聚醚醚酮手指假体三维有限元模型的建立及生物力学分析

摘    要：

建立食指三维有限元模型，并将聚醚醚酮材料属性赋值，分析在施加不同载荷下食指各节指骨的应力分布情况.健康男性志愿者1名，对其左手进行电子计算机断层扫描，将扫描数据导入Mimics 21.0软件中得到食指的点云数据，再导入UG 12.0软件中进行逆向处理建立食指模型，最后导入Workbench 2020R1软件中，沿食指指骨纵向分别施加10、20、30、40和50 N载荷，分析食指各节指骨的应力分布情况.结果显示，建立了高精度食指三维有限元模型，模型共计551 410个节点，392 047个四面体单元；随着施加载荷的增加，食指指骨的应力变化范围约0.37～5.96 MPa,远节指骨的整体应力要明显高于其他指骨，近节指骨所受的应力最小.采用Mimics和Workbench软件可建立精确度较高的食指有限元模型，从而对食指生物力学角度进行定性定量的分析研究，为聚醚醚酮材料作为食指替换材料提供一定的理论依据.

关键词：聚醚醚酮;食指;有限元分析;三维重建;生物力学;

0 引 言

临床上高能量损伤导致手部组织严重缺损的情况日益增多，尤其是大范围手部损伤将严重影响手的功能.根据损伤程度轻重选择不同的治疗方式，有的需要截肢，手指截肢患者不仅面临手功能的严重下降，有时甚至还面临着更严重的社会心理障碍[1,2,3,4,5].因此，寻找适合的手指假体材料显得尤为重要.目前，大多数假体为硅橡胶假体，这种材料会导致关节不稳、假体破裂和硅橡胶滑膜炎等问题.钽和钛作为应用最广的骨植入金属材料，因其存在应力屏蔽与骨结合能力弱等缺点使其应用受限[6,7].聚醚醚酮以其优异的耐磨性、生物相容性与化学稳定性等优点成为目前最具应用前景的人工骨基体复合材料，并可独立作为人工骨替换材料使用[8,9].聚醚醚酮的弹性模量为(3.86±0.72)GPa, 与人体骨的弹性模量相似，能够避免植入后产生的应力遮挡及松动现象[10,11,12,13,14].医学三维影像重建及有限元技术成为了骨科领域各个部位生物力学研究的重要手段，但对手部关节方面的有限元分析研究较少.进一步了解手指关节生物力学特点，对于手指关节炎与关节僵硬的诊治具有重要意义.本研究采用了Mimics 软件及Workbench有限元分析软件建立食指关节有限元模型，模拟聚醚醚酮材料在不同载荷条件下食指关节的应力分布，为聚醚醚酮成为食指假体材料提供一定的理论依据.

1 方 法

1.1 手部图像数据采集

健康男性志愿者1名，24岁，体重80 kg, 身高181 cm, 手部无病史.志愿者知晓及同意试验方法，并将电子计算机断层扫描(CT)资料用于本研究使用.本研究通过成都大学附属医院伦理委员会审核.志愿者俯卧在64排CT(东软医疗系统股份有限公司)床上，左上肢伸于头侧并保持水平前伸.将手部CT图像以DICOM格式保存，CT参数为120～140 kV,525 mA,层厚0.625 mm.

1.2 建立食指三维模型

将得到的DICOM格式图像导入Mimics 21.0(Materialise公司)软件中，设置阈值155～最大值，使用区域增长(region grow)提取骨骼，再用多层编辑工具(multiple slice edit)在各轴视图层面根据骨骼的形状轮廓提取食指，去除多余的部分.最后，将Mimics处理得到的点云数据导入工程设计软件UG 12.0(Siemens PLM Software公司 )中进行逆向处理建立食指模型，如图1所示.食指关节三维重建的流程如图2所示.

1.3 建立食指有限元模型

将食指关节STP模型导入Workbench 2020R1(Ansys公司)软件中进行网格化(见图3)和材料属性赋值.经检索国内外文献研究[15,16,17,18],食指关节对应的聚醚醚酮材料弹性模量为4 GPa, 泊松比为0.38.网格采用四面体单元，且网格大小为0.5 mm.

