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)

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

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)

基于6歲兒童解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，對(duì)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(shí)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)．

生物力學(xué)響應(yīng)；有限元模型；股骨頸；損傷機(jī)理

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(duì)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．

圖1 股骨幾何模型Fig. 1 Geometric model of the femur

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(cè)量工具測(cè)量出股骨長(zhǎng)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(duì)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．

圖2 TrueGrid處理的股骨有限元模型Fig. 2 Femur finite element model by TrueGrid

單元質(zhì)量不但會(huì)影響后續(xù)仿真碰撞實(shí)驗(yàn)中計(jì)算的穩(wěn)定、時(shí)間步長(zhǎng)、計(jì)算時(shí)間、附加質(zhì)量，而且更重要的是它會(huì)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(shí)，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(shí)模型失效．檢查的標(biāo)準(zhǔn)為：雅克比(Jacobian)≥0.5，翹曲度(Warpage)≤30°，長(zhǎng)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．

圖3 股骨最終有限元模型Fig. 3 Final femur finite element model

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(jiǎn)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(jiǎn)化受力模型模擬兒童股骨與地面碰撞的情況，實(shí)驗(yàn)對(duì)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．

圖4 股骨加載分布圖Fig. 4 Femoral load distribution

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)．

圖5 股骨頸位移距離曲線圖Fig. 5 Distance curve of femoral neck displacement

圖6 股骨頸等效應(yīng)力云圖Fig. 6 Femoral neck equivalent von Mises stress contour

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7 作用力增大后股骨頸等效應(yīng)力云圖Fig. 7 Femoral neck equivalent von Mises stress contour with increasing force

圖8為股骨頸應(yīng)力集中點(diǎn)與地面接觸力隨時(shí)間變化的曲線．由圖8可以看出，接觸力在 0.3,s時(shí)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(shí)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(shí)間的變化趨勢(shì)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(shí)驗(yàn)證了模型的有效性．

圖8 接觸力-時(shí)間曲線Fig. 8 Contact force-time curve

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．

圖9 股骨頸區(qū)域單元失效情況Fig. 9 Failure location of femoral neck area

3 結(jié) 語(yǔ)

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(shí)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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責(zé)任編輯：常濤

Establishment of 6-Year-Old Children Femoral Finite Element Model and Simulation Analysis of Femoral Neck Injury

WANG Hanlin，LI Haiyan，HE Lijuan，CUI Shihai
(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

A 6-year-old children’s femur finite element model was developed based on the CT image data and children anatomical features. The three dimentional geometric model was reconstructed based on the CT scanning data first，and then a finite element mesh was developed. The finite element model was used to simulate the falling of a child during an accident. Analysis of the results of the simulated experiment showed that the instantaneous large contact force between the femoral neck and ground occurred during the falling after the child was hit in a car accident. The peak stress was found on the ectocondyle of femoral neck which could lead to a fracture. The reseach results agreeded with the past experiments and could provide some insights into 6-year-old children’s femoral injury biomechanics.

biomechanics reaction；finite element model；femoral neck；injury mechanism

R318.01

A

1672-6510(2012)03-0060-04

隨著我國(guó)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(huì)有生命危險(xiǎn)，但是對(duì)身體及心理上的影響卻是持久的[1]，比起同等級(jí)其他身體部位的損傷，下肢損傷需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行治療及恢復(fù)，而且常會(huì)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(shí)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(shí)大沖擊力造成跌倒，同時(shí)下肢股骨與地面發(fā)生強(qiáng)烈碰撞．

目前國(guó)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(guó)外對(duì)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(shí)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(duì)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．

2011–01–09；

2012–03–12

王翰林（1987—），男，天津人，碩士研究生；通信作者：李海巖，教授，lihaiyan@tust.edu.cn.