聚醚醚酮手指假體三維有限元模型的建立及生物力學分析

時運 覃祖敢 陳程 程麗佳

摘 要：建立食指三維有限元模型，并將聚醚醚酮材料屬性賦值，分析在施加不同載荷下食指各節指骨的應力分布情況.健康男性志愿者1名，對其左手進行電子計算機斷層掃描，將掃描數據導入Mimics 21.0軟件中得到食指的點云數據，再導入UG 12.0軟件中進行逆向處理建立食指模型，最后導入Workbench 2020R1軟件中，沿食指指骨縱向分別施加10、20、30、40和50 N載荷，分析食指各節指骨的應力分布情況.結果顯示，建立了高精度食指三維有限元模型，模型共計551 410個節點，392 047個四面體單元；隨著施加載荷的增加，食指指骨的應力變化范圍約0.37～

5.96 MPa，遠節指骨的整體應力要明顯高于其他指骨，近節指骨所受的應力最小.采用Mimics和Workbench軟件可建立精確度較高的食指有限元模型，從而對食指生物力學角度進行定性定量的分析研究，為聚醚醚酮材料作為食指替換材料提供一定的理論依據.

關鍵詞：聚醚醚酮；食指；有限元分析；三維重建；生物力學

中圖分類號：R318.08;TQ317

文獻標志碼：A

0 引 言

臨床上高能量損傷導致手部組織嚴重缺損的情況日益增多，尤其是大范圍手部損傷將嚴重影響手的功能.根據損傷程度輕重選擇不同的治療方式，有的需要截肢，手指截肢患者不僅面臨手功能的嚴重下降，有時甚至還面臨著更嚴重的社會心理障礙^[1-5].因此，尋找適合的手指假體材料顯得尤為重要.目前，大多數假體為硅橡膠假體，這種材料會導致關節不穩、假體破裂和硅橡膠滑膜炎等問題.鉭和鈦作為應用最廣的骨植入金屬材料，因其存在應力屏蔽與骨結合能力弱等缺點使其應用受限^[6-7].聚醚醚酮以其優異的耐磨性、生物相容性與化學穩定性等優點成為目前最具應用前景的人工骨基體復合材料，并可獨立作為人工骨替換材料使用^[8-9].聚醚醚酮的彈性模量為（3.86±0.72）GPa，與人體骨的彈性模量相似，能夠避免植入后產生的應力遮擋及松動現象^[10-14].醫學三維影像重建及有限元技術成為了骨科領域各個部位生物力學研究的重要手段，但對手部關節方面的有限元分析研究較少.進一步了解手指關節生物力學特點，對于手指關節炎與關節僵硬的診治具有重要意義.本研究采用了Mimics 軟件及Workbench有限元分析軟件建立食指關節有限元模型，模擬聚醚醚酮材料在不同載荷條件下食指關節的應力分布，為聚醚醚酮成為食指假體材料提供一定的理論依據.

1 方 法

1.1 手部圖像數據采集

健康男性志愿者1名，24歲，體重80 kg，身高181 cm，手部無病史.志愿者知曉及同意試驗方法，并將電子計算機斷層掃描（CT）資料用于本研究使用.本研究通過成都大學附屬醫院倫理委員會審核.志愿者俯臥在64排CT（東軟醫療系統股份有限公司）床上，左上肢伸于頭側并保持水平前伸.將手部CT圖像以DICOM格式保存，CT參數為120～140 kV，

525 mA，層厚0.625 mm.

1.2 建立食指三維模型

將得到的DICOM格式圖像導入Mimics 21.0（Materialise公司）軟件中，設置閾值155～最大值，使用區域增長（region grow）提取骨骼，再用多層編輯工具（multiple slice edit）在各軸視圖層面根據骨骼的形狀輪廓提取食指，去除多余的部分.最后，將Mimics處理得到的點云數據導入工程設計軟件UG 12.0（Siemens PLM Software公司 ）中進行逆向處理建立食指模型，如圖1所示.食指關節三維重建的流程如圖2所示.

2 食指關節三維重建的流程

1.3 建立食指有限元模型

將食指關節STP模型導入Workbench 2020R1（Ansys公司）軟件中進行網格化（見圖3）和材料屬性賦值.經檢索國內外文獻研究^[15-18]，食指關節對應的聚醚醚酮材料彈性模量為4 GPa，泊松比為0.38.網格采用四面體單元，且網格大小為0.5 mm.

1.4 設置邊界條件和施加載荷

將食指的近節指骨、中節指骨與遠節指骨的指骨底作為固定邊界，約束限制6個方向的自由度.為了模擬食指各指骨結構的受力情況，在每個指骨的前端沿著指骨徑向分別施加10、20、30、40和50 N載荷^[13].

2 結 果

對食指的近節指骨、中節指骨與遠節指骨分別施加10、20、30、40和50 N的不同載荷，得出食指各節指骨對應的馮·米塞斯（Von Mises）應力云圖（選取50 N為例）及應力峰值，如圖4和圖5所示.

