時(shí)運(yùn) 覃祖敢 陳程 程麗佳

摘 要：建立食指三維有限元模型，并將聚醚醚酮材料屬性賦值，分析在施加不同載荷下食指各節(jié)指骨的應(yīng)力分布情況.健康男性志愿者1名，對(duì)其左手進(jìn)行電子計(jì)算機(jī)斷層掃描，將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 21.0軟件中得到食指的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再導(dǎo)入U(xiǎn)G 12.0軟件中進(jìn)行逆向處理建立食指模型，最后導(dǎo)入Workbench 2020R1軟件中，沿食指指骨縱向分別施加10、20、30、40和50 N載荷，分析食指各節(jié)指骨的應(yīng)力分布情況.結(jié)果顯示，建立了高精度食指三維有限元模型，模型共計(jì)551 410個(gè)節(jié)點(diǎn)，392 047個(gè)四面體單元；隨著施加載荷的增加，食指指骨的應(yīng)力變化范圍約0.37～

5.96 MPa，遠(yuǎn)節(jié)指骨的整體應(yīng)力要明顯高于其他指骨，近節(jié)指骨所受的應(yīng)力最小.采用Mimics和Workbench軟件可建立精確度較高的食指有限元模型，從而對(duì)食指生物力學(xué)角度進(jìn)行定性定量的分析研究，為聚醚醚酮材料作為食指替換材料提供一定的理論依據(jù).

關(guān)鍵詞：聚醚醚酮；食指；有限元分析；三維重建；生物力學(xué)

中圖分類號(hào)：R318.08;TQ317

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

臨床上高能量損傷導(dǎo)致手部組織嚴(yán)重缺損的情況日益增多，尤其是大范圍手部損傷將嚴(yán)重影響手的功能.根據(jù)損傷程度輕重選擇不同的治療方式，有的需要截肢，手指截肢患者不僅面臨手功能的嚴(yán)重下降，有時(shí)甚至還面臨著更嚴(yán)重的社會(huì)心理障礙^[1-5].因此，尋找適合的手指假體材料顯得尤為重要.目前，大多數(shù)假體為硅橡膠假體，這種材料會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)不穩(wěn)、假體破裂和硅橡膠滑膜炎等問(wèn)題.鉭和鈦?zhàn)鳛閼?yīng)用最廣的骨植入金屬材料，因其存在應(yīng)力屏蔽與骨結(jié)合能力弱等缺點(diǎn)使其應(yīng)用受限^[6-7].聚醚醚酮以其優(yōu)異的耐磨性、生物相容性與化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)成為目前最具應(yīng)用前景的人工骨基體復(fù)合材料，并可獨(dú)立作為人工骨替換材料使用^[8-9].聚醚醚酮的彈性模量為（3.86±0.72）GPa，與人體骨的彈性模量相似，能夠避免植入后產(chǎn)生的應(yīng)力遮擋及松動(dòng)現(xiàn)象^[10-14].醫(yī)學(xué)三維影像重建及有限元技術(shù)成為了骨科領(lǐng)域各個(gè)部位生物力學(xué)研究的重要手段，但對(duì)手部關(guān)節(jié)方面的有限元分析研究較少.進(jìn)一步了解手指關(guān)節(jié)生物力學(xué)特點(diǎn)，對(duì)于手指關(guān)節(jié)炎與關(guān)節(jié)僵硬的診治具有重要意義.本研究采用了Mimics 軟件及Workbench有限元分析軟件建立食指關(guān)節(jié)有限元模型，模擬聚醚醚酮材料在不同載荷條件下食指關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布，為聚醚醚酮成為食指假體材料提供一定的理論依據(jù).

1 方 法

1.1 手部圖像數(shù)據(jù)采集

健康男性志愿者1名，24歲，體重80 kg，身高181 cm，手部無(wú)病史.志愿者知曉及同意試驗(yàn)方法，并將電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）資料用于本研究使用.本研究通過(guò)成都大學(xué)附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)審核.志愿者俯臥在64排CT（東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司）床上，左上肢伸于頭側(cè)并保持水平前伸.將手部CT圖像以DICOM格式保存，CT參數(shù)為120～140 kV，

525 mA，層厚0.625 mm.

