內(nèi)側(cè)半月板后角傷害有限元仿生模型建立
摘要:
對健康自愿者膝關(guān)節(jié)進行薄層磁共振掃描,將獲得Dicom信息導(dǎo)入Mimics中進行三維重建,建立含蓋半月板、關(guān)節(jié)軟骨及膝關(guān)節(jié)韌帶在內(nèi)的膝關(guān)節(jié)三維模型,對模型進行外表解決后導(dǎo)入Ansys中進行靜態(tài)解析,應(yīng)用解析結(jié)果與現(xiàn)存文獻結(jié)果進行較為,確定模型有效后在3-matic中建立不同型號的內(nèi)側(cè)半月板后角傷害模型。本研發(fā)建立了含蓋內(nèi)側(cè)半月板后角放射狀裂(白區(qū)、接壤區(qū)、紅區(qū)、完全扯破)、內(nèi)側(cè)半月板后角水縱列、內(nèi)側(cè)半月板后角程度裂、累及內(nèi)側(cè)半月板后角的桶柄狀扯破等臨床常見內(nèi)側(cè)半月板后角傷害。模型能夠拿來研發(fā)膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)半月板后角傷害的生物力學(xué)體制。
要害詞:有限元解析;半月板;內(nèi)側(cè)半月板后角;傷害模型;生物力學(xué)
膝關(guān)節(jié)半月板是一類纖維軟骨組織,擁有庇護軟骨、傳播載荷等性能 [1] 。半月板通過減小軟骨外表的壓力峰值來庇護關(guān)節(jié)軟骨 [2] 。半月板在膝關(guān)節(jié)機器場景中闡揚側(cè)重要的功效,它持久遭到忽然和頻頻的應(yīng)力, 是身體最常見被扯破的組織之一 [3] 。半月板軸向載荷的功效在較大水平上取決于半月板的完好性[4]。半月板扯破會加大患骨關(guān)節(jié)炎的危害,針對大多數(shù)半月板傷害,暫沒有有效的治愈來完全修復(fù)半月板性能[5]。對半月板傷害的治愈和防備的改進須要理解造成半月板扯破產(chǎn)生和擴展的體制。
當半月板體部產(chǎn)生完全扯破或者半月板根部斷裂時,半月板得到了載荷分派性能。近年來,越來越多的研發(fā)職員選用有限元仿生解析方式來研發(fā)膝關(guān)節(jié)傷害的生物力學(xué)體制。2013年FaridDjoudi等[6]借用有限元模型對膝關(guān)節(jié)置換后膝關(guān)節(jié)及假體應(yīng)力散布進行了研發(fā)。2016年ChaoWan等[7]借用建立的模型對脛骨不同扭矩下內(nèi)側(cè)副韌帶力學(xué)言行進行解析。2016年KemalGokkus等[8]借用有限元模型對不同水平內(nèi)側(cè)半月板脫位的膝關(guān)節(jié)應(yīng)力散布改變進行了研發(fā)。現(xiàn)在對于半月板后角不同型號傷害的膝關(guān)節(jié)有限元仿生模型研發(fā)較少。本研發(fā)應(yīng)用健康自愿者膝關(guān)節(jié)薄層磁共振信息建立含蓋首要承重構(gòu)造的膝關(guān)節(jié)數(shù)字化模型,依據(jù)纖維方向設(shè)置半月板的主方向拉伸模量及壓縮模量及垂直纖維方向拉伸模量及壓縮模量。在驗證模型的有效性后建立不同型號的內(nèi)側(cè)半月板傷害模型,為研發(fā)內(nèi)側(cè)半月板后角傷害后膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)奠奠基礎(chǔ)。
1材料與方式
1.1資料選擇
1名健康成年男人自愿者(成年男人骨密度高,解剖標注清楚,三維重建結(jié)果更為牢靠),28歲,身高177cm,體重76kg,行膝關(guān)節(jié)X射線消除膝關(guān)節(jié)重病。
1.2設(shè)施
飛利浦Achieva3.0T磁共振成像體系、個體計算機(解決器英特爾Corei5-8400@2.80GHz六核;內(nèi)存8GB(記憶科技DDR42667MHz);主硬盤英特爾NVMeSSDPEKKW12(128GB/固態(tài)硬盤)。
1.3軟件
專業(yè)醫(yī)學(xué)圖片重建軟件Mimics17.0、正向工程軟件3-matic、逆向工程軟件GeomagicStudi-o2012、有限元解析軟件ANSYS/Workbench16.0、操控體系Windows1064位專業(yè)版(Windows10Pro)。
1.4方式
1.4.1膝關(guān)節(jié)MRI掃描
持續(xù)膝關(guān)節(jié)0度伸直,采取3.0T、掃描膝關(guān)節(jié)矢狀面、設(shè)置層厚為1mm,層距為0mm,收集信息保管到個體計算機。
1.4.2膝關(guān)節(jié)幾何模型的創(chuàng)建
