肘关节有限元模型模拟碰撞损伤的生物力学特性分析

目的利用有限元法建立肘关节的三维有限元模型,动态模拟肘关节以不同角度撞击地面,分析肘关节的生物力学特性。方法选取1名健康青年男性志愿者,肘关节屈曲90°行CT扫描,应用Mimics、Geomagic、UG、Hypermesh等软件对所得数据进行三维重建,建立肘关节的三维有限元模型;在Abaqus软件中模拟肘关节以不同角度(前臂与地面呈30°、60°、90°)撞击地面时,计算骨皮质破裂的临界速度及显著破裂时的速度,分析应力传导及其大小、分布等的变化规律。结果肘关节屈曲90°状态发生正面碰撞时应力传导主要集中在肱骨髁、肱骨滑车及尺骨鹰嘴等部位,而桡骨头应力传导较小;当肘关节与地面撞击(前臂与地面分别呈30°、60°、90°)时,骨皮质破裂临界速度分别为11.4、9.3、13.8 m/s;前臂与地面分别呈30°、60°撞击,撞击速度分别达15.0、13.0 m/s时,尺骨鹰嘴呈粉碎性骨折;前臂与地面呈90°撞击,撞击速度达18.0 m/s时,肱骨远端呈明显横行骨折。结论应用有限元建模分析软件构建的人体肘关节有限元模型可用于外力作用下肘关节损伤机制的研究,也可用于肘关节损伤时暴力的大小、速度、方向的推断。