張建宏，游文明，李壯壯，陳 軍(揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

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個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面設(shè)計(jì)及有限元分析

張建宏，游文明，李壯壯，陳 軍
(揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

摘 要：根據(jù)患者膝關(guān)節(jié)軟骨面缺損部位CT掃描圖像，利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics和逆向工程軟件Imageware，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)曲面的三維重建，在Solidworks軟件中對(duì)該重建的三維模型進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，形成個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面實(shí)體模型，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)該實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析，以評(píng)價(jià)個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面的設(shè)計(jì)效果.此設(shè)計(jì)方法能為患者“私人訂制”個(gè)體化的人工膝關(guān)節(jié)產(chǎn)品，達(dá)到良好的治療效果.

關(guān)鍵詞：個(gè)體化；人工膝關(guān)節(jié)面；CT圖像；三維重建；有限元分析

個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)是根據(jù)患者膝關(guān)節(jié)幾何特征而量身定做的，是一種能夠模擬正常膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)和生理運(yùn)動(dòng)的仿生制品.目前個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)置換幾乎是所有膝關(guān)節(jié)軟骨嚴(yán)重受損患者的最佳選擇，要恢復(fù)這類膝關(guān)節(jié)復(fù)雜的生理運(yùn)動(dòng)和功能，就必須對(duì)膝關(guān)節(jié)假體進(jìn)行個(gè)體化設(shè)計(jì).人工膝關(guān)節(jié)面作為人工膝關(guān)節(jié)假體的重要組成部分，其設(shè)計(jì)效果對(duì)于提高假體植入后的穩(wěn)定性、恢復(fù)患者膝關(guān)節(jié)生理狀態(tài)下的解剖學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、減少因匹配不良而導(dǎo)致的人工膝關(guān)節(jié)松動(dòng)問(wèn)題等具有重要意義[1].

1 人工膝關(guān)節(jié)面?zhèn)€體化設(shè)計(jì)

1.1 膝關(guān)節(jié)面CT圖像的獲取與處理

進(jìn)行人工膝關(guān)節(jié)面?zhèn)€體化設(shè)計(jì)，首先需要提取患者膝關(guān)節(jié)軟骨面缺損部位CT圖像數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行處理得到膝關(guān)節(jié)面點(diǎn)云數(shù)據(jù).CT圖像數(shù)據(jù)是基于計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)CT(computed tomography)，利用醫(yī)學(xué)成像設(shè)備對(duì)患者膝關(guān)節(jié)軟骨病變部位進(jìn)行CT掃描而得到.進(jìn)行CT掃描時(shí)，每層掃描厚度取0.2～0.3mm，像素取512×512，掃描結(jié)束后把得到的DICOM格式文件導(dǎo)入到醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics中對(duì)圖像進(jìn)行處理.整個(gè)圖像處理過(guò)程為：①圖像預(yù)處理—平滑和去噪；②圖像分割—灰度圖像二值化；③二維圖像的輪廓提取與輪廓跟蹤；④輪廓精簡(jiǎn)與輪廓曲線矢量化[2].以患者膝關(guān)節(jié)面病變部位一層CT圖像為例，圖像處理步驟如圖1所示.

圖1 CT圖像處理步驟

對(duì)于CT掃描得到的多層CT圖像，將相鄰兩層CT圖像輪廓線用小三角片或小B樣條曲面進(jìn)行擬合，然后通過(guò)隱線、面的消除和明暗處理等方法獲得三維圖像數(shù)據(jù)并以SLC文件格式輸出.SLC文件格式是一種基于快速成型技術(shù)(RP)的文件輸出格式，能以一系列遞增的Z軸橫截面上的輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)模型輪廓邊界信息[3].在逆向工程軟件Imageware中打開(kāi)上述SLC文件格式，可以得到膝關(guān)節(jié)面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示.

1.2 膝關(guān)節(jié)面的三維重建

根據(jù)逆向工程三維造型，曲面的三維重建一般有以下特點(diǎn)：重建曲面的型面數(shù)據(jù)較散亂，曲面的邊界輪廓和形狀較復(fù)雜；重建曲面通常由無(wú)數(shù)個(gè)小曲面片經(jīng)擬合、延伸、過(guò)渡、裁減等邊界混合而成[4].曲面三維重建的幾何算法有多種，比如函數(shù)插值法、Bezier法、均勻B樣條法、NURBS法、B-spilne法等，其中NURBS法(非均勻有理B樣條)是一種比較理想的曲面建模算法，非常適于處理不平坦的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，逆向工程三維建模軟件(如Imageware)幾乎都支持該建模方式，該建模方式能夠較好地控制物體表面的曲面和曲線度，能夠重建出與實(shí)體一樣生動(dòng)逼真的三維造型.

