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由于骨盆的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力的傳導(dǎo)呈各向異性，各研究者制作的骨盆標(biāo)木統(tǒng)一性比較差等原因，用實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法難以對(duì)骨盆受力作出全面而準(zhǔn)確的分析。為進(jìn)一步了解骨盆的力學(xué)性質(zhì)及進(jìn)行傷情分析、治療方式選擇等，骨盆的生物力學(xué)研究正在成為骨科基礎(chǔ)研究的新熱點(diǎn)。目前對(duì)骨盆的力學(xué)有限元分析還處于極其粗糙的階段。有限元法因?yàn)槠浣Y(jié)果不受樣本數(shù)量限制，實(shí)驗(yàn)誤差小，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，正日益成為骨盆生物力學(xué)研究的重要手段。
實(shí)驗(yàn)擬根據(jù)正常成人骨盆的PET-CT掃描數(shù)據(jù)，在Mimics軟件中進(jìn)行數(shù)字化三維重建，模型經(jīng)必要處理后再導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析，分析正常骨盆在承受500 N軸向載荷時(shí)的生物力學(xué)機(jī)制。
設(shè)計(jì)：三維有限元分析，單一樣木觀察。時(shí)間及地點(diǎn):實(shí)驗(yàn)于醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。材料：1例成年男性志愿者，35歲，經(jīng)X射線、B超檢查首先排除骨盆損傷、腫瘤、畸形等病變，進(jìn)行PET-CT掃描。儀器由廣州軍區(qū)總醫(yī)院PET-CT中心提供(Biograph 16 HR型，西門(mén)子公司，德國(guó))。層厚1 mm，得到的二維原始圖像以DICOM格式輸出。骨盆的三維有限元模型建立：采用Mimics軟件進(jìn)行骨盆的三維重建工作，包括圖像輸入、分割、三維重建等步驟，結(jié)果以STL格式輸出。利用Freeform軟件對(duì)模型進(jìn)行平滑、除噪點(diǎn)、鋪而等修飾處理，結(jié)果以IGES格式輸出。
將經(jīng)過(guò)Freeform軟件修飾后的IGES格式存貯的骨盆三維實(shí)體模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中，定義模型的單位，設(shè)定實(shí)常數(shù)，皮質(zhì)骨被定義成厚度為1.6 mm，定義韌帶等附屬結(jié)構(gòu)。根據(jù)恥骨聯(lián)合、骸棘韌帶、骸結(jié)節(jié)韌帶、骸骼前韌帶、骸骼后韌帶(分長(zhǎng)、短兩種)等的實(shí)際解剖部位添加至三維骨盆模型中，有關(guān)附屬結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和附著部位與走向均參閱相關(guān)文獻(xiàn)。這樣得到一個(gè)包含骨性結(jié)構(gòu)和各種韌帶的完整的骨盆模型。最后定義材料屬性，皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及骸骼關(guān)節(jié)軟骨的彈性模量及泊松比根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終建立需要分析的有限元模型。
至此，在ANSYS軟件中得到了一個(gè)完整的骨盆有限元模型，包括骨性結(jié)構(gòu)及韌帶、關(guān)節(jié)軟件等組織。
骨盆有限元模型的分析：假設(shè)條件：生物材料的力學(xué)特性一般都假定為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性。受力時(shí)有限元模型各單元需要有足夠的穩(wěn)定性，不考慮材料的受力變形。
模型的加載方式及約束條件：需要進(jìn)行模擬人體雙腿直立的姿勢(shì)，于是需要向骨盆施加軸向載荷。具體方式為約束雙側(cè)髓自，向骸骨椎體上表而垂直加壓，壓力均勻分布于各有限元結(jié)點(diǎn)。所加載荷大小為500 N。進(jìn)入求解器，計(jì)算該加載方式卜骨盆的應(yīng)力、應(yīng)變及位移的分布情況和絕對(duì)值大小。計(jì)算完成后，進(jìn)入ANSYS軟件的有限元后處理模塊，導(dǎo)出相關(guān)計(jì)算結(jié)果。主要觀察指標(biāo)：骨盆模型的應(yīng)力應(yīng)變及位移變化分布云圖。
設(shè)計(jì)、實(shí)施、評(píng)估者：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為第一、二作者，資料收集為第一作者，實(shí)施及評(píng)估者為全部作者。影響結(jié)果的因素①有限元模型是對(duì)實(shí)際情況的簡(jiǎn)化，木模型主要針對(duì)骨性結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，復(fù)雜的關(guān)節(jié)和韌帶結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)了明顯的簡(jiǎn)化處理。②實(shí)驗(yàn)所涉及的生物材料的材料力學(xué)特性均假定為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性。實(shí)際情況則恰恰相反，構(gòu)成人體組織的生物材料具有各向異性，不均勻性，非線性等特征。③單元?jiǎng)澐帧⒐?jié)點(diǎn)的選擇、載荷和邊界條件的規(guī)定在一定程度上是人為的且不能與實(shí)驗(yàn)條件完全一致。
三維有限元模型的有效性驗(yàn)證有限元分析是進(jìn)行骨盆生物力學(xué)研究的重要工具，應(yīng)用有限元分析可以對(duì)骨盆在應(yīng)力作用卜的應(yīng)力、應(yīng)變及位移分布進(jìn)行計(jì)算和分析評(píng)價(jià)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究相比，有限元分析可以不受樣木數(shù)量限制，結(jié)果的實(shí)驗(yàn)誤差較小，重復(fù)性好。但三維有限元模型由于存在原始影像資料精度不同，模型重建方法各異，網(wǎng)格劃分不一致，材料屬性賦值尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等諸多差異，其分析結(jié)果不但與實(shí)驗(yàn)力學(xué)模型相比存在誤差，而且不同研究者之間分析結(jié)果也存在較大差別。因此，建立三維有限元模型后第一步就需要進(jìn)行有效性驗(yàn)證。
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