6歲兒童股骨有限元模型的建立及股骨頸損傷的仿真分析

王翰林，李海巖，賀麗娟，崔世海

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

6歲兒童股骨有限元模型的建立及股骨頸損傷的仿真分析

王翰林，李海巖，賀麗娟，崔世海

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

基于6歲兒童解剖學結構，對其下肢的CT掃描數據進行三維幾何重構，并利用有限元的建模技術建立6歲兒童股骨的三維有限元模型．通過加載彎矩的仿真實驗，模擬交通事故中兒童跌倒狀態下的股骨受力情況以及所引起的股骨頸骨折．研究結果表明：6歲兒童在交通事故中跌倒瞬時產生較大的股骨與地面接觸力，股骨頸外側應力最大，易出現骨折現象．仿真結果與以往實驗結論相符合并與醫學結論吻合，從而驗證了模型有效．建立的6歲兒童股骨三維有限元模型可以為跌倒所引起的股骨頸骨折損傷生物力學響應提供理論依據．

生物力學響應；有限元模型；股骨頸；損傷機理

1 材料與方法

1.1 幾何模型的重構

本文建立模型所需的幾何數據來自于一名健康6歲兒童的下肢右股骨頸，前期處理為導入1,mm層厚的CT數據，輸出為DICOM格式的文件，導入MIMICS三維醫學建模軟件，采用閾值分割的方法提取相關的解剖學結構，為建立有限元模型作前期準備．幾何模型的質量對于有限元模型的有效性是至關重要的．MIMICS處理后的幾何模型比較粗糙，不適合直接導入有限元分析軟件進行網格劃分，所以將經過MIMICS處理后輸出的STL格式三維幾何模型導入逆向工程軟件Geomagic中作光滑處理，并生成帶有非均勻有理B樣條曲面NURBS(non-uniform rational B-splines)的IGES格式的三維幾何模型，為有限元網格劃分作準備．圖1為經Geomagic處理的較光滑的幾何模型．

圖1 股骨幾何模型Fig. 1 Geometric model of the femur

1.2 股骨有限元模型的建立及網格質量檢驗

將IGES格式的三維幾何模型導入TrueGrid軟件，應用BLOCK、CURD、CURS等命令生成初始六面體網格，進行曲面片的重構以及基于重構的曲面片進行六面體網格的網格投影操作，首先基于在Geomagic軟件中的測量工具測量出股骨長度，進而估算出需要建立初始六面體網格的大小，由于大多數情況下導入的幾何模型面邊界以及形態與BLOCK命令所建立的初始六面體網格不匹配，不利于投影的進行，需要使用SD命令生成輔助面以利于找到和股骨解剖學結構相對應的最佳擬合曲面，從而進行下一步的網格劃分．在進行了初步投影后便得到了較為粗糙的有限元模型，利用MSEQ命令調整節點數以達到完善有限元模型的效果．圖2為經過TrueGrid處理后的股骨有限元模型．

圖2 TrueGrid處理的股骨有限元模型Fig. 2 Femur finite element model by TrueGrid

單元質量不但會影響后續仿真碰撞實驗中計算的穩定、時間步長、計算時間、附加質量，而且更重要的是它會影響計算的精確性．由于TureGrid處理后的模型不能完全符合要求，進行有限元仿真時，需要將有限元模型劃分網格后導入Hypermesh進行網格質量的檢查以及調整，以完善網格質量，以免在碰撞實驗時模型失效．檢查的標準為：雅克比(Jacobian)≥0.5，翹曲度(Warpage)≤30°，長寬比(Aspect)≤8，扭曲度(Skew)≤60°，最小內角(Min Angle)≥30°，最大內角(Max Angle)≤150°，圖3為經過HyperMesh調整的股骨有限元模型，節點數為11,529，單元數為10,416．

圖3 股骨最終有限元模型Fig. 3 Final femur finite element model

1.3 材料屬性

股骨由密質骨和松質骨組成，密質骨為各向異性材料，松質骨為各向同性，目前的研究較少涉及兒童下肢有限元的建模，模型的材料參數主要依據文獻[5]獲得，本文采用簡化材料模型為統一的各向同性的線性材料[6–7]，泊松比為0.3，密度為1,800,kg/m3，屈服應力為100,MPa，彈性模量為6.6,GPa，彈性模量的選取依據文獻[7]．

