骨盆三维有限元模型的建立及意义

・６４・中华创伤骨科杂志２００８年１月第ｌＯ卷第ｌ期ｃｈｉｎＪ０ｒ【ｈｏｐＴｍｕｍａ，Ｊａｎｕａｒｙ２００８，Ｖ０１．１０，Ｎｏ．１
骨盆三维有限元模型的建立及意义
张景僚顾立强张美超
【摘要】目的旨在建立可靠的骨盆三维有限元模型，并对其进行分析与验证，为临床骨盆损伤模拟仿真提供生物力学依据。

方法选择正常志愿者１例，行骨盆多排螺旋ｃＴ扫描，Ｍｉｍｉｃｓ９．１重建三维图像，Ｆｒｅｅｆ０Ｈｎ软件对模型进行修饰，以．ｉｇｅｓ格式导入有限元软件Ａｎｓｙｓ９．ｏ中，添加骨盆韧带等结构，构建正常骨盆有限元模型，加载后分析各部位应力。

结果建立了高精度骨盆三维有限元模型。

模型共有２２１１３９节点、１４３１１５个单元。

皮质骨、松质骨、耻骨联合、关节软骨为ｓｏｌｉｄ３２（固态３２）单元，全部韧带为１ｉｎｋ（连接）单元。

加载后行有限元分析结果表明骨盆稳定，韧带添加合理，仅在坐骨大切迹部位存在应力相对集中现象，结果贴近实际，与其他生物力学试验结果一致。

结论利用Ｍｉｍｉｃｓ和Ｆｒｅｅｆｏ肋建立正常骨盆有限元模型，具有较高真实性和精确度，能满足Ｉ｜缶床骨盆损伤模拟仿真分析的需要。

【关键词】骨盆；韧带；三维重建；有限元；应力
Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆａｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉＩＩｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｐｅｌｖｉｓ朋Ｈ．７ｖＧ＾憎Ｚｉｏｏ‘，Ｇ∥ｎ—ｑｉｏ，皤，ｚ删ⅣＧ讹ｉ—ｃ＾∞．＋Ｄ印。

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ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＨｉ—ｔｅｃｈＲｅｓｅｎｒｃｈ８ｎｄ
Ｄ即ｅｔｏｐｍｍｔＰｒｏｇｒｎｍ《Ｃｈ讯ａｔ８６３Ｐｒｏｇｒｏｍ）（２００６ＡＡ０１２３ｌｏ，２００６ＡＡ０２２３４３）
Ｇ０ｒ唧。

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【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ｏｂｊｅｃｔｉｖｅＴｏｅｓｔａｂｌｉｓｈａｔｈＩ℃ｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｐｅｌｖｉｓｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｎａｌｖｓｉｓｉｎｃＩｉｎｉｃ．ＭｅｔｈｏｄｓＴｈｅａｒｅａｆ而ｍｔｈｅｂｏｔｔｏｍｏｆｔｈｅｆｏｕｎｈｌｕｍｂａｒｖｅｒｔｅｂｒａｔｏｔｈｅｐｌａｎｅｏｆｐｅｌｖｉｃｏｕｔｌｅｔｉｎｏｎｅｈｅａｌｔｈｙｖ０１ｕｎｔｅｅｒｗａｓｓｃａｎｎｅｄｂｖｍｕｌｔｉ—ｓｌｉｃｅｓｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄｔｏ—ｍｏｇｒａｐｈｙ（ＭｓｃＴ）．Ｔｈｅｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅｐｅｌｖｉｓｗｅｒｅｒｅｃｏｎｓｔｍｃｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｏ｛ｔｗａｒｅＭｉｍｉｃｓ．‘ｒｈｅｍｏｄｅｌｗａｓｍｏｄｉｆｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＦｒｅｅｆｏ肿．Ｔｈｅ３ＤｍｏｄｅｌｏｆｐｅｌｖｉｓｗａｓｉｍｐｏｒｔｅｄｉｎｔｏｔｈｅＡｎｓｙｓ９．Ｏ．‘１１ｈｅｄｉｇｉｔａｌ３ＤｓｔｍｃｔｕｒｅｓｏｆＰｅｌｖｉｃ，ｓｕｃｈａｓｌｉｇａｍｅｎｔａｎｄｐｕｂｉｃｓｙｍｐｈｙｓｉｓ，ｗｅｒｅａｄｄｅｄｔｏｔｈｅ３Ｄｍｏｄｅｌｗｉｔｈｐｏｗｅｒｆｕｌｐｒｅ—ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｕｌａｒｏｆＡｎｓｙｓ．ＦｉｎａＨｙ，ｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ３Ｄｆｉｎｉｔｅ—ｅｌｅｍｅｎｔａｌｍｏｄｅｌ
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ＣｏｎｃｌｕｓｉｏｎＴｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｐｅｌｖｉｓｈａｓｈｉｇｈｒｅａｌｉｔｙａｎｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎｗｈｉｃｈｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｏｐｅｌｖｉｃｉｎｊｕｒｉｅｓｉｎａｓｉｍｕｌａｔｅｄｃｌｉｎｉｃｓｉｔｕａ“ｏｎ．
【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】Ｐｅｌｖｉｓ；Ｌｉｇａｍｅｎｔ；‘ｒｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒｅｃｏｎｓｔｎｌｃｔｉｏｎ；Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；Ｓｔｒｅｓｓ
随着计算机等技术的快速发展，计算机技术也日
益广泛地应用于医学领域，如骨盆的三维重建技术，
基金项目：国家高技术研究发展（８６３）计划（２００６ＡＡ０１２３１０，
２００６ＡＡ０２２３４３）
作者单位：５１０５１５广州，南方医科大学南方医院创伤骨科（张
景僚现在河南省开封市解放军第一五五中心医院外五科工作）；中山
大学附属第一医院显微创伤骨科（顾立强）；南方医科大学生物力学实
验室（张美超）
通讯作者：顾立强，５１００８０，Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｌｑ＠ｆｉｍｍｕ．ｃｏｍ实验研究・
已成为临床骨盆骨折诊治必要的辅助手段。

