标准步态下骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义
作者：汪光晔，张春才，许硕贵，任可【关键词】 骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力
Threedimensional finite element pelvic modeling during standard gait and its biomechanical significances
【Abstract】 AIM: To construct a threedimensional (3D) finite element pelvic model which includes both 3D pelvic muscle and acetabular contact forces during standard gait. METHODS: A normal pelvis from an adult male subject was scanned by CT and the images of every crosssection were obtained. A pelvic model including both threedimensional pelvic muscle and acetabular contact forces during standard gait was constructed with PATRAN 2005R2 software. RESULTS: The constructed 3D finite element pelvic model clearly reflected the real pelvic anatomy and biomechanical behavior, especially the muscle force and hip contact force. The model was divided into 113 028 nodes and 137 524 units. CONCLUSION: The construction of 3D finite element pelvic model provides basic data which are critical for accurately modeling either normal loads or stresses and strains, or the effects of abnormal conditions.
【Keywords】 pelvis; threedimensional finite element; acetabular contact force; pelvic muscle force
【摘要】 目的： 构建包含骨盆肌肉及头臼作用力的'标准步态下骨盆三维有限元模型. 方法： 选择标准成年男性志愿者行骨盆CT扫描成像得到骨盆每层横截面图像, 运用Mimics软件行三维重建， 利用有限元分析软件PATRAN 2005R2构建髋臼三维有限元模型,并将标准步态中肌肉收缩力及头臼作用力也设计到该模型中. 结果： 所构建髋臼模型共划分为113 028个结点、137 524个单元, 模型模拟了骨盆皮质骨、松质骨、关节软骨以及股骨头结构的材料特性. 所建模型结构完整，空间结构测量准确度高，单元划分精细，重点突出，尤其肌肉及头臼作用力加载模拟形象、逼真，客观反映髋臼真实解剖形态结构和生物力学特点. 结论： 构建的髋臼三维有限元模型为正常髋臼或异常髋臼力学研究提供可循模型.
【关键词】 骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力
0引言
对于髋关节的生物力学的研究，有必要了解跨髋关节肌肉的收缩力的大小方向及部位，完整地了解髋臼接触力与骨盆肌肉收缩力力学机制，有助于进一步模拟髋关节力学行为、解剖学与手术后改变的影响，虽然有文献［1-3］讨论过骨盆髋臼生物力学行为，然而这些先前的模型或没包括髋臼接触力或不包括肌肉收缩力. 因此其结果已受到大多学者的质疑. 作为实验研究骨盆与髋臼负载的需要，本实验试图报导一个既包含了肌肉又包含了髋臼接触力的三维有限元模型，这些数据将对于准确模拟髋关节与骨盆的正常负载或异常负载将尤为重要.
1材料和方法
1.1材料① 成年男性志愿者骨盆（男性，40岁）；② 西门子SOMATOM Volume Zoom CT 机；③ DELL工作站；④ Mimics软件；⑤ Patran 2005 r2 软件；⑥ Windows XP操作系统.
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