2 股骨頸骨折的模型驗證

模擬交通事故中兒童由于車輛碰撞而跌倒，獲得較高初速度并于地面碰撞，從而股骨大轉子受力超過耐受限制而造成的股骨頸骨折．根據兒童股骨上端股骨頸解剖結構和生物力學特點，采用一種簡化受力模型模擬兒童股骨與地面碰撞的情況，實驗對股骨頭模型施加全約束，受力情況如圖4所示[8–9]．其中：F為外展肌群肌力，1,108,N；R為髂脛束肌力，120,N；J為股骨頭傳遞的關節力，1,588,N；θ＝30°；Φ＝25°；α＝135°．文中為模擬與地面碰撞，將股骨頭傳遞的關節力向右平移b＝6,mm，如圖4中虛線所示．

圖4 股骨加載分布圖Fig. 4 Femoral load distribution

模型前處理加載完成后，將其導入LS-DYNA軟件中進行仿真分析．計算結果表明：股骨頸處最大位移為2.32,mm，如圖5所示．圖6為經過仿真分析后的股骨頸等效應力云圖．可以看出，應力集中發生在股骨頸外側．

圖5 股骨頸位移距離曲線圖Fig. 5 Distance curve of femoral neck displacement

圖6 股骨頸等效應力云圖Fig. 6 Femoral neck equivalent von Mises stress contour

股骨頭傳遞的關節力逐漸增大導致股骨頸外側von Mises應力逐漸增大，應力云圖如圖7所示．

圖7 作用力增大后股骨頸等效應力云圖Fig. 7 Femoral neck equivalent von Mises stress contour with increasing force

圖8為股骨頸應力集中點與地面接觸力隨時間變化的曲線．由圖8可以看出，接觸力在 0.3,s時瞬間開始增大，并在0.6,s左右達到峰值900,N，之后隨著股骨頸與地面碰撞結束而逐漸下降并趨于零．在股骨頭傳遞的關節力達到900,N時有限元模型在股骨頸處發生單元失效，出現初始骨折，造成失效的原因為股骨頸外側出現的應力集中．接觸力隨時間的變化趨勢與醫學理論兒童股骨頸骨折由高能量創傷(如車禍或高空墜落)造成的理論相符[7]，股骨頸即為由汽車碰撞引起的跌倒所造成的下肢損傷骨折部位，同時驗證了模型的有效性．

圖8 接觸力-時間曲線Fig. 8 Contact force-time curve

圖9顯示了股骨頸及相關區域單元的失效情況．股骨頸靠近大轉子端相關區域發生了單元失效，這種現象與相關醫學理論由暴力跌倒導致兒童股骨頸骨折相吻合[8]．結果顯示的應力集中且單元失效部位為正常人體解剖學有幾何形狀突變的部位，這與Wolff定律相符合，驗證了模型的有效性．

圖9 股骨頸區域單元失效情況Fig. 9 Failure location of femoral neck area

3 結 語

本文運用三維有限元模擬技術，基于CT數據構建6歲兒童股骨頸的三維有限元模型，并進行仿真實驗，以模擬交通事故中兒童跌倒狀態下的股骨受力情況以及所引起的股骨頸骨折．研究結果表明：6歲兒童在交通事故中跌倒產生瞬時較大的股骨與地面接觸力，股骨頸外側應力最大，易出現骨折現象，與前人實驗結論相同并與醫學結論吻合，從而驗證了模型的有效性．所建立的有限元模型可以為跌倒所引起的股骨頸骨折損傷生物力學響應提供理論數據．

［1］ Blincoe Lawrence J. The Economic Impact of Motor Vehicle Crashes[M]. Pennsylvania：Diane Publishing

Company，2003.

［2］ Tumer S T，Wang Xishi，Akkas N. A planar dynamic anatomical model of the human lower limb[J]. Biomedical Engineering，1995，7(4)：365–378.