1.4 设置边界条件和施加载荷

将食指的近节指骨、中节指骨与远节指骨的指骨底作为固定边界，约束限制6个方向的自由度.为了模拟食指各指骨结构的受力情况，在每个指骨的前端沿着指骨径向分别施加10、20、30、40和50 N载荷[13].

2 结 果

对食指的近节指骨、中节指骨与远节指骨分别施加10、20、30、40和50 N的不同载荷，得出食指各节指骨对应的冯·米塞斯(Von Mises)应力云图(选取50 N为例)及应力峰值，如图4和图5所示.

按照本研究材料聚醚醚酮的材料参数，在施加不同载荷过程中，食指应力峰值变化范围约为0.37～5.96 MPa, 其中，近节指骨的应力峰值变化范围在0.37～1.84 MPa, 中节指骨的应力峰值变化范围在0.56～2.81 MPa, 远节指骨的应力峰值变化范围在1.19～5.96 MPa.

随着施加载荷的增加，食指各节指骨所承受的应力呈现不同程度的增大.在不同载荷作用下，远节指骨的整体应力要明显高于其他指骨，其中，近节指骨所受的应力最小，且各节指骨的最大应力主要集中在指骨的中段.

3 讨 论

有限元分析法是一种用于分析复杂固体力学和结构力学系统的方法，能够对人体骨骼的生物力学特性进行研究，因此被广泛应用于骨科生物力学研究领域.金波等[19]采用Mimics结合Ansys有限元分析软件对膝关节半月板有限元模型进行研究，结果显示，有限元分析结果与实体基本一致，因此，该方法可以作为临床治疗半月板损伤的有效手段.张帅等[20]利用SolidWorks软件建立种植体在人类下颌骨的三维有限元模型，对种植体及下颌骨各部位的应力分布进行研究，结果显示，基台有缓冲装置可降低种植体及各部位所受应力.

手指的生物力学是由骨、关节、韧带、肌肉和肌腱的机械力学作用的复杂组合[21].食指是仅次于手的最重要的手指，因为其不仅具有外展和内收的能力，还具有弯曲和伸展的能力，并且靠近拇指.多项研究指出，食指在日常生活中使用的重要性，失去食指会造成捏、握与旋转等力量下降约20%[22,23].聚醚醚酮作为一种骨科植入物材料，其弹性模量与人骨相当，具有优异的生物力学性能、生物相容性和放射线透过性，植入人体后可有效降低应力屏蔽效应，且磁共振成像(MRI)不产生伪影[24].随着3D打印技术趋于成熟，可结合CT和MRI等医学扫描技术个性化定制聚醚醚酮植入物.目前，3D打印聚醚醚酮逐渐被应用于临床，例如，口腔、人造骨关节、颌骨及颅骨等缺损修复[25,26].聚醚醚酮材料正逐渐成为骨与软骨替代材料中的一类重要的生物材料，并应用于医学的各种领域.

本研究采用CT影像重建技术对食指整段进行三维重建，并在有限元中进行聚醚醚酮材料属性赋值，对食指有限元模型沿着指骨径向施加不同载荷，分析食指应力的变化范围和分布情况，从生物力学角度对食指的结构受力展开定性定量的分析研究.通过分析得出，聚醚醚酮食指在沿指骨径向分别施加不同载荷时，其应力峰值分布范围在0.37～5.96 MPa, 聚醚醚酮食指内的最大应力是其屈服应力的4.0%,不会因受压力过大而导致变形.因此，聚醚醚酮食指种植体材料符合一定的机械力学和生物力学性能要求，为聚醚醚酮材料作为食指替换材料提供一定的理论依据.此外，关于食指的生物力学性能方面参考研究较少，因此，其实际生物力学性能还有待进一步研究.

参考文献：[1]时运,覃祖敢,陈程等.聚醚醚酮手指假体三维有限元模型的建立及生物力学分析[J].成都大学学报(自然科学版),2023,42(04):354-357+400.

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