1.2 建立食指三維模型

將得到的DICOM格式圖像導(dǎo)入Mimics 21.0（Materialise公司）軟件中，設(shè)置閾值155～最大值，使用區(qū)域增長(zhǎng)（region grow）提取骨骼，再用多層編輯工具（multiple slice edit）在各軸視圖層面根據(jù)骨骼的形狀輪廓提取食指，去除多余的部分.最后，將Mimics處理得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入工程設(shè)計(jì)軟件UG 12.0（Siemens PLM Software公司 ）中進(jìn)行逆向處理建立食指模型，如圖1所示.食指關(guān)節(jié)三維重建的流程如圖2所示.

2 食指關(guān)節(jié)三維重建的流程

1.3 建立食指有限元模型

將食指關(guān)節(jié)STP模型導(dǎo)入Workbench 2020R1（Ansys公司）軟件中進(jìn)行網(wǎng)格化（見圖3）和材料屬性賦值.經(jīng)檢索國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)研究^[15-18]，食指關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的聚醚醚酮材料彈性模量為4 GPa，泊松比為0.38.網(wǎng)格采用四面體單元，且網(wǎng)格大小為0.5 mm.

1.4 設(shè)置邊界條件和施加載荷

將食指的近節(jié)指骨、中節(jié)指骨與遠(yuǎn)節(jié)指骨的指骨底作為固定邊界，約束限制6個(gè)方向的自由度.為了模擬食指各指骨結(jié)構(gòu)的受力情況，在每個(gè)指骨的前端沿著指骨徑向分別施加10、20、30、40和50 N載荷^[13].

2 結(jié) 果

對(duì)食指的近節(jié)指骨、中節(jié)指骨與遠(yuǎn)節(jié)指骨分別施加10、20、30、40和50 N的不同載荷，得出食指各節(jié)指骨對(duì)應(yīng)的馮·米塞斯（Von Mises）應(yīng)力云圖（選取50 N為例）及應(yīng)力峰值，如圖4和圖5所示.

按照本研究材料聚醚醚酮的材料參數(shù)，在施加不同載荷過(guò)程中，食指應(yīng)力峰值變化范圍約為0.37～

5.96 MPa，其中，近節(jié)指骨的應(yīng)力峰值變化范圍在0.37～1.84 MPa，中節(jié)指骨的應(yīng)力峰值變化范圍在0.56～2.81 MPa，遠(yuǎn)節(jié)指骨的應(yīng)力峰值變化范圍在1.19～5.96 MPa.

隨著施加載荷的增加，食指各節(jié)指骨所承受的應(yīng)力呈現(xiàn)不同程度的增大.在不同載荷作用下，遠(yuǎn)節(jié)指骨的整體應(yīng)力要明顯高于其他指骨，其中，近節(jié)指骨所受的應(yīng)力最小，且各節(jié)指骨的最大應(yīng)力主要集中在指骨的中段.

3 討 論

有限元分析法是一種用于分析復(fù)雜固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)的方法，能夠?qū)θ梭w骨骼的生物力學(xué)特性進(jìn)行研究，因此被廣泛應(yīng)用于骨科生物力學(xué)研究領(lǐng)域.金波等^[19]采用Mimics結(jié)合Ansys有限元分析軟件對(duì)膝關(guān)節(jié)半月板有限元模型進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，有限元分析結(jié)果與實(shí)體基本一致，因此，該方法可以作為臨床治療半月板損傷的有效手段.張帥等^[20]利用SolidWorks軟件建立種植體在人類下頜骨的三維有限元模型，對(duì)種植體及下頜骨各部位的應(yīng)力分布進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，基臺(tái)有緩沖裝置可降低種植體及各部位所受應(yīng)力.

手指的生物力學(xué)是由骨、關(guān)節(jié)、韌帶、肌肉和肌腱的機(jī)械力學(xué)作用的復(fù)雜組合^[21].食指是僅次于手的最重要的手指，因?yàn)槠洳粌H具有外展和內(nèi)收的能力，還具有彎曲和伸展的能力，并且靠近拇指.多項(xiàng)研究指出，食指在日常生活中使用的重要性，失去食指會(huì)造成捏、握與旋轉(zhuǎn)等力量下降約20%^[22-23].聚醚醚酮作為一種骨科植入物材料，其彈性模量與人骨相當(dāng)，具有優(yōu)異的生物力學(xué)性能、生物相容性和放射線透過(guò)性，植入人體后可有效降低應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，且磁共振成像（MRI）不產(chǎn)生偽影^[24].隨著3D打印技術(shù)趨于成熟，可結(jié)合CT和MRI等醫(yī)學(xué)掃描技術(shù)個(gè)性化定制聚醚醚酮植入物.目前，3D打印聚醚醚酮逐漸被應(yīng)用于臨床，例如，口腔、人造骨關(guān)節(jié)、頜骨及顱骨等缺損修復(fù)^[25-26].聚醚醚酮材料正逐漸成為骨與軟骨替代材料中的一類重要的生物材料，并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的各種領(lǐng)域.

