内侧半月板后角伤害有限元仿生模型建立

摘要:

对健康自愿者膝关节进行薄层磁共振扫描,将获得Dicom信息导入Mimics中进行三维重建,建立含盖半月板、关节软骨及膝关节韧带在内的膝关节三维模型,对模型进行外表解决后导入Ansys中进行静态解析,应用解析结果与现存文献结果进行较为,确定模型有效后在3-matic中建立不同型号的内侧半月板后角伤害模型。本研发建立了含盖内侧半月板后角放射状裂(白区、接壤区、红区、完全扯破)、内侧半月板后角水纵列、内侧半月板后角程度裂、累及内侧半月板后角的桶柄状扯破等临床常见内侧半月板后角伤害。模型能够拿来研发膝关节内侧半月板后角伤害的生物力学体制。

要害词:有限元解析;半月板;内侧半月板后角;伤害模型;生物力学

膝关节半月板是一类纤维软骨组织,拥有庇护软骨、传播载荷等性能 [1] 。半月板通过减小软骨外表的压力峰值来庇护关节软骨 [2] 。半月板在膝关节机器场景中阐扬侧重要的功效,它持久遭到忽然和频频的应力, 是身体最常见被扯破的组织之一 [3] 。半月板轴向载荷的功效在较大水平上取决于半月板的完好性[4]。半月板扯破会加大患骨关节炎的危害,针对大多数半月板伤害,暂没有有效的治愈来完全修复半月板性能[5]。对半月板伤害的治愈和防备的改进须要理解造成半月板扯破产生和扩展的体制。

当半月板体部产生完全扯破或者半月板根部断裂时,半月板得到了载荷分派性能。近年来,越来越多的研发职员选用有限元仿生解析方式来研发膝关节伤害的生物力学体制。2013年FaridDjoudi等[6]借用有限元模型对膝关节置换后膝关节及假体应力散布进行了研发。2016年ChaoWan等[7]借用建立的模型对胫骨不同扭矩下内侧副韧带力学言行进行解析。2016年KemalGokkus等[8]借用有限元模型对不同水平内侧半月板脱位的膝关节应力散布改变进行了研发。现在对于半月板后角不同型号伤害的膝关节有限元仿生模型研发较少。本研发应用健康自愿者膝关节薄层磁共振信息建立含盖首要承重构造的膝关节数字化模型,依据纤维方向设置半月板的主方向拉伸模量及压缩模量及垂直纤维方向拉伸模量及压缩模量。在验证模型的有效性后建立不同型号的内侧半月板伤害模型,为研发内侧半月板后角伤害后膝关节生物力学奠奠基础。

1材料与方式

1.1资料选择

1名健康成年男人自愿者(成年男人骨密度高,解剖标注清楚,三维重建结果更为牢靠),28岁,身高177cm,体重76kg,行膝关节X射线消除膝关节重病。

1.2设施

飞利浦Achieva3.0T磁共振成像体系、个体计算机(解决器英特尔Corei5-8400@2.80GHz六核;内存8GB(记忆科技DDR42667MHz);主硬盘英特尔NVMeSSDPEKKW12(128GB/固态硬盘)。

1.3软件

专业医学图片重建软件Mimics17.0、正向工程软件3-matic、逆向工程软件GeomagicStudi-o2012、有限元解析软件ANSYS/Workbench16.0、操控体系Windows1064位专业版(Windows10Pro)。

1.4方式

1.4.1膝关节MRI扫描

持续膝关节0度伸直,采取3.0T、扫描膝关节矢状面、设置层厚为1mm,层距为0mm,收集信息保管到个体计算机。

1.4.2膝关节几何模型的创建

将膝关节信息导入Mimics软件,分别手动选取各层面、半月板、股骨、胫腓骨、韧带、关节软骨等膝关节力学承载构造,重建处膝关节三维模型。进一步行外表平滑和形式学操控等一系列解决。在3-matic中删除失效面,弥补平面空泛,删除交叉、堆叠的三角。在geomagic中润饰模型中的钉状物,自相交等。以免模型中尖角,及错边问题造成FEA计算不收敛。并应用曲率工具,进行删除再填充操控,进一步平滑外表。润饰后结果以STP体例文件保管。

1.4.3膝关节三维有限元模型的创建

半月板如果为各向同性资料。此中横轴方向和纵轴方向向弹性模量Ex=Ez=20MPa,而长轴方向弹性模量Ey=120MPa。横轴方向和长轴方向泊松比V为0.2,而纵向泊松比为0.3。韧带设置为长轴拉伸模量设置为215MPa,骨、关节软骨设置为各向异性资料,骨弹性模量E=17000MPa,泊松比V=0.3;关节软骨弹性模量E=5MPa,泊松比V=0.47[9,10]。碰触设置:依据常态膝关节各一些心理状况设置对应碰触。设置半月板上外表及下外表体部与软骨为不分离碰触;设置半月板下外表前后角与胫骨软骨为绑定碰触。韧带与骨、软骨与骨、胫腓骨之间依据解剖构造设置绑定碰触。

1.4.4检查模型有效性

对膝关节模型进行边缘束缚,对照有关文献验证模型的有效性。验证明验1、对胫骨上部加以134N向前的载荷,观测胫骨平台前向位移距离、前后交叉韧带的应力大小。验证明验2、对胫骨下端依序加以不同大小方向向上载荷,记载胫骨软骨的最大等效应力,与文献[11]的研发结果进行较为。验证明验3、对胫腓骨远端加以轴向位移束缚,对股骨加以760N向下轴向载荷,观测内外侧半月板的位移、应力、位移方向状况。

