人体股骨的三维有限元模拟与步态应力分析.pdfVIP

　 　　　 　　　　　　　　　　　　 第九届全国生物力学学术会议论文摘要汇编 143 应力 、应变分布情况 ,从而为临床软骨缺损的修复提供一定理论依据 。关节软骨的厚度通常在 0. 55 mm 之 间 ,行走时膝关节中滚动和滑动同时存在 。滑动对软骨产生剪切变形 ,而滚动实际是一种滚压过程 ,软骨既 受到直接压缩 ,也获得变形剪切 。关节软骨的受力状态可以简化为滚压受载过程 。仿照人体膝关节真实受 力情况 , 以有限元为基础建立了软骨滚压加载模型 。软骨缺损修复的有限元模型为 :刚性圆筒 ,直径 30 mm ; 条形软骨 ,长 60 mm 宽 8 mm 高 4 mm ,取其弹性模量 1. 5 Mp a。缺损深度分别取 2 mm 和 3 mm ,缺损区宽度 分别取 3 mm 和 6 mm ,植入人工软骨的弹性模量分别取 0. 00 1 Mp a、0. 3 Mp a、0. 6 Mp a和 0. 9 Mp a,建立不同 组合的缺损模型 ;边界条件为 ,条形软骨底面全约束 ,右侧面对称约束 ,上表面与圆筒外侧面定义为接触面 ; 力学环境为滚压加载 ,刚筒先向下压缩软骨 20% ,再以一定速度沿着带缺损的条形软骨表面从一端滚动到 另一端 。滚压加载下人工软骨和宿主软骨 M ise s应力沿深度依次递增 ; 同一缺口,随着人工软骨弹性模量的 增加 ,植入软骨与宿主软骨应力差别在减小 ;人工软骨的弹性模量相同时 ,对深 2 mm 的缺 口,随宽度增加植 入软骨与宿主软骨应力差别在减小 ;而深 3 mm 的缺口则相反 ;缺口宽度相同时 ,随缺 口深度增加 ,植入软骨 与宿主软骨应力差别由人工软骨的弹性模量决定 。组织工程修复缺损后不同缺损处软骨的力学状态差别较 大 ,软骨力学环境总体较差 。如果修复界面处应力差别过大 ,人工软骨与宿主软骨接合处力学环境将恶化 , 接合界面会出现裂纹 ,产生应力集中 ,再次造成人工软骨退变和原宿主软骨的退化 。研究软骨缺损修复的力 ( 学环境 ,对培养功能化人工软骨构建 、提高软骨缺损的临床治疗效果具有重要意义 。 国家 自然科学基金资 助项 目 10872 147 , 天津 市 自然基金 资助 项 目 09JCYBJC 1400 , Em ail: zchunq iu @ sohu. com ; Tel: ( 022 ) 602 14 133) 人体股骨的三维有限元模拟与步态应力分析 ( ) 1 ( ) 1 2 张洪 研究生 ,李兆霞 导师 ,钱竞光 ( 1. 东南大学 工程力学系 ,南京 2 10096　2. 南京体育学院 运动人体科学系 ,南京 2 10014 ) 　　本文研究了人体股骨这类复杂生物形体的三维有限元建模方法和基于股骨模型的步态应力分析过程 。 首先 ,选定志愿者对象 ,在医院进行 L2 腰椎至股骨下端的 CT扫描 ,制作 D ICOM 格式的数据 。利用逆向工 程软件 M MI ICS,基于上述的断层扫描图像数据 ,重建了股骨的三维几何模型 ,经 AN SYS转化建立了股骨的 三维有限元模型 。在 M MI ICS中对所建立的股骨有限元模型根据其扫描图像灰度值赋予材料特性 ,实现了 模型中人体骨组织非均匀材料特性的描述 ;其次 ,利用三维动作捕捉系统对该研究对象的步行过程进行空间 动作捕捉 ,保存其运动学数据 。利用 L IFEMOD 软件进行空间动作数据处理 ,建立动力学模型 ,并分析计算 ( ) 正常步行过程中三种步态 支撑相早期 、支撑相中期 、支撑相末期 的关节力和肌肉力 。然后 ,利用 MA TLAB 软件编制 L IFEMOD 与 AN SYS的空间转化程序 ,将 L IFEMOD 计算得到的关节力 、肌肉力转化到 AN SYS 中, 模拟步行动态运动中的股骨受力环境 ;最后 ,在 A