6歲兒童股骨有限元模型的建立及股骨頸損傷的仿真分析
來源：王翰林，李海巖，賀麗娟，崔世海 ?(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)
摘 要：基于 6 歲兒童解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，對其下肢的 CT 掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維幾何重構(gòu)，并利用有限元的建模技術(shù)建立 6 歲 兒童股骨的三維有限元模型．通過加載彎矩的仿真實(shí)驗(yàn)，模擬交通事故中兒童跌倒?fàn)顟B(tài)下的股骨受力情況以及所引起 的股骨頸骨折．研究結(jié)果表明：6 歲兒童在交通事故中跌倒瞬時產(chǎn)生較大的股骨與地面接觸力，股骨頸外側(cè)應(yīng)力最大， 易出現(xiàn)骨折現(xiàn)象．仿真結(jié)果與以往實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符合并與醫(yī)學(xué)結(jié)論吻合，從而驗(yàn)證了模型有效．建立的 6 歲兒童股骨三 維有限元模型可以為跌倒所引起的股骨頸骨折損傷生物力學(xué)響應(yīng)提供理論依據(jù)．?
關(guān)鍵詞：生物力學(xué)響應(yīng)；有限元模型；股骨頸；損傷機(jī)理
隨著我國汽車數(shù)量的逐年增加，發(fā)生在車輛與行 人之間的碰撞事故日益增多，兒童作為更易在事故中 受害的群體，在碰撞中受到的傷害尤為嚴(yán)重．雖然下 肢的損傷一般不會有生命危險，但是對身體及心理上 的影響卻是持久的[1]，比起同等級其他身體部位的損 傷，下肢損傷需要相當(dāng)長的時間進(jìn)行治療及恢復(fù)，而 且常會造成人的終生殘疾[2]．由于兒童身高的原因， 其碰撞形式與成人存在差別．交通事故引發(fā)的碰撞 中，6 歲兒童身體受到撞擊的部位是腰部及腹部，此 種撞擊常導(dǎo)致兒童上肢以及頭部受到嚴(yán)重創(chuàng)傷，而下 肢損傷往往是由于碰撞下的跌倒所致．兒童的股骨頸和股骨頭比較堅(jiān)韌，需要較大的瞬時沖擊力才能導(dǎo) 致骨折．資料[3–4]顯示，絕大多數(shù)(85%～90%)健康兒 童的股骨頸骨折是由于高能量創(chuàng)傷如車禍或高空墜 落造成的．兒童在碰撞中由于身體受到瞬時大沖擊 力造成跌倒，同時下肢股骨與地面發(fā)生強(qiáng)烈碰撞． 目前國內(nèi)尚未有權(quán)威的兒童下肢有限元股骨模 型的建立和仿真分析，國外對成人下肢有限元模型的 建立及分析較成熟，但兒童的下肢模型還有待完善， 同時有關(guān)兒童下肢的尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不健全．本文 通過構(gòu)建 6 歲兒童股骨有限元模型并進(jìn)行碰撞仿真 分析，確定導(dǎo)致股骨頸骨折的原因，對于兒童跌倒保護(hù)和相關(guān)交通法規(guī)的制定有重要意義．
1 材料與方法?
1.1 幾何模型的重構(gòu) 本文建立模型所需的幾何數(shù)據(jù)來自于一名健康 6 歲兒童的下肢右股骨頸，前期處理為導(dǎo)入 1,mm 層 厚的 CT 數(shù)據(jù)，輸出為 DICOM 格式的文件，導(dǎo)入 MIMICS 三維醫(yī)學(xué)建模軟件，采用閾值分割的方法提 取相關(guān)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，為建立有限元模型作前期準(zhǔn) 備．幾何模型的質(zhì)量對于有限元模型的有效性是至 關(guān)重要的．MIMICS 處理后的幾何模型比較粗糙，不 適合直接導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所以將 經(jīng)過 MIMICS 處理后輸出的 STL 格式三維幾何模型 導(dǎo)入逆向工程軟件 Geomagic 中作光滑處理，并生成 帶有非均勻有理Ｂ樣條曲面 NURBS(non-uniform ?rational B-splines)的 IGES 格式的三維幾何模型，為 有限元網(wǎng)格劃分作準(zhǔn)備．圖 1 為經(jīng) Geomagic 處理的 較光滑的幾何模型．
1.2 股骨有限元模型的建立及網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn)?
