內馬爾遭10次犯規-ANSYS 有限元為膝關節保駕護航

2018年世界盃在俄羅斯拉開帷幕。6月17日，五屆世界盃得主巴西隊在頓河羅斯托夫遭遇瑞士隊的頑強阻擊，在領先一球的有利形勢下遭對方逼和，只得到1分。這也是巴西隊最近幾十年來僅有的一次首戰沒有獲勝。比賽中，內馬爾沒有取得進球和助攻，但卻在90分鐘的比賽里，內馬爾全場遭到10次犯規，佔到了巴西隊全隊被犯規19次半數以上！

巴西隊核心內馬爾遭受10次犯規

足球運動是一項強調團隊配合和個人技術以及身體對抗的運動，在三大球類運動中，足球幾乎是身體對抗最激烈的運動。因為足球運動基本上球員對抗的時候都處在高速的運動中，球員的身體的掌控也很難做到特別精準，因此足球場上受傷也是很正常的一件事情。其中膝關節是球員最容易受傷的部位。研究膝關節的生物力學行為，獲得膝關節骨組織和軟骨組織在生理載荷作用下的應力分布對於認識膝關節損傷機理和保護膝關節具有重要意義。通過建立膝關節三維有限元模型並進行計算分析，可以很好的實現對膝關節的研究。

由於膝關節結構的包裹性, 使得在體測量膝關節及其韌帶的受力情況變得非常困難, 其外形複雜且組成的物質不均勻, 生物力學特性難以分析, 尤其在負重的情況, 其膝關節發揮著承上啟下的作用, 其受力特點更加複雜。因此, 應用三維有限元方法建立膝關節生物力學模型, 對於了解有關膝關節的生物力學, 更好的理解膝關節損傷的歸因及其退行性改變的機理, 積極的預防和降低膝關節損傷的發生, 以及對於膝關節損傷的治療與康復訓練具有重要意義。

一、三維有限元模型的建立

為了對所獲取的CT 數據進行三維可視化處理,採用醫學圖像處理軟體Mimics 直接讀取DICOM 格式數據, 提取圖像中的骨骼部分的灰度值, 調整/ Thresho lding0中的灰度值範圍, 使得骨骼與其周圍的組織分開, 自動標記灰度值在選定範圍內的圖像, 生成各層骨組織輪廓線。參考人體標本實物形態 , 分別根據不同序列的圖像數據, 手工描繪膝關節不同結構的圖形。分別建立前交叉韌帶( A nterior Cr uciate Lig ament , ACL ) 、後交叉韌帶( Posterior Cr uciate Lig ament , PCL) 、內側副韌帶( Medial Collateral Ligament, MCL) 、外側副韌帶( Later al Collateral Lig ament, LCL) 的二維圖像。經過區域增長對不同區域進行分割, 每層圖像經過邊緣分割、選擇性編輯及補洞處理, 去除冗餘數據, 經3D 計算建立人體膝關節的三維幾何模型。在Mimics 的FEA 模塊中對生成的三維實體模型進行網格的重新劃分, 光滑處理, 殼與三角形減少分別用於消除小的內含物與減少網格單元的數量, 提高三角形的質量, 進行三角形自交測試無相交的三角形和壞邊, 實現更精確的人體膝關節的三維實體模型的重建。

圖1 經過重新網格劃分光順處理前後的腰椎三維實體模型

在Mimics 的FEA 模塊存儲並輸出後綴名. lis 的網格文件。在ANSYS 中將面網格模型轉化成體網格模型, 建立人體膝關節的三維有限元模型, 本模型包括股骨中下段、脛骨及腓骨中上段、ACL、PCL、MCL、LCL, 模型共由31800 個單元, 15914 個節點構成。整個模型的體積為591394mm3, 表面積為57005mm2。