为评价不
稳定骨盆骨折固定方法的疗效，已经进行了大量的生
物力学研究。

不同的研究之间差异很大，大多数骨盆
研究使用的是人类尸体骨，他们之间必然有年龄的差
异，骨的成份也有很大不同，因此在强壮的尸体骨上
获得的稳定性和固定力，并不一定都能被外推而应用
于临床治疗老年骨质疏松不稳定骨盆骨折患者。

为
此，本文试图建立精确的正常骨盆三维图像，采用相万方数据
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关软件建立骨盆三维有限元实体模型，并对其可靠性进行分析与验证，以期能为骨盆骨折脱位损伤的模拟仿真分析做有益的探索。

材料与方法
一、三维有限元模型的建立
中年男性健康、活体志愿者１例，ｘ线检查证实骨盆无骨折、畸形、肿瘤等骨质破坏，进行Ｌｉｇｈｔ．ｓｐｅｅｄ１６排螺旋ｃＴ（ＧＥ公司，美国）扫描。

扫描范围：Ｌ４下缘至骨盆出口平面（坐骨结节下缘）。

扫描条件：选择骨组织窗扫描，扫描层厚为０．６２５ｍｍ；共获取二维ＣＴ图像４１０层，存贮格式为．ｄｉｃｏｍ。

用Ｍｉｍｉｃｓ９．１（Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅ公司，比利时）进行三维模型重建。

重建好三维模型后导入Ｆｒｅｅｆｏ珊（ｓｅｎｓＡｂｌｅ公司，美国）进行模型修改和表面划分，最后以．ｉｇｅｓ格式导人有限元分析软件Ａｎｓｖｓ９．ｏ中。

二、添加骨盆韧带等附属结构
根据耻骨联合、骶棘韧带、骶结节韧带、骶髂前韧带、骶髂后韧带（又分为长、短两种）等附属结构的实际解剖部位添加至三维骨盆模型中，其中皮质骨、松质骨、耻骨联合均为固态（ｓ０１ｉｄ）３２单元，韧带部分为连接（１ｉｎｋ）单元。

三、各部分材料的参数及网格划分
人体的各部位韧带结构与特性不同，而骨盆部位的附属韧带由于目前尚无骨盆诸韧带的弹性模量（Ｅ），因此本文借鉴相关研究【ｌ引进行材料性质设定（表１）。

