吴恺杨茂伟*都承斐

    (1.中国医科大学附属第一医院骨科，沈阳110001；2.北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京100191)

    随着工业、矿业及交通运输业的发展，足踝部的损伤不断增加，越来越受到骨科医师及运动医学专家的重视，人们对足踝部的生物力学研究也不断深入。活体组织研究能得到较为精确的数据，但因伦理学的原因受到限制，而对足踝部的传统研究方法是进行尸体标本的生物力学研究。尸体标本生物力学研究目前被认为是金标准，但也有其局限性，首先很难获得尸体标本；其次尸体标本生物力学研究只能获得标本模型的整体信息，标本模型内部的区域性力学特性却很难获得；再次，尸体标本模型失去随意肌的控制，与足踝部的自然状态也存在差别；此外模型的制备及测量也存在一定误差。随着计算机技术和有限元理论的不断发展，人们开始大量使用数字模型和有限元法分析复杂的结构。与以往的生物力学实验相比，有限元方法可以建立高度几何相似及物理相似的有限元模型，既可以反映区域性力学特性，又可以获得整体信息；既可以进行精确的数字分析，又可以进行形象的、直观的定性研究。本研究基于CT数据建立具有高度几何相似性的足踝部三维有限元模型，并对其有效性进行验证，为临床及生物力学研究提供新的研究手段。

    1 资料与方法

    1. 1 数据收集

    男性志愿者1名，28岁，身高172 cm，体重60 kg，足部无外伤史，X线检查排除足部肿瘤、畸形等病变。采用中国医科大学附属第一医院影像中心的Brilliance 64排iCT，扫描参数：电压120 kV，电流强度372.5 mA，螺距0.297，层厚0.625 mm，矩阵512×512，曝光时间0.4 s/r，重建层厚0.9 mm，重建方法B+YC，重建间隔0.45 mm。对志愿者右足自踝关节上10 cm胫腓骨远端向下扫描至足底，扫描时右足保持中立位，共获得足部横断面CT图片516张，以DICOM格式存贮，刻录成光盘。

    1. 2 有限元模型建立

    CT扫描的数据导入三维重建软件Mimics10.0，通过阈值分开骨组织及软组织，建立足踝部骨骼几何模型；根据解剖图谱[1]及文献[2]在骨骼间的相应附着点建立韧带模型，骨骼以STL格式输出，韧带以IGES格式输出。然后将骨骼导入计算机辅助设计软件Geomagic Studio10.0中，对模型进行除噪点、平滑，根据各关节面的几何形状，利用软件加厚功能在各骨面生成关节软骨，最后拟合曲面，骨骼及关节软骨以IGES格式输出。将骨骼、关节软骨及韧带导入Ansys 13.0的Workbench模块进行材料赋值、网格划分、设置边界条件等处理 ......