考慮到患者膝關(guān)節(jié)面形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)為方便后續(xù)的二次設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與CAD軟件的無(wú)縫對(duì)接，提取CT斷層圖像的切層厚度層間距為0.3 mm，在三維逆向工程軟件中進(jìn)行膝關(guān)節(jié)面的三維重建.重建后的膝關(guān)節(jié)曲面如圖3所示.

圖2 膝關(guān)節(jié)面點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.3 膝關(guān)節(jié)面的二次設(shè)計(jì)

為了把個(gè)體化的人工膝關(guān)節(jié)面牢固地固定在患者的股骨遠(yuǎn)端，還必須根據(jù)患者膝關(guān)節(jié)軟骨病變部位的實(shí)際情況進(jìn)行受損軟骨面的三維修補(bǔ)及膝關(guān)節(jié)面固定臺(tái)的CAD設(shè)計(jì)[5].即把三維重建后得到的個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)曲面模型經(jīng)格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到Solidworks軟件中進(jìn)行二次設(shè)計(jì).完成膝關(guān)節(jié)面受損傷部位的三維修補(bǔ)和膝關(guān)節(jié)面固定臺(tái)的二次設(shè)計(jì)后，便形成了個(gè)體化的人工膝關(guān)節(jié)面實(shí)體模型，如圖4所示.

圖3 重建后的膝關(guān)節(jié)面

圖4 個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面實(shí)體模型

2 膝關(guān)節(jié)面的有限元分析

2.1 基本假設(shè)及分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于人體膝關(guān)節(jié)面受到的載荷形式復(fù)雜多變，為了有限元分析評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性，應(yīng)用如下基本假設(shè)：人工膝關(guān)節(jié)面材料均質(zhì)(鈦合金)，且具有各向同性；作用于人體膝關(guān)節(jié)面上的各類形式載荷均勻集中，因人體膝關(guān)節(jié)面所受到的載荷形式復(fù)雜多變，在有限元分析過(guò)程中通常以體重倍數(shù)的載荷來(lái)作用于人體膝關(guān)節(jié)面進(jìn)行研究[6].

從生物力學(xué)角度，對(duì)人工膝關(guān)節(jié)面進(jìn)行有限元分析有兩個(gè)主要的分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：一是人工膝關(guān)節(jié)面受到載荷作用時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)要小，要避免因?yàn)閼?yīng)力集中效應(yīng)而引起膝關(guān)節(jié)面局部磨損或膝關(guān)節(jié)面假體松動(dòng)現(xiàn)象；二是人工膝關(guān)節(jié)面受載荷后產(chǎn)生的應(yīng)力遮擋效應(yīng)要盡量小[6].

2.2 有限元分析及結(jié)果

把經(jīng)過(guò)二次設(shè)計(jì)完成的個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面實(shí)體模型經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中，然后進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的選擇、幾何模型網(wǎng)格的劃分、約束和加載、有限元分析及評(píng)價(jià).根據(jù)人工膝關(guān)節(jié)面在膝關(guān)節(jié)部位受力狀況、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及上述基本假設(shè)，可以將該個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面幾何模型的約束部位施加在人工膝關(guān)節(jié)面的內(nèi)表面，同時(shí)把該關(guān)節(jié)面內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有方向的自由度都進(jìn)行約束，使關(guān)節(jié)面處于完全被固定的狀態(tài).人體正?；顒?dòng)時(shí)，膝關(guān)節(jié)面承受的載荷較復(fù)雜，在個(gè)體化膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)試驗(yàn)中，通常施加給膝關(guān)節(jié)面上的載荷以該人體體重的倍數(shù)來(lái)表示：當(dāng)人體正常站立或者行走時(shí)，單膝關(guān)節(jié)面承受膝關(guān)節(jié)以上部分軀干及人體四肢總重量的一半，這部分總重量大約為人體總體重的43%；當(dāng)人體快速奔跑時(shí)，其單膝關(guān)節(jié)面承受的負(fù)荷約為人體體重的2.5～3倍；當(dāng)人體上樓梯時(shí)，其單膝關(guān)節(jié)面承受的負(fù)荷約為人體體重的2.5倍；當(dāng)人體下樓梯時(shí)，其單膝關(guān)節(jié)面承受的負(fù)荷約為人體體重的2.2倍[6].據(jù)此，假設(shè)作用在個(gè)體化人工單膝關(guān)節(jié)面上的載荷為該人體體重的3倍，載荷的加載部位位于膝關(guān)節(jié)外表面的人體脛股骨關(guān)節(jié)面自穩(wěn)定位置，且要與人體的下肢力線(或稱之為機(jī)械軸)相一致.個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面載荷加載部位示意圖如圖5所示.