1.4.5内侧半月板后角伤害模型建立

在3-matic中对内侧半月板后角,进行形式解决,建立内侧半月板后角放射状裂、内侧半月板后角纵列裂、内侧半月板后角程度裂模型,将缝隙进行光滑解决,检验无空泛、交叉面、堆叠三角灯外表问题后,导入ansys中进行赋值,及碰触设置。

2结果

2.1常态膝关节重建结果

将Dicom信息导入Mimics中进行重建,外表解决后获得模型如图1所示,

模型含盖骨、软骨、韧带等膝关节首要构造,能够在任何角度,任何截面进行观测,以及能够在模型上进行手术模仿,膝关节屈曲模仿等操控,相比MRI持续断层图片更直观易懂。2.2验证明验结果胫骨在134N向前的载荷下胫骨平台前向位移为5.1mm,如图2所示。

从图3中能够看出ACL的应力为11.521MPa,

胫骨平台ACL止点处存在应力集中。对胫骨下端依序加以体重3.4倍、4.2倍、5.2倍的方向向上的载荷时,胫骨软骨的最大应力均位于胫骨平台内侧,分别为2.10MPa、2.56MPa、3.18MPa,如图4所示。

对胫腓骨远端加以轴向位移束缚,对股骨加以760N向下的轴向载荷,同时对胫骨加以134N的前向载荷,观测内外侧半月板的位移、应力状况。图5示常态半月板在760N轴向压缩载荷下半月板最大碰触压力为11.81MPa。

位移云图因此半月板前后角位移首要为向下方的轴向位移,半月板体部兼有轴向及径向位移。

2.3内侧半月板后角伤害模型建立

对常态内侧半月板在3-matic中进行几何形式学解决,获得内侧半月板后角放射状裂(白区接壤区红区完全扯破)、内侧半月板后角纵列、内侧半月板后角程度裂、累及内侧半月板后角的桶柄状扯破等临床常见内侧半月板后角伤害模型(图6)。

a.常态内侧半月板模型;b.内侧半月板后角放射状裂(白区);c.内侧半月板后角放射状裂(接壤区);d.内侧半月板后角放射状裂(红区);e.内侧半月板后角放射状裂(完全扯破 );f.内侧半月板后角水纵列;g.内侧半月板后角程度裂;h.累及内侧半月板后角的桶子柄状扯破.

3研讨

紧随计算机仿生技巧不停进步,三维重建及有限元仿生解析方式有了蓬勃的成长[12]。它是将运用数学、固体力学及计算机科学互相交融而生成的产物,并成长变成一类高效益的生物力学研发方式。膝关节构造高难,几何外形不规则,离体后膝关节组织力学属性难以持续,与常规的体外标本生物力学实验相比,有限元仿生解析可通过设置合理的边缘前提对试验场景进行准确操控,更确切地模仿膝关节的力学场景,可以获得许多体内、外试验很难获取的数据。本研发通过薄层MRI信息创建了常态膝关节的有限元解析模型,构造完好、形式真切。在模型检查中对胫骨加以134N向前的载荷后,计算获得胫骨平台前向位移为5.0mm,与有关文献较为(表1),结果靠近。

从图3中能够看出胫骨前移时,ACL应力为11.521MPa,该结果与已有研发得出结果靠近[13],验证研发中PCL等效应力为1.0MPa,结果和临床论断ACL限定胫骨前移的功效一致。对胫骨加以不同体重倍数应力时,胫骨软骨最大应力为2.10MPa、2.56MPa、 3.18MPa,如图4所示。与文献[11]相比(表格2),二者数值相同,一样验证了模型的有效性。

模型中完好半月板在760N轴向压缩载荷下内、常态半月板在760N轴向压缩载荷下半月板最大碰触压力为11.81MPa。已有研发[17]也获得了相似的结果。综上所述,本研发所创建模型合理,与其余学者在体外试验和膝关节有限元数值计算得出的结果一致,进而能够验证该模型有效、牢靠。内侧半月板后根部扯破并非稀有,常见于老年患者,扯破严重牵连患者膝关节性能,且与心血管体系重病有关[18]。半月板后根扯破与半月板凸显和骨性关节具有紧密联系[19],当内侧半月板后角产生伤害时,常会造成半月板环向应力消散,既而使关节间隙变窄,造成外侧半月板力学场景变化。内侧半月板后1/3有抵挡膝关节外旋的功效[20]。本研发基于常态膝关节有限元仿生模型上顺利建立了内侧半月板后角伤害模型,含盖内侧半月板后角放射状裂(白区)、内侧半月板后角放射状裂(接壤区)、内侧半月板后角放射状裂(红区)、内侧半月板后角放射状裂(完全扯破)、内侧半月板后角水纵列、内侧半月板后角程度裂、累及内侧半月板后角的桶柄状扯破等临床常见的内侧半月板后角伤害。通过MRI信息创建常态膝关节有限元仿生模型,通过试验验证了其有效性,并在此根基上创建了内侧半月板后角伤害膝关节模型,涵盖临床上常见的内侧半月板后角伤害;该模型能够用来研发膝关节韧带、半月板伤害体制,以及能够频频应用,为开拓膝关节内侧半月板后角伤害后膝关节生物力学奠定了根基。