將 IGES 格式的三維幾何模型導(dǎo)入 TrueGrid 軟 件，應(yīng)用 BLOCK、CURD、CURS 等命令生成初始六 面體網(wǎng)格，進(jìn)行曲面片的重構(gòu)以及基于重構(gòu)的曲面片 進(jìn) 行六面體網(wǎng)格的網(wǎng)格投影操作 ，首先基于 在 Geomagic 軟件中的測量工具測量出股骨長度，進(jìn)而 估算出需要建立初始六面體網(wǎng)格的大小，由于大多數(shù) 情況下導(dǎo)入的幾何模型面邊界以及形態(tài)與 BLOCK 命令所建立的初始六面體網(wǎng)格不匹配，不利于投影的 進(jìn)行，需要使用 SD 命令生成輔助面以利于找到和股 骨解剖學(xué)結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的最佳擬合曲面，從而進(jìn)行下一 步的網(wǎng)格劃分．在進(jìn)行了初步投影后便得到了較為 粗糙的有限元模型，利用 MSEQ 命令調(diào)整節(jié)點(diǎn)數(shù)以 達(dá)到完善有限元模型的效果．圖 2 為經(jīng)過 TrueGrid 處理后的股骨有限元模型．
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? ? ? ?單元質(zhì)量不但會影響后續(xù)仿真碰撞實(shí)驗(yàn)中計(jì)算 的穩(wěn)定、時間步長、計(jì)算時間、附加質(zhì)量，而且更重要 的是它會影響計(jì)算的精確性．由于 TureGrid 處理后 的模型不能完全符合要求，進(jìn)行有限元仿真時，需要 將有限元模型劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入Hypermesh 進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì) 量的檢查以及調(diào)整，以完善網(wǎng)格質(zhì)量，以免在碰撞實(shí) 驗(yàn)時模型失效．檢查的標(biāo)準(zhǔn)為：雅克比(Jacobian)≥ 0.5，翹曲度(Warpage)≤30°，長寬比(Aspect)≤8，扭 曲度(Skew)≤60°，最小內(nèi)角(Min Angle)≥30°，最 大內(nèi)角(Max Angle)≤150°，圖 3 為經(jīng)過 HyperMesh 調(diào)整的股骨有限元模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 11,529，單元數(shù)為 10,416
1.3 材料屬性
股骨由密質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成，密質(zhì)骨為各向異性 材料，松質(zhì)骨為各向同性，目前的研究較少涉及兒童 下肢有限元的建模，模型的材料參數(shù)主要依據(jù)文獻(xiàn) [5]獲得，本文采用簡化材料模型為統(tǒng)一的各向同性 的線性材料[6–7]，泊松比為 0.3，密度為 1,800,kg/m3， 屈服應(yīng)力為 100,MPa，彈性模量為 6.6,GPa，彈性模量 的選取依據(jù)文獻(xiàn)[7]．
2 股骨頸骨折的模型驗(yàn)證
模擬交通事故中兒童由于車輛碰撞而跌倒，獲得 較高初速度并于地面碰撞，從而股骨大轉(zhuǎn)子受力超過 耐受限制而造成的股骨頸骨折．根據(jù)兒童股骨上端股骨頸解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特點(diǎn)，采用一種簡化受力 模型模擬兒童股骨與地面碰撞的情況，實(shí)驗(yàn)對股骨頭 模型施加全約束，受力情況如圖 4 所示[8–9]．其中：F 為外展肌群肌力，1,108,N；R 為髂脛束肌力，120,N；J 為股骨頭傳遞的關(guān)節(jié)力，1,588,N；θ＝30°；Φ＝25°； α＝135°．文中為模擬與地面碰撞，將股骨頭傳遞的 關(guān)節(jié)力向右平移 b＝6,mm，如圖 4 中虛線所示．