將膝關(guān)節(jié)信息導(dǎo)入Mimics軟件,分別手動選取各層面、半月板、股骨、脛腓骨、韌帶、關(guān)節(jié)軟骨等膝關(guān)節(jié)力學(xué)承載構(gòu)造,重建處膝關(guān)節(jié)三維模型。進一步行外表平滑和形式學(xué)操控等一系列解決。在3-matic中刪除失效面,彌補平面空泛,刪除交叉、堆疊的三角。在geomagic中潤飾模型中的釘狀物,自相交等。以免模型中尖角,及錯邊問題造成FEA計算不收斂。并應(yīng)用曲率工具,進行刪除再填充操控,進一步平滑外表。潤飾后結(jié)果以STP體例文件保管。
1.4.3膝關(guān)節(jié)三維有限元模型的創(chuàng)建
半月板如果為各向同性資料。此中橫軸方向和縱軸方向向彈性模量Ex=Ez=20MPa,而長軸方向彈性模量Ey=120MPa。橫軸方向和長軸方向泊松比V為0.2,而縱向泊松比為0.3。韌帶設(shè)置為長軸拉伸模量設(shè)置為215MPa,骨、關(guān)節(jié)軟骨設(shè)置為各向異性資料,骨彈性模量E=17000MPa,泊松比V=0.3;關(guān)節(jié)軟骨彈性模量E=5MPa,泊松比V=0.47[9,10]。碰觸設(shè)置:依據(jù)常態(tài)膝關(guān)節(jié)各一些心理狀況設(shè)置對應(yīng)碰觸。設(shè)置半月板上外表及下外表體部與軟骨為不分離碰觸;設(shè)置半月板下外表前后角與脛骨軟骨為綁定碰觸。韌帶與骨、軟骨與骨、脛腓骨之間依據(jù)解剖構(gòu)造設(shè)置綁定碰觸。
1.4.4檢查模型有效性
對膝關(guān)節(jié)模型進行邊緣束縛,對照有關(guān)文獻驗證模型的有效性。驗證明驗1、對脛骨上部加以134N向前的載荷,觀測脛骨平臺前向位移距離、前后交叉韌帶的應(yīng)力大小。驗證明驗2、對脛骨下端依序加以不同大小方向向上載荷,記載脛骨軟骨的最大等效應(yīng)力,與文獻[11]的研發(fā)結(jié)果進行較為。驗證明驗3、對脛腓骨遠端加以軸向位移束縛,對股骨加以760N向下軸向載荷,觀測內(nèi)外側(cè)半月板的位移、應(yīng)力、位移方向狀況。
1.4.5內(nèi)側(cè)半月板后角傷害模型建立
在3-matic中對內(nèi)側(cè)半月板后角,進行形式解決,建立內(nèi)側(cè)半月板后角放射狀裂、內(nèi)側(cè)半月板后角縱列裂、內(nèi)側(cè)半月板后角程度裂模型,將縫隙進行光滑解決,檢驗無空泛、交叉面、堆疊三角燈外表問題后,導(dǎo)入ansys中進行賦值,及碰觸設(shè)置。
2結(jié)果
2.1常態(tài)膝關(guān)節(jié)重建結(jié)果
將Dicom信息導(dǎo)入Mimics中進行重建,外表解決后獲得模型如圖1所示,
模型含蓋骨、軟骨、韌帶等膝關(guān)節(jié)首要構(gòu)造,能夠在任何角度,任何截面進行觀測,以及能夠在模型上進行手術(shù)模仿,膝關(guān)節(jié)屈曲模仿等操控,相比MRI持續(xù)斷層圖片更直觀易懂。2.2驗證明驗結(jié)果脛骨在134N向前的載荷下脛骨平臺前向位移為5.1mm,如圖2所示。
從圖3中能夠看出ACL的應(yīng)力為11.521MPa,
脛骨平臺ACL止點處存在應(yīng)力集中。對脛骨下端依序加以體重3.4倍、4.2倍、5.2倍的方向向上的載荷時,脛骨軟骨的最大應(yīng)力均位于脛骨平臺內(nèi)側(cè),分別為2.10MPa、2.56MPa、3.18MPa,如圖4所示。
對脛腓骨遠端加以軸向位移束縛,對股骨加以760N向下的軸向載荷,同時對脛骨加以134N的前向載荷,觀測內(nèi)外側(cè)半月板的位移、應(yīng)力狀況。圖5示常態(tài)半月板在760N軸向壓縮載荷下半月板最大碰觸壓力為11.81MPa。
位移云圖因此半月板前后角位移首要為向下方的軸向位移,半月板體部兼有軸向及徑向位移。
2.3內(nèi)側(cè)半月板后角傷害模型建立
對常態(tài)內(nèi)側(cè)半月板在3-matic中進行幾何形式學(xué)解決,獲得內(nèi)側(cè)半月板后角放射狀裂(白區(qū)接壤區(qū)紅區(qū)完全扯破)、內(nèi)側(cè)半月板后角縱列、內(nèi)側(cè)半月板后角程度裂、累及內(nèi)側(cè)半月板后角的桶柄狀扯破等臨床常見內(nèi)側(cè)半月板后角傷害模型(圖6)。
a.常態(tài)內(nèi)側(cè)半月板模型;b.內(nèi)側(cè)半月板后角放射狀裂(白區(qū));c.內(nèi)側(cè)半月板后角放射狀裂(接壤區(qū));d.內(nèi)側(cè)半月板后角放射狀裂(紅區(qū));e.內(nèi)側(cè)半月板后角放射狀裂(完全扯破 );f.內(nèi)側(cè)半月板后角水縱列;g.內(nèi)側(cè)半月板后角程度裂;h.累及內(nèi)側(cè)半月板后角的桶子柄狀扯破.