本研究采用CT影像重建技術(shù)對(duì)食指整段進(jìn)行三維重建，并在有限元中進(jìn)行聚醚醚酮材料屬性賦值，對(duì)食指有限元模型沿著指骨徑向施加不同載荷，分析食指應(yīng)力的變化范圍和分布情況，從生物力學(xué)角度對(duì)食指的結(jié)構(gòu)受力展開定性定量的分析研究.通過(guò)分析得出，聚醚醚酮食指在沿指骨徑向分別施加不同載荷時(shí)，其應(yīng)力峰值分布范圍在0.37～5.96 MPa，聚醚醚酮食指內(nèi)的最大應(yīng)力是其屈服應(yīng)力的4.0%，不會(huì)因受壓力過(guò)大而導(dǎo)致變形.因此，聚醚醚酮食指種植體材料符合一定的機(jī)械力學(xué)和生物力學(xué)性能要求，為聚醚醚酮材料作為食指替換材料提供一定的理論依據(jù).此外，關(guān)于食指的生物力學(xué)性能方面參考研究較少，因此，其實(shí)際生物力學(xué)性能還有待進(jìn)一步研究.

參考文獻(xiàn)：

[1]薛金偉.面向前臂截肢患者的虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)方法研究[D].深圳：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院），2020.

[2]Kong Y K，Seo M T，Kang H S，et al.Effect of finger interaction on individual finger：Index finger[J].Work，2012，41（1）：5696-5698.

[3]李金虎，楊新蕾，米增法.早期整形手術(shù)治療手部深度燒傷患者的臨床效果[J].中外醫(yī)學(xué)研究，2022，20（1）：124-127.

[4]徐勝，劉志誠(chéng)，涂鑫濤，等.基于手勢(shì)識(shí)別的手部康復(fù)智能評(píng)估算法研究[J].自動(dòng)化儀表，2021，42（12）：23-27.

[5]耿鵬鵬，許路，田潔.手部重度燒傷患者傷殘接受度與應(yīng)對(duì)方式的相關(guān)性分析[J].現(xiàn)代診斷與治療，2021，32（20）：3289-3290.

[6]曾春，金柯含，李凱，等.聚醚醚酮與鈦網(wǎng)在顱骨修補(bǔ)術(shù)中的應(yīng)用分析[J].中華神經(jīng)外科雜志，2021，37（12）：1219-1222.

[7]趙丙輝，李沅，李文嬌.3D打印技術(shù)制備骨科植入材料聚醚醚酮的力學(xué)性能研究及氨基改性對(duì)材料成骨性能的影響[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2021，27（13）：10-12.

[8]Oladapo B I，Zahedi S A，Ismail S O，et al.3D printing of PEEK and its composite to increase biointerfaces as a biomedical material-A review[J].Colloid Surface B，2021，203（3）：111726-1-111726-9.

[9]張勇，吳正敏，陳溯.聚醚醚酮支架對(duì)All-on-4遠(yuǎn)中傾斜種植體應(yīng)力影響的三維有限元分析[J].北京口腔醫(yī)學(xué)，2021，29（5）：309-312.

[10]吳水華，陳朝暉，范雙石，等.個(gè)性化聚醚醚酮植入物在兒童顱骨修補(bǔ)術(shù)中的臨床應(yīng)用及分析[J].中華神經(jīng)創(chuàng)傷外科電子雜志，2021，7（4）：252-255.

[11]Theivendran K，Arshad F，Hanif U K，et al.Carbon fibre reinforced PEEK versus traditional metallic implants for orthopaedic trauma surgery：A systematic review[J].J Clin Orthop Trauma，2021，23：101674-1-101674-10.

[12]Hosameldin A，Osman A，Hussein M，et al.Three dimensional custom-made PEEK cranioplasty[J].Surg Neurol Int，2021，12（30）：587-1-587-8.