圖2 人體膝關節三維有限元模型

二、材料屬性的設定

根據CT 掃描圖像的不同灰度值來計算不同材料的密度、彈性模量和泊松比, 實現了材料特性非均勻、力學特性各向異性的骨組織的賦值問題 。得到松質骨密度是( 0. 48~ 1. 1) *10-6 kg/ mm3 , 彈性模量800MPa, 泊松比0. 2; 密質骨密度為( 1. 8~ 2. 6) *10-6kg/ mm3 , 彈性模量16 880MPa, 泊松比0. 3。對於韌帶的材料屬性本研究借鑒前人的研究結果, 韌帶均設置為非線性材料特性, 彈性模430MPa，泊松比0. 45。

三、膝關節生物力學特性三維有限元分析

研究皮質骨、松質骨均選擇SOLID185 單元, 對於韌帶, 採用三維僅受拉杆單元BEAM188, 非線性材料特性, 其中關節間的連接考慮為有滑動的接觸演算法。

3. 1 邊界條件和載入

邊界條件: 定義其中的股骨上端截面在所有方向上完全固定, 三個軸方向的位移和轉角均規定為零作為邊界條件。

定義載荷: 分別對脛骨施加向前、向後、內翻及外翻力100N。

3. 2 膝關節生物力學特性有限元分析

在對膝關節進行生物力學特性分析時, 首先對韌帶進行了有效性檢驗, 選取外側副韌帶, 對其進行破壞性實驗, 結果外側副韌帶最大牽張載荷為800N,最大抗牽張強度為36. 8Mpa, 此測試結果與屍體的生物力學實驗的測試結果較接近, 說明研究所建模型與實際的膝關節的韌帶的材料力學特性具有相似性。所建模型是有效的, 能夠反映膝關節的力學特性。

模擬分析了人體膝關節內、外翻以及脛骨受向前拉力和向後推力時, 膝關節前交叉韌帶、後交叉韌帶、內側副韌帶、外側副韌帶的等效應力變化情況。

圖3 脛骨受到向前拉力和向後推力時韌帶所受應力分布圖

圖4 脛骨受到內翻力和外翻力時韌帶所受應力分布圖

脛骨近端施加向前的拉力時, ACL 近股骨止點處應力為35. 17 MPa, 近脛骨止點處的應力為, PCL、MCL 以及LCL 的應力很小, 說明膝關節伸直時應力主要分布於ACL 近股骨止點處( 圖3) , 說明ACL 是對抗脛骨前移的主要結構。這與臨床上ACL 損傷多發生在股骨止點處相一致。脛骨近端施加向後的推力時, 後交叉韌帶止點處應力為18. 13MPa, 膝關節內應力主要分布於PCL( 圖3) , ACL、LCL 及MCL 內應力較小。說明在膝關節屈曲時, PCL 是對抗脛骨前移的首要結構, 且應力主要集中在近脛骨止點處, 這與臨床PCL 斷裂多發生在股骨止點處相一致。小腿施加內翻應力時, LCL 近股骨止點處應力為28. 90MPa, 近腓骨止點處應力為15. 60MPa, ACL、PAL 與MCL 承受應力相對較小( 圖4) , 說明LCL 是對抗小腿內翻的主要結構。小腿施加外翻應力時,MCL 近股骨止點處應力為5. 77MPa, 近脛骨止點處為11. 75MPa, 脛骨止點處應力較大( 圖4) , ACL、PCL與LCL 所受的應力很小, 說明MCL 是對抗小腿外翻的主要結構。

四、結論

隨著計算機及軟體業的高速發展，有限元分析法與其他虛擬數字技術有機結合，成為生物醫學領域模擬人體結構力學功能研究方面的一個重要實驗手段，有效解決許多在人體生物力學實驗無法完成的問題，為關節外科的理論發展提供了技術支持，使得臨床療效得以提高。相信隨著CAE技術和醫學技術的發展，越來越多足球運動員能夠快速康復，重返賽場，讓類似羅納爾多飽受傷病困擾而離開了足球生涯的遺憾不再重演。

巴西足球球星羅納爾多

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