3研討
緊隨計算機仿生技巧不停進步,三維重建及有限元仿生解析方式有了蓬勃的成長[12]。它是將運用數(shù)學(xué)、固體力學(xué)及計算機科學(xué)互相交融而生成的產(chǎn)物,并成長變成一類高效益的生物力學(xué)研發(fā)方式。膝關(guān)節(jié)構(gòu)造高難,幾何外形不規(guī)則,離體后膝關(guān)節(jié)組織力學(xué)屬性難以持續(xù),與常規(guī)的體外標本生物力學(xué)實驗相比,有限元仿生解析可通過設(shè)置合理的邊緣前提對試驗場景進行準確操控,更確切地模仿膝關(guān)節(jié)的力學(xué)場景,可以獲得許多體內(nèi)、外試驗很難獲取的數(shù)據(jù)。本研發(fā)通過薄層MRI信息創(chuàng)建了常態(tài)膝關(guān)節(jié)的有限元解析模型,構(gòu)造完好、形式真切。在模型檢查中對脛骨加以134N向前的載荷后,計算獲得脛骨平臺前向位移為5.0mm,與有關(guān)文獻較為(表1),結(jié)果靠近。
從圖3中能夠看出脛骨前移時,ACL應(yīng)力為11.521MPa,該結(jié)果與已有研發(fā)得出結(jié)果靠近[13],驗證研發(fā)中PCL等效應(yīng)力為1.0MPa,結(jié)果和臨床論斷ACL限定脛骨前移的功效一致。對脛骨加以不同體重倍數(shù)應(yīng)力時,脛骨軟骨最大應(yīng)力為2.10MPa、2.56MPa、 3.18MPa,如圖4所示。與文獻[11]相比(表格2),二者數(shù)值相同,一樣驗證了模型的有效性。
模型中完好半月板在760N軸向壓縮載荷下內(nèi)、常態(tài)半月板在760N軸向壓縮載荷下半月板最大碰觸壓力為11.81MPa。已有研發(fā)[17]也獲得了相似的結(jié)果。綜上所述,本研發(fā)所創(chuàng)建模型合理,與其余學(xué)者在體外試驗和膝關(guān)節(jié)有限元數(shù)值計算得出的結(jié)果一致,進而能夠驗證該模型有效、牢靠。內(nèi)側(cè)半月板后根部扯破并非稀有,常見于老年患者,扯破嚴重牽連患者膝關(guān)節(jié)性能,且與心血管體系重病有關(guān)[18]。半月板后根扯破與半月板凸顯和骨性關(guān)節(jié)具有緊密聯(lián)系[19],當內(nèi)側(cè)半月板后角產(chǎn)生傷害時,常會造成半月板環(huán)向應(yīng)力消散,既而使關(guān)節(jié)間隙變窄,造成外側(cè)半月板力學(xué)場景變化。內(nèi)側(cè)半月板后1/3有抵擋膝關(guān)節(jié)外旋的功效[20]。本研發(fā)基于常態(tài)膝關(guān)節(jié)有限元仿生模型上順利建立了內(nèi)側(cè)半月板后角傷害模型,含蓋內(nèi)側(cè)半月板后角放射狀裂(白區(qū))、內(nèi)側(cè)半月板后角放射狀裂(接壤區(qū))、內(nèi)側(cè)半月板后角放射狀裂(紅區(qū))、內(nèi)側(cè)半月板后角放射狀裂(完全扯破)、內(nèi)側(cè)半月板后角水縱列、內(nèi)側(cè)半月板后角程度裂、累及內(nèi)側(cè)半月板后角的桶柄狀扯破等臨床常見的內(nèi)側(cè)半月板后角傷害。通過MRI信息創(chuàng)建常態(tài)膝關(guān)節(jié)有限元仿生模型,通過試驗驗證了其有效性,并在此根基上創(chuàng)建了內(nèi)側(cè)半月板后角傷害膝關(guān)節(jié)模型,涵蓋臨床上常見的內(nèi)側(cè)半月板后角傷害;該模型能夠用來研發(fā)膝關(guān)節(jié)韌帶、半月板傷害體制,以及能夠頻頻應(yīng)用,為開拓膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)半月板后角傷害后膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)奠定了根基。