[13]康永強(qiáng)，吳永偉，馬運(yùn)宏，等.正常掌指關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立及生物力學(xué)分析[J].中華手外科雜志，2019，35（5）：364-367.

[14]康永強(qiáng).2-5掌指關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)中有效關(guān)節(jié)接觸面積的三維可視化研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2017.

[15]Shrivastava S P，Dable R，Raj A P N，et al.Comparison of mechanical properties of PEEK and PMMA：An in vitro study[J].J Contemp Dent Pract，2021，22（2）：179-183.

[16]Manzoor F，Golbang A，Jindal S，et al.3D printed PEEK/HA composites for bone tissue engineering applications：Effect of material formulation on mechanical performance and bioactive potential.J Mech Behav Biomed Mater[J].2021，121（15）：104601-1-104601-11.

[17]Baek I，Kwon O，Lim C M，et al.3D PEEK objects fabricated by fused filament fabrication （FFF）[J].Materials，2022，15（3）：898.

[18]Honigmann P，Sharma N，Schumacher R，et al.In-hospital 3D printed scaphoid prosthesis using medical-grade polyetheretherketone （PEEK） biomaterial[J].Biomed Res Int，2021，2021（12）：1301028-1-1301028-8.

[19]金波，胡云根，韓磊.半月板三維有限元模型建立及力學(xué)分析[J].中國(guó)骨傷，2020，33（8）：766-770.

[20]張帥，呂川，李進(jìn)紅，等.基臺(tái)頸部緩沖層對(duì)種植體應(yīng)力分布影響的三維有限元分析[J].華西口腔醫(yī)學(xué)雜志，2020，38（5）：537-540.

[21]Duncan S F M，Saracevic C E，Kakinoki R.Biomechanics of the Hand[J].Hand Clin，2013，29（4）：483-492.

[22]李洋，張開治，楊壽君，等.足部和手部有限元分析模型的建立及應(yīng)用進(jìn)展[J].吉林醫(yī)學(xué)，2007，28（7）：957-960.

[23]林柳蘭，周建勇.3D打印聚醚醚酮及其復(fù)合材料修復(fù)骨缺損的應(yīng)用研究[J].中國(guó)組織工程研究，2020，24（10）：1622-1628.

[24]趙靖，王笛，劉繼全，等.3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀及問(wèn)題[J].中國(guó)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)雜志，2017，27（12）：71-74.

[25]Wong K C.3D-printed patient-specific applications in orthopedics[J].Orthop Res Rev，2016，8（15）：57-66.

[26]賀昆，張永紅，牛金亮，等.基于MRI的人體指骨間關(guān)節(jié)三維有限元模型的建立及生物力學(xué)分析[J].中國(guó)醫(yī)療前沿，2010，5（9）：6-7.

（責(zé)任編輯：伍利華）

Establishment of Three-Dimensional Finite Element Model and Biomechanical Analysis of Index Finger by Polyetheretherketone

SHI Yun ¹，QIN Zugan ¹，CHEN Cheng²，CHENG Lijia^1，2

（1.School of Mechanical Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China; 2.School of Preclinical Medicine，Chengdu University，Chengdu 610106，China）

Abstract：The three-dimensional finite element model of index finger was established，and the attributes of polyetheretherketone material were assigned to analyze the stress distribution of each phalanx of index finger under different loads.A healthy male volunteer was selected to perform CT scanning on his left hand.The scan data was imported into Mimics 21.0 software to obtain the point cloud data of index finger，and then imported into UG 12.0 software for reversed processing to establish index finger model.Finally，the data were put into the Workbench 2020R1 software.Ten，twenty，thirty，forty and fifty Newton loads were applied along the longitudinal direction of phalanges to analyze the stress distribution of index finger bones.The results show that a high-precision three-dimensional finite element model of index finger has been established，with a total of 551 410 nodes and 392 047 tetrahedral elements.With the increase of load，the peak is stress of index finger bones ranges from 0.37 to 5.96 MPa，and the overall stress of the distal phalanx was significantly higher than that of other bones，of which the proximal phalanx suffers the smallest amount of stress.It can be concluded that Mimics and Workbench software can be used to establish the index finger finite element model with high accuracy so as to conduct qualitative and quantitative analysis of index finger biomechanics，providing a theoretical basis for polyether ether ketone material as index finger replacement material.

Key words：polyetheretherketone;index finger;finite element analysis;three-dimensional reconstruction;biomechanics