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人体肩关节三维有限元模型的建立、验证及在肱骨骨折机制研究方面的应用

何仿  
【摘要】:背景资料:肩关节是人体所有关节中活动范围最大、组成成分最多、运动学最为复杂的关节。广义的肩关节是由肩胛骨、肱骨、锁骨、胸骨、关节囊、韧带、肌肉、肌腱等各种成分所组成的复合结构,称为肩复合体。由于肱骨头与关节盂的骨性包容度差,因而,软组织的作用对于维持肩关节的稳定性和正常力学行为具有重要的作用。目前对于肩关节的生物力学研究主要进行试验力学测试,而这种测试由于是在离体状态下完成的,很多在体状态的受力工况被去除,因而无法模拟出在体时肩关节的骨和软组织的生物力学行为,故肩关节试验生物力学研究存在着明显不足,因此,如果能发展一种肩关节生物力学研究方法,可以精确模拟肩关节组成成分中的骨骼和软组织材料特性,不丢失在体信息,根据实际需要,改变载荷的方向、大小和载荷的数量,分析肩关节的不同受力和应变状况,探讨骨折的受伤机制,甚至指导内固定的合理化放置,将是一种理想的力学分析方法,称之为理论生物力学方法,该方法将会是试验力学研究强有力的补充。本课题正是鉴于这个考虑,所做的尝试性的研究。 目的:建立一个完整的肩关节三维有限元分析模型,包括肱骨、锁骨、肩胛骨,及可以由三维连接单元组成软组织结构,为进一步研究肩关节的生物力学提供基础的通用工具;作为有限元模型的对应研究,系统地测试人体肩关节不同的功能位置上关节盂与肱骨的应力、应变状况,验证肩关节有限元分析的有效性、准确性;运用所建立的肩关节三维有限元模型,分析肱骨骨折的受伤机制和力学特点。 方法:1、采用高分辨率、层厚间隔为1mm的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源,选取自锁骨顶端至肱骨远端关节面共380层的肩关节断层图像,图像识别软件读取肱骨、锁骨、肩胛骨的边界点,建立关键点的空间坐标,在Catia V5软件运行环境下,自下而上建立肩关节的三维几何模型,并反复修饰,至准确为止。根据文献报道定义肩关节各成分的材质和结构参数,将几何模型网格化。将肩关节分别外展和旋转,确定12个不同的功能位置,根据盂肱关节不同的接触方式,使用网格化的有限元模型,初步分析关节盂、肱骨的应力、应变等情况,了解此模型能否用来作力学分析。2、采集两具新鲜的人体肩关节尸体


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