木文選取Von Mises應(yīng)力作為衡量該個(gè)體化人工單膝關(guān)節(jié)面受載時(shí)其表面應(yīng)力值大小分布和綜合應(yīng)力狀態(tài)的主要指標(biāo).Von Mises應(yīng)力是根據(jù)第四強(qiáng)度理論定義的一種綜合應(yīng)力，廣泛應(yīng)用于人體骨科領(lǐng)域生物力學(xué)有限元試驗(yàn)中，能反映人體骨質(zhì)表面各受力點(diǎn)受到的平均應(yīng)力水平和承受的綜合應(yīng)力狀態(tài)[7].由于在生物力學(xué)分析試驗(yàn)中，一般假設(shè)作用于單膝關(guān)節(jié)面上的載荷為人體體重的3倍，當(dāng)選取目前典型的中國(guó)人體重范圍以60～80 kg作為體重參數(shù)時(shí)，則在個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面上產(chǎn)生的Von Mises應(yīng)力值大小和狀態(tài)分布云圖如圖6所示.

圖5 個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面載荷加載部位

圖6 不同體重時(shí)，Von Mises應(yīng)力云圖

從有限元分析得到的Von Mises應(yīng)力云圖對(duì)比的結(jié)果可以看出，雖然個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面上有些部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但其總體Von Mises應(yīng)力云圖分布符合正常人體膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和Von Mises應(yīng)力大小分布規(guī)律.另外，從Von Mises應(yīng)力云圖還可以看出，人工膝關(guān)節(jié)面受到的Von Mises應(yīng)力值會(huì)隨著體重的增加而加大，但應(yīng)力值的增加量在數(shù)值上差異不大，每10 kg人體體重的差異，對(duì)應(yīng)的Von Mises應(yīng)力極值僅存在2 MPa左右的差異，應(yīng)力集中效應(yīng)和應(yīng)力遮擋效應(yīng)均較小.由此可見(jiàn)，通過(guò)該方法設(shè)計(jì)的個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，體重差異對(duì)該個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面上的Von Mises應(yīng)力影響不大，且能夠避免不合理的應(yīng)力集中和應(yīng)力遮擋效應(yīng)產(chǎn)生[7].

3 結(jié)論

醫(yī)工技術(shù)結(jié)合促進(jìn)了人工膝關(guān)節(jié)置換技術(shù)的發(fā)展，有限元分析軟件與CAD軟件系統(tǒng)的集成應(yīng)用使人工膝關(guān)節(jié)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能力顯著提高，不僅能為患者“私人訂制”個(gè)體化的人工膝關(guān)節(jié)產(chǎn)品，而且還為評(píng)價(jià)人工膝關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)是否合理提供一種經(jīng)濟(jì)而有效的手段.

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(責(zé)任編輯：李 華)

引文格式： 張建宏，游文明，李壯壯，等.個(gè)體化人工膝關(guān)節(jié)面設(shè)計(jì)及有限元分析[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，27(2)：27-30.

中圖分類號(hào)：TH122；TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-5475(2016)02-0027-04

DOI：10.16219/j.cnki.szxbzk.2016.02.007

收稿日期：2015-11-20；修回日期：2015-12-18

基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201411462003Y)

作者簡(jiǎn)介：張建宏(1974-)，男，江蘇揚(yáng)州人，講師，碩士，主要從事機(jī)械CAD、逆向工程技術(shù)、智能制造研究.

Design and Finite Element Analysis of the Individualized Artificial Knee Joint Surface

ZHANG Jian-hong，YOU Wen-ming，LI Zhuang-zhuang，CHEN Jun
(School of Mechanical Engineering，Yangzhou Polytechnic College，Yangzhou 225009，China)

Abstract：3D reconstruction of knee joint surface is achieved according to the patient’s CT scan images of the artificial cartilage defects of the knee with the help of medical image processing software Mimics as well as the reverse engineering software Imageware. Then a second design of the reconstructed 3D model is conducted with Solidworks software， forming a solid model of the individualized artificial knee joint surface， which is transferred to FEA software ANSYS for finite element analysis in order to evaluate the design effect of the individualized artificial knee joint surface. This design is able to produce privately-tailored artificial knee joint products for patients.

Key words：individualization；artificial knee joint surface；CT images；3D reconstruction；finite element analysis