研究,与股骨的应变进行了比较分析,得出在考虑肌肉作用的情况下应变量会有5%的差别,在近骨端峰值载荷下则有26%的差别。S.J.Ferguson对髋臼的软骨唇对关节滑液的密封作用以及密封作用对软骨变形、缝隙液体压力、胶原质应力的影响进行分析,得到密封功能使软骨层的压力能够通过缝隙液体均匀传导,但软骨层的应变随之增加。

2.2膝关节

    与髋关节一样,膝关节也是人体重要的承重关节之一,由于承受关节运动带来的摩擦磨损以及运动中的冲击作用,膝关节的半月板和韧带易于产生损伤,特别是在体育运动中膝关节损伤的情况更是比比皆是,因此对于膝关节运动特性和力学特性的明确对于减少关节损伤和恢复有着重要意义。

    N.A.Ramaniraka等人对膝关节的有限元模型进行研究,对膝关节在不同情况下的弯曲度进行了模拟研究(自然十字韧带、切除十字韧带、重建单十字韧带、重建双十字韧带四种情况),得出结论:重建单、双十字韧带的压力相差不大,而单十字韧带在连接处的张应力比双十字韧带的要小。Tomaso Villa等在膝关节的分析研究上做了很多工作,为了避免植入假体的早期失效,通过实验方法和有限元模拟计算对膝关节的半月板等部位进行了计算,研究了接触面积和压力的分布情况。Godest等对膝关节模型进行网格细化,模拟膝关节置换后的步态运动情况,通过有限元分析得到关节各部分的动态特性和内部应力分布状况。   

2.3脊椎

    脊椎是一个较复杂的结构体,作为人体中枢神经的保护体,脊椎的健康和稳定是预防医学的重点,如何避免脊椎的损伤和损伤后的康复同样值得重视。应用FEM分析脊柱的应力变化是当前骨生物力学研究的问题之一。

    Silva MJ通过FEM研究发现脊柱椎体壳层只承受10%的应力,而椎体中央部分松质骨是承受应力的主要部分。吴浩波等人利用三维非线性有限元分析,研究1500N 压力和15Nm 弯矩下的脊椎前屈、后伸、侧弯和扭转运动时腰椎应力分布,探讨腰椎运动损伤的力学机制。得到椎间盘对压力的耐受性好于拉力,椎间盘后外侧区是各负荷下变形最大的区域,该部纤维环易于出现高应力而失败。小关节对腰椎活动特性有重要作用,扭转、后伸和高压力负荷引起小关节承受高负荷和小关节应力失败有关。椎弓根和椎弓峡部以及椎体前上部皮质骨区在屈伸和压力负荷下容易出现与应力相关的破坏。

    郭立新等人建立了L3-L5段的腰椎三维非线性有限元模型,对全身振动情况下损伤脊椎对其相邻组织部件的影响。考虑的损伤包括小关节切除、去髓核核后部结构切除等。结果表明腰椎在振动过程中不仅存在垂直方向的振动还伴随有仰俯运动。脊椎小关节可以限制腰椎仰俯运动的幅度以保护纤维环后部免受大的拉伸和高应力的危害。椎间盘去髓核会导致纤维环上高应力的产生和椎间盘鼓胀增大。在振动过程中,小关节的切除同样可以加速椎间盘的退化。

2.4踝关节

    踝关节类似于铰链关节,矢状面上可作屈伸活动,是身体主要负重关节。虽然踝关节假体与人工髋、膝关节假体的设计有许多相似之处,但目前其置换技术远不能达到髋、膝关节置换的满意程度,对于踝关节的研究应该成为下一步的重点。

    刘立峰等对人体足部最大的两块跗骨,跟骨和距骨,进行了较为全面的研究,分析了正常骨骼和畸形愈合跟骨不同步态位的应力分布,还对手术前后的跟骨关节进行了详细的分析。Weng-Pin Chen为得到足部全面应力分布通过CT数据建立了足部模型,对其在步态运动中的单肢站立和脚尖离地相进行了分析,得到了脚底的压力范围和作用在足部骨骼上的应力范围。

2.5口腔

    口腔中的鄂关节和牙齿也逐渐引入有限元方法对咀嚼过程中关节的应力和磨损进行分析,建立牙齿和牙列的三维模型,分析种植体的形态和稳定性以便找到最合适人体口腔的牙假体和植入方法。

    Winson C.C.Lee等建立了牙本质和牙套的模型,在考虑摩擦和滑动的情况下,同时有预应力存在的情况下研究接触面的的受力情形,得到在这些区域剪切应力降低而应力增大。Koolstra等人建立了模拟肌肉控制的颚关节模型来对颚关节软骨层在咀嚼过程中的张力和变形进行分析,从得到的结论认为,随着关节力的增加人工软骨应力区的尺寸变大使得峰值应力降低。结果表明接触应力通过不一致的软骨层时因为变形的产生将主应力转变为剪切应力从而在扩大应力区域的同时降低了应力值。

3 结论

    通过对人体骨骼和关节的有限元分析可以得出不同组织在人体不同状态下的力学性能,如应力分布,应变量,位移量,植入假体的松动及磨损量。应力分布状态和骨小梁的分布是有对应关系的,通过分析应力分布和走向可以对了解骨骼的构成有一定的辅助作用。

    虽然有限元方法受到种种因素的影响,如模型的重建精度、不同模型形状和材质的定义不同,但有限元依然是非常有效的研究手段,大量数据的获得可以帮助了解和预测骨折发生的危险度及其易于产生的部位,对于置换后骨骼的分析可以指导假体的设计和改进,同时可以评价手术的效果,提供改进方法和操作手段。

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