利用Ａｎｓｖｓ９．０中Ｍｅｓｈｔｏｏｌ工具的自适应网格划分功能，对模型各部分进行网格划分。

表１各种材料属性
材料刚度长度（ｍ）截面积（ｍ２）弹性模量（ＭＰａ）泊松比
四、约束边界及设置条件
约束边界以Ｓ。

顶部上终板正中央为标准水平，对双侧髋臼缘加以固定。

假设条件：本试验所涉及的生物材料的力学特性均假定为均质、连续和各向同性。

受力时模型各单元有足够的稳定性，不计材料受力变形。

五、三维有限元模型的验证
应用５００Ｎ轴向压缩载荷，均匀、垂直分布于骶骨椎体上终板表面的各个节点，模拟人体双腿直立时ｓ。

表面所受到的压力。

结果
一、三维有限元模型
利用Ｍｉｍｉｃｓ９．１三维重建和Ｆｒｅｅｆ０瑚修改、铺面并导人Ａｎｓｖｓ９．０后所形成的骨盆三维有限元模型如图ｌ所示。

该模型包含髋骨、耻骨、坐骨诸构成骨，还包含耻骨联合、骶棘韧带、骶结节韧带、骶髂前韧带、骶髂后韧带（又分为长、短两种）以及骶髂关节软骨等结构。

二、三维模型网格化
有限元划分模型的网格单元是三维四面体，划分后的模型如图２，模型划分之后的节点和单元数目见表２。

表２节点和单元数目（个）
三、正常骨盆的有限元分析
均匀、垂直加载５００Ｎ轴向压缩载荷于骶骨椎体上终板表面的各个节点，模拟人体双腿直立时ｓ。

表面所受到的压力，进行正常骨盆的非线性三维有限元分析，最后经后处理模块得到骨盆各部分的应力和应变分布云图（图３）。

讨论
多排螺旋ｃＴ于１９９８年问世，为２１世纪ＣＴ机的发展趋势。

多排螺旋ｃＴ不仅仅提高了采集效率，还可得到各向同性（ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）的图像质量，即ｘ、ｙ、ｚ三轴方向分辨率的一致性Ｈ’６Ｊ。

在进行图像重建时，我们需要将体素在不同的方向上进行重组。

如果体素在各个方向上都是一致的，即它的长、宽、高的尺寸一样，称之为各向同性。

多层ｃＴ具有扫描范围广、时间短、纵向分辨率高等优点，目前已被医疗系统普遍接受。

本文采用ＧＥＬｉｇｈｔｓｐｅｅｄ１６骨组织窗扫描，层厚为Ｏ．６２５ｍｍ。

既往的许多ｃＴ建模研究虽然也使用了ｃＴ扫描的数据，但是并未真正深入到ｃＴ数据的本质，有学者
万方数据
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研究开发了基于医学图像通讯标准（ｄｉｇｉｔａｌ
ｉｍａｇｉｎｇ
ａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎ
ｍｅｄｉｃｉｎｅ，ＤＩＣＯＭ）存储格式的
图像处理软件，是近年来在医学信息领域蓬勃兴起的一种通用的、与生产厂商无关的图像及数据通讯标准，在国际上，已广泛地应用于各医学成像设备及ＰＡｃＳ、ＲＩｓ／ＨＩＳ等信息系统的网络互联中【７‘１０】。

此类软件不仅可直接读入ｃＴ机输出的数据文件、存储在计算机中，而且还可以改善ｃＴ图像质量，采用高斯滤波进行图像平滑处理以减少噪声，因此，．ｄｉｃｏｍ格式文件提供了非常精细的组织密度信息，患者完成ｃＴ检查后产生的大量数据信息可依照ＤＩｃ０Ｍ标准进行网上传输或文件存取。

本文采用ＤＩｃ０Ｍ医学数字图像通讯标准和Ｍｉｍｉｃｓ软件辅助建模，为有限元模型的建立提供了极大的方便，而且由于ＤＩＣＯＭ格式的图像可以直接导入Ｍｉｍｉｃｓ三维重建软件进行建模，从而省却了以往的二维ｃＴ繁琐转化过程，减少了人为干扰，提高了建模的精度。

本文采用Ｍｉｍｉｃｓ建立了三维模型，该方法具有以下优点：①Ｍｉｍｉｃｓ可以直接读取ＤＩｃＯＭ数据建立三维模型，并转换为Ａｎｓｙｓ三维有限元软件可识别的格式，从而避免了常规在Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ、ＡｕｔｏＣＡＤ等软件中图像的重新定位和二次处理；②Ｍｉｍｉｃｓ软件应用
简单，可以快速自动生成三维模型。

