基于ANSYS人体膝关节的生物力学分析

目的研究作为膝关节置换前虚拟移植的第一阶段工作,重建人体膝关节股骨的三维有限元模型,并基于股骨模型进行应变方面的有限元分析,得到可供下一阶段假体设计的可靠数据。方法选择1例上海市闵行区中心医院35岁女性股骨截面进行自上而下的、层厚为1 mm CT断层图像。采用ANSYS软件对CT图像进行重建膝关节三维模型并进行网格划分,之后进一步进行应力及生物力学特性方面的研究,模拟正常人在静止站立情况在不同载荷条件下的受力分析及应变情况,来验证所建模型的可行性。结果建立一个节点数为155 522、四面体单元数为107 833的股骨三维体网格模型;分别赋予1、5、10种材料值,再施加450、600、700、800、900 N的集中载荷,得到垂直载荷下的最小应力值为45.2~45.4 MPa,最大应力值为90.5~90.8 MPa。结论膝关节的生物力学分析对于膝关节假体的植入角度和位置及今后膝关节假体的外形设计及材料方面的研究具有重要的参考价值。