按照本研究材料聚醚醚酮的材料參數，在施加不同載荷過程中，食指應力峰值變化范圍約為0.37～

5.96 MPa，其中，近節指骨的應力峰值變化范圍在0.37～1.84 MPa，中節指骨的應力峰值變化范圍在0.56～2.81 MPa，遠節指骨的應力峰值變化范圍在1.19～5.96 MPa.

隨著施加載荷的增加，食指各節指骨所承受的應力呈現不同程度的增大.在不同載荷作用下，遠節指骨的整體應力要明顯高于其他指骨，其中，近節指骨所受的應力最小，且各節指骨的最大應力主要集中在指骨的中段.

3 討 論

有限元分析法是一種用于分析復雜固體力學和結構力學系統的方法，能夠對人體骨骼的生物力學特性進行研究，因此被廣泛應用于骨科生物力學研究領域.金波等^[19]采用Mimics結合Ansys有限元分析軟件對膝關節半月板有限元模型進行研究，結果顯示，有限元分析結果與實體基本一致，因此，該方法可以作為臨床治療半月板損傷的有效手段.張帥等^[20]利用SolidWorks軟件建立種植體在人類下頜骨的三維有限元模型，對種植體及下頜骨各部位的應力分布進行研究，結果顯示，基臺有緩沖裝置可降低種植體及各部位所受應力.

手指的生物力學是由骨、關節、韌帶、肌肉和肌腱的機械力學作用的復雜組合^[21].食指是僅次于手的最重要的手指，因為其不僅具有外展和內收的能力，還具有彎曲和伸展的能力，并且靠近拇指.多項研究指出，食指在日常生活中使用的重要性，失去食指會造成捏、握與旋轉等力量下降約20%^[22-23].聚醚醚酮作為一種骨科植入物材料，其彈性模量與人骨相當，具有優異的生物力學性能、生物相容性和放射線透過性，植入人體后可有效降低應力屏蔽效應，且磁共振成像（MRI）不產生偽影^[24].隨著3D打印技術趨于成熟，可結合CT和MRI等醫學掃描技術個性化定制聚醚醚酮植入物.目前，3D打印聚醚醚酮逐漸被應用于臨床，例如，口腔、人造骨關節、頜骨及顱骨等缺損修復^[25-26].聚醚醚酮材料正逐漸成為骨與軟骨替代材料中的一類重要的生物材料，并應用于醫學的各種領域.

本研究采用CT影像重建技術對食指整段進行三維重建，并在有限元中進行聚醚醚酮材料屬性賦值，對食指有限元模型沿著指骨徑向施加不同載荷，分析食指應力的變化范圍和分布情況，從生物力學角度對食指的結構受力展開定性定量的分析研究.通過分析得出，聚醚醚酮食指在沿指骨徑向分別施加不同載荷時，其應力峰值分布范圍在0.37～5.96 MPa，聚醚醚酮食指內的最大應力是其屈服應力的4.0%，不會因受壓力過大而導致變形.因此，聚醚醚酮食指種植體材料符合一定的機械力學和生物力學性能要求，為聚醚醚酮材料作為食指替換材料提供一定的理論依據.此外，關于食指的生物力學性能方面參考研究較少，因此，其實際生物力學性能還有待進一步研究.

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（責任編輯：伍利華）

Establishment of Three-Dimensional Finite Element Model and Biomechanical Analysis of Index Finger by Polyetheretherketone

SHI Yun ¹，QIN Zugan ¹，CHEN Cheng²，CHENG Lijia^1，2

（1.School of Mechanical Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China; 2.School of Preclinical Medicine，Chengdu University，Chengdu 610106，China）

Abstract：The three-dimensional finite element model of index finger was established，and the attributes of polyetheretherketone material were assigned to analyze the stress distribution of each phalanx of index finger under different loads.A healthy male volunteer was selected to perform CT scanning on his left hand.The scan data was imported into Mimics 21.0 software to obtain the point cloud data of index finger，and then imported into UG 12.0 software for reversed processing to establish index finger model.Finally，the data were put into the Workbench 2020R1 software.Ten，twenty，thirty，forty and fifty Newton loads were applied along the longitudinal direction of phalanges to analyze the stress distribution of index finger bones.The results show that a high-precision three-dimensional finite element model of index finger has been established，with a total of 551 410 nodes and 392 047 tetrahedral elements.With the increase of load，the peak is stress of index finger bones ranges from 0.37 to 5.96 MPa，and the overall stress of the distal phalanx was significantly higher than that of other bones，of which the proximal phalanx suffers the smallest amount of stress.It can be concluded that Mimics and Workbench software can be used to establish the index finger finite element model with high accuracy so as to conduct qualitative and quantitative analysis of index finger biomechanics，providing a theoretical basis for polyether ether ketone material as index finger replacement material.

Key words：polyetheretherketone;index finger;finite element analysis;three-dimensional reconstruction;biomechanics