［3］ 郭世明，康兩奇，尹小鋒. 應用空心螺釘固定治療小兒股骨頸骨折的臨床觀察[J]. 中國骨傷，2009，22(3)：311–316.

［4］ 江君，劉利君，唐學陽，等. 兒童股骨頸骨折的治療[J].臨床小兒外科雜志，2009，8(4)：40–41.

［5］ Beillas P，Begeman P C，Yang K H. Lower limb：Advanced FE model and new experimental data[J]. Stapp Car Crash Journal，2001，45：469–494.

［6］ Van Rietbergen B，Huiskes R. Load transfer and stress shielding of the hydroxyapatite-ABG hip：a study of stem length and proximal fixation[J]. Journal of Arthroplasty，2001，16(8 Suppl 1)：55–63.

［7］ Irwin A L，Mertz H J. Biomechanical basis for the CRABI and hybrid III child dummies[C]//Proceedings of the 41st Stapp Car Crash Conference. Warrendale，Pa：SAE，1997.

［8］ Scireg A，Arviker R J. The prediction of muscular load joint forces in the lower extremities dwring[J]. Journal of Biomechanics，1975，1：8–11.

［9］ Majumder S，Roychowdhury A，Pal S. Simulation of hip fracture in sideways fall using a 3,D finite element model of pelvis-femur-soft tissue complex with simplified representation of whole body[J]. Medical Engineering & Physics，2007，29(10)：1167–1178.

責任編輯：常濤

Establishment of 6-Year-Old Children Femoral Finite Element Model and Simulation Analysis of Femoral Neck Injury

WANG Hanlin，LI Haiyan，HE Lijuan，CUI Shihai
(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

A 6-year-old children’s femur finite element model was developed based on the CT image data and children anatomical features. The three dimentional geometric model was reconstructed based on the CT scanning data first，and then a finite element mesh was developed. The finite element model was used to simulate the falling of a child during an accident. Analysis of the results of the simulated experiment showed that the instantaneous large contact force between the femoral neck and ground occurred during the falling after the child was hit in a car accident. The peak stress was found on the ectocondyle of femoral neck which could lead to a fracture. The reseach results agreeded with the past experiments and could provide some insights into 6-year-old children’s femoral injury biomechanics.

biomechanics reaction；finite element model；femoral neck；injury mechanism

R318.01

A

1672-6510(2012)03-0060-04

隨著我國汽車數量的逐年增加，發生在車輛與行人之間的碰撞事故日益增多，兒童作為更易在事故中受害的群體，在碰撞中受到的傷害尤為嚴重．雖然下肢的損傷一般不會有生命危險，但是對身體及心理上的影響卻是持久的[1]，比起同等級其他身體部位的損傷，下肢損傷需要相當長的時間進行治療及恢復，而且常會造成人的終生殘疾[2]．由于兒童身高的原因，其碰撞形式與成人存在差別．交通事故引發的碰撞中，6歲兒童身體受到撞擊的部位是腰部及腹部，此種撞擊常導致兒童上肢以及頭部受到嚴重創傷，而下肢損傷往往是由于碰撞下的跌倒所致．兒童的股骨頸和股骨頭比較堅韌，需要較大的瞬時沖擊力才能導致骨折．資料[3–4]顯示，絕大多數(85%～90%)健康兒童的股骨頸骨折是由于高能量創傷如車禍或高空墜落造成的．兒童在碰撞中由于身體受到瞬時大沖擊力造成跌倒，同時下肢股骨與地面發生強烈碰撞．

目前國內尚未有權威的兒童下肢有限元股骨模型的建立和仿真分析，國外對成人下肢有限元模型的建立及分析較成熟，但兒童的下肢模型還有待完善，同時有關兒童下肢的尸體實驗數據并不健全．本文通過構建6歲兒童股骨有限元模型并進行碰撞仿真分析，確定導致股骨頸骨折的原因，對于兒童跌倒保護和相關交通法規的制定有重要意義．

2011–01–09；

2012–03–12

王翰林（1987—），男，天津人，碩士研究生；通信作者：李海巖，教授，lihaiyan@tust.edu.cn.