自由造型模型系统（ｆｒｅｅｆ０咖ｍｏｄｅｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ），是一套可以融合视觉与触觉来完成复杂三维模型建构的软件。

使用者需要通过Ｆｒｅｅｆｏｒｍ的手柄（代替鼠标），即有触觉的“雕刻笔”来控制和雕刻电脑画面中的三维模型，是一种全新的三维设计软件。

Ｆｒｅｅｆｏｎｎ完全摆脱了一般三维设计软件的限制，设计师不需要继续在复杂的电脑程序——数学方程式、鼠标与键盘指令、程序化的方法等阻碍下工作，系统提供了我们与真实世界互动的最基本方式之一——触觉，可以通过触感，与模型进行直接和自然的互动。

同时，它也将实体功能带入了数字领域，可通过一个自然、类比的互动过程获得一个珍贵的数字化三维模型，因此它又被称为“计算机雕刻技术”¨。

１２】。

本文采用该“计算机雕刻”软件，对三维模型进行修改、铺面，并以有限元软件能够接受的．ｉｇｅｓ格式输出模型，既节约了大量的时间与精力，同时又提高了精度。

本文采用多排ＣＴ对正常骨盆志愿者进行薄层扫描，用Ｍｉｍｊｃｓ软件快速重建三维图像，得到了良好的骨盆图像；采用Ｆｒｅｅｆｏｒｍ软件处理三维重建模型，对模型进行修饰，去除一些无意义的杂点，减少了噪声，并对模型表面进行光滑处理，整个过程最大限度地减
图１
骨盆以．ｉｇｅｓ格式导入Ａｎｓｖｓ９．０
巾（ａ，ｂ）
、
图２
网格划分后的骨盆（ａ，ｂ）
图３正常骨盆施加载荷后的应力分布（ａ，ｂ），骶骨的应力分布（ｃ），应变
分布（前面观，ｄ）
万方数据
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少了人为干扰，避免了以前通过人工勾勒二维轮廓线建立三维模型的缺陷，重建的骨盆三维模型很好地反映了完整骨盆的几何形态及局部细节，结构直观、形态逼真、形象鲜明，可全方位旋转演示，得到了更为满意的三维图像。

该方法便捷、快速、高效、准确、高度自动化，为其有限元分析打下了良好的基础。

有限元分析结果显示，正常骨盆施加载荷后的应力分布均匀，两侧的半骨盆受力均匀一致，呈对称性分布。

从应变分布云图上可以看出，骶骨相对于髂骨向下、前和右侧移位，最大应变值为ｏ．６３６Ｅ一４ｍ；双侧坐骨大切迹定点部位应力相对较集中，最大拉应力值为０．４１４Ｅ＋０７Ｐａ，位于骶髂关节部位，属压应力，无应力分布高度集中情况，模型合理，贴近实际情况。

这与其他经ＭＴｓ加载于骶骨体方法所得结果相似。

本文所建立的骨盆三维有限元模型构建合理，得出的结果可信，与其他人的实体标本生物力学实验结果一致，从而可以验证本模型有效、可靠。

可以此模型为平台，进行多种有关骨盆骨折脱位损伤状况的模拟仿真及有限元分析。

例如：耻骨联合分离后前方钢板与上方钢板两种内固定强度之间的比较与分析；骶髂关节脱位采用前路重建钢板与骶髂拉力螺钉两种内固定方式的强度比较；骶骨骨折采用骶骨钉与骶骨钢板内固定方式的强度比较；另外，单纯前环骨盆骨折早期急诊处理时通常采用前方外固定架固定，外固定架有很多种，同样可采用该三维有限元模型对不同种类外固定架的固定强度进行比较。

本实验所涉及的生物材料的力学特性均假定为均质、连续和各向同性。

这种假设实际上对于客观事物是不存在的，实物材料本身并不是均质、连续的，也不是各向同性，而是呈各向异性的特征。

因此，有限元分析法与其他实物标本的生物力学测试法相比各有优点和不足，应相互结合以弥补彼此不足，最后经综合分析，才能得出更为科学、合理的结论。

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Ｍｅｄ
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【１２】张美超，史风雷，赵卫东，等．髋关节外展不同角度股骨颈应力分布的有限元分析．南方医科大学学报，２００５，２５：１２４４—１２４６．
（收稿日期：２００７．０４．２４）
（本文编辑：聂兰英邢益佼）
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；
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万方数据。