模型前處理加載完成后，將其導(dǎo)入 LS-DYNA 軟 件中進(jìn)行仿真分析．計(jì)算結(jié)果表明：股骨頸處最大位 移為 2.32,mm，如圖 5 所示．圖 6 為經(jīng)過仿真分析后 的股骨頸等效應(yīng)力云圖．可以看出，應(yīng)力集中發(fā)生在 股骨頸外側(cè)
股骨頭傳遞的關(guān)節(jié)力逐漸增大導(dǎo)致股骨頸外側(cè) von Mises 應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力云圖如圖 7 所示．
? ? ? 圖8 為股骨頸應(yīng)力集中點(diǎn)與地面接觸力隨時間 變化的曲線．由圖 8 可以看出，接觸力在 0.3,s 時瞬 間開始增大，并在 0.6,s 左右達(dá)到峰值 900,N，之后隨 著股骨頸與地面碰撞結(jié)束而逐漸下降并趨于零．在 股骨頭傳遞的關(guān)節(jié)力達(dá)到 900,N 時有限元模型在股 骨頸處發(fā)生單元失效，出現(xiàn)初始骨折，造成失效的原 因?yàn)楣晒穷i外側(cè)出現(xiàn)的應(yīng)力集中．接觸力隨時間的變 化趨勢與醫(yī)學(xué)理論兒童股骨頸骨折由高能量創(chuàng)傷(如 車禍或高空墜落)造成的理論相符[7]，股骨頸即為由 汽車碰撞引起的跌倒所造成的下肢損傷骨折部位，同 時驗(yàn)證了模型的有效性
圖 9 顯示了股骨頸及相關(guān)區(qū)域單元的失效情 況．股骨頸靠近大轉(zhuǎn)子端相關(guān)區(qū)域發(fā)生了單元失效， 這種現(xiàn)象與相關(guān)醫(yī)學(xué)理論由暴力跌倒導(dǎo)致兒童股骨 頸骨折相吻合[8]．結(jié)果顯示的應(yīng)力集中且單元失效部 位為正常人體解剖學(xué)有幾何形狀突變的部位，這與 Wolff 定律相符合，驗(yàn)證了模型的有效性．
3 結(jié) 語
本文運(yùn)用三維有限元模擬技術(shù)，基于 CT 數(shù)據(jù)構(gòu) 建 6 歲兒童股骨頸的三維有限元模型，并進(jìn)行仿真實(shí) 驗(yàn)，以模擬交通事故中兒童跌倒?fàn)顟B(tài)下的股骨受力情 況以及所引起的股骨頸骨折．研究結(jié)果表明：6 歲兒 童在交通事故中跌倒產(chǎn)生瞬時較大的股骨與地面接 觸力，股骨頸外側(cè)應(yīng)力最大，易出現(xiàn)骨折現(xiàn)象，與前 人實(shí)驗(yàn)結(jié)論相同并與醫(yī)學(xué)結(jié)論吻合，從而驗(yàn)證了模型 的有效性．所建立的有限元模型可以為跌倒所引起的 股骨頸骨折損傷生物力學(xué)響應(yīng)提供理論數(shù)據(jù)。
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PART? 01
針對骨學(xué)、關(guān)節(jié)外科、普外科、囗腔科等提供醫(yī)學(xué)力學(xué)有限元分析仿真、培訓(xùn)、臨床手術(shù)模擬分析等；
代做有限元：脊椎、腰椎、頸椎、上下肢、假肢、前臂、血管支架、牙齒、骨關(guān)節(jié)等；
服務(wù)對象：各省市、自治區(qū)從事運(yùn)動生物力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、囗腔力學(xué)、骨骼力學(xué)的教學(xué)、研究與應(yīng)用的教師、科研工作者、各級教練員等方面的相關(guān)人員；國內(nèi)各重點(diǎn)大學(xué)、科研院所相關(guān)研究領(lǐng)域的博士、碩士相關(guān)研究生和學(xué)者等。
