骨盆周围肌肉力对骨盆生物力学的研究.计量与测试技术

摘    要：

基于人体骨盆CT数据，采用逆向建模创建骨盆三维几何模型，通过有限元分析软件建立骨盆三维有限元模型，探讨肌肉力对骨盆受载荷后生物力学特性的影响。研究发现，在添加肌肉力后，骨盆应力峰值降低约6%,两侧髂骨处位移减少约28%,骨盆环上髂骨各点应力降低，而骶骨处各点应力呈增加趋势。骨盆周围的肌肉力增加了骨盆的稳定性，降低了骨盆中的应力集中现象，使应力分布更加均匀，能更好地模拟骨盆生理解剖结构特点。

关键词：骨盆;肌肉;生物力学;有限元分析;

0 引言

骨盆是人体骨骼中形态结构最复杂的部分，承载着躯干的重量，同时协调着下肢的运动。[1]骨盆主要由骶骨、左右髋骨及其间的软组织(骨关节、韧带和肌肉)组成。骨关节由骶髂关节和耻骨联合构成；骨盆周围的韧带限制了骨盆的活动范围，增加了骨盆的稳定性；骨盆周围附着许多肌肉，与骨盆的运动有着紧密的联系。

在骨盆生物力学特性的研究方法中，有限元法效果突出，具有节省实验材料、分析效率高等优点，已成为国内外医学研究领域的常用方法之一。在以往的研究中，骨盆韧带和肌肉力往往并未包含在骨盆有限元模型中，Phillips等人[2]在有限元模型中加入韧带和肌肉，虽然证明了对皮质骨表面应力分布具有重要作用，但没有考虑骶骨的影响。

本文建立了一个完整的骨盆模型，包括骶骨、两侧髋骨、耻骨联合、骶髂关节、骨盆周围的韧带和肌肉，通过有限元法研究站立姿态下骨盆的生物力学特性，评估肌肉力对完整骨盆应力分布的影响。

1 材料和方法

1.1 骨盆三维几何模型的构建

首先，使用CT设备采集骨盆断层图像，通过医学图像处理软件Mimics提取骨盆轮廓，拟合构建骨盆的三维模型。然后，使用逆向建模软件Geomagic Studio对生成的骨盆模型进行修补，消除模型中存在的噪点、钉状物等缺陷，通过精确曲面造型，构建骨盆皮质骨和松质骨的片体模型，并以IGES格式输出。最后，利用NX12.0的创建实体功能，将片体模型转换为实体模型，并建立骶髂关节软骨和耻骨联合间盘，为后续的有限元分析提供良好的模型基础。最终建立的模型如图1所示。

1.2 骨盆三维有限元模型的构建

将优化后的模型导入Ansys Workbench 19.2,定义模型单位，分别生成实体模型网格，皮质骨厚度为2mm。

(1)材料属性和接触设置

骨盆中皮质骨、松质骨、骶髂关节软骨和耻骨联合各组织材料属性均参考文献[3],具体材料参数见表1。根据Hu等[4]的研究结果，在骶髂关节处设置摩擦接触，摩擦系数0.015。根据各韧带解剖位置的起止点，在骨盆模型表面相应位置建立韧带(包括骶髂韧带、骶棘韧带、骶结节韧带、腹股沟韧带、耻骨上韧带和耻骨弓状韧带),使用仅受拉伸载荷作用的弹簧单元进行模拟，材料属性参考文献[2],具体参数见表2。

骨盆周围主要肌肉力的起止点根据医学相关解剖知识，在骨盆皮质骨表面相应位置建立，肌肉力参数参照文献[2],采用弹簧单元进行模拟，各肌肉组织详细材料参数见表3。

分配给模拟肌肉的弹簧单元的刚度为：

式中：kMT——肌肉组织的刚度；AS——与弹簧单元相连接的皮质骨表面积；AML——骨盆解剖结构中与肌肉相连接的皮质骨表面积。

(2)边界条件

为模拟生理状态，对两侧的髋臼处进行约束，限制六个方向的自由度。

根据相关参数，构建出不添加肌肉力和添加肌肉力的骨盆有限元模型，如图2所示。

2 结果

在骨盆的力传导过程中，骨盆环起到了重要作用。[5]为探究肌肉力对骨盆环应力分布的影响，在骨盆环上选取9个关键节点，节点1～3在骶骨上，4～6在髂骨上，7～9在耻骨上，如图3所示。

对模型施加载荷500N,模拟站立位姿态，[6]同时增加自重20%,施加载荷600N,研究肌肉力随载荷增加对骨盆环应力分布的影响。建立4个模型：(1)无肌肉力，加载500N;(2)有肌肉力，加载500N;(3)无肌肉力，加载600N;(4)有肌肉力，加载600N。

4个骨盆模型的应力云图如图4所示。骨盆有限元模型各部分位移数值和骨盆环中关键节点1～9应力具体数值分别如表4、表5所示。

由图4可知，站立情况下，骨盆有限元模型1～4的应力主要集中在S1椎体，应力经过髂骨翼、骶髂关节、弓状线和坐骨大切迹传至髋臼。站立位下，弓状线和坐骨大切迹均承受较大的载荷，与高应超等[7]有限元结果吻合。在添加肌肉力后，骨盆有限元模型的最大应力减少约6%。由此可知，骨盆有限元模型在添加肌肉力后，对骨盆中力的传导路径影响较小，但对骨盆最大应力有着较大的影响。

根据表4、表5,对比模型1和3、模型2和4两组数据可知，随着载荷的增加，骶骨部分各点应力增加明显，而髂骨和耻骨部分增加较少。对比模型1和2、模型3和4两组数据可知，在添加肌肉力后，骨盆整体 位移减少，骶骨的位移减少较小，约为6%。同时，左右两侧髂骨的位移减少明显，约为28%。其中，骶骨部分1～3点处的应力值均有不同程度的降低，而髂骨和耻骨部分4～9点处的应力值均呈现升高趋势，髂骨部分4～6点处应力值平均增加约3%。

3 结论

通过对骨盆有限元模型的分析，发现添加肌肉力对骨盆中力的传导路径影响较小，但对骨盆环中的应力有一定的影响。从模型1和3、模型2和4两组数据可知，随着载荷的增加，有无肌肉力的情况下，各点的应力值均有增加，两者趋势相近。由于骨盆环作为一个整体结构，因此，当骶骨承受较大载荷时，骨盆其余部分的承受载荷通过骨盆环被分散，表现为髂骨和耻骨部分的应力变化不大，而骶骨处应力增加明显。从模型1和2、模型3和4两组数据对比可知，添加肌肉力对骨盆约束后，使其受力范围更为广泛，同时增加了两侧髋骨的稳定性，减少了两侧髋骨的位移，但对骶骨部分的约束较小，使其通过变形的方式释放和转移载荷，导致骶骨处应力值降低，左右髋骨处的应力值升高。此外，添加肌肉力后，有效降低了骨盆中的应力峰值，减少了骨盆的应力集中现象。

通过本文研究可知，骨盆周围的肌肉力对骨盆中力传导路径影响较小，改变了骨盆中应力的分布，使骨盆受力更为广泛，同时增加了骨盆的稳定性，有效降低了骨盆中最大应力，减少了应力集中现象。

参考文献：[1]陈浩.骨盆周围肌肉力对骨盆生物力学的研究[J].计量与测试技术,2023,50(01):75-78.DOI:10.15988/j.cnki.1004-6941.2023.1.022.

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