案例分享：肘關(guān)節(jié)有限元分析
一 、設(shè)備及軟件
1.1?計(jì)算機(jī)工作站
（1）全身X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)（CT，LightSpeed VCT 64排）
（2）計(jì)算機(jī)：基本配置：AMD3700X，內(nèi)存32G，1T固態(tài)硬盤，操作系統(tǒng) Windows10
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1.2?生物力學(xué)處理軟件
（1）Mimics 21.0三維重建軟件（比利時(shí)Materialise公司）
（2）GeomagicWrap2017逆向工程處理軟件(美國(guó) Raindrop公司 )
（3）Solidworks2017CAD軟件（法國(guó)Dassault Systemes公司）
（4）ANSYS 17.0有限元分析軟件（美國(guó)ANSYS公司）
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二、模型：
骨頭模型準(zhǔn)備：
分別建立肱骨、尺骨、橈骨模型。將基于CT數(shù)據(jù)的肱骨、尺骨和橈骨模型與基于CT數(shù)據(jù)的肱骨軟骨、尺骨軟骨和橈骨軟骨模型進(jìn)行配準(zhǔn)，最終建立所需肱骨軟骨、尺骨軟骨和橈骨軟骨模型。
有穩(wěn)定器的肘關(guān)節(jié)模型準(zhǔn)備：
在SolidWorks軟件里進(jìn)一步處理肘關(guān)節(jié)模型，調(diào)整好肘關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)穩(wěn)定器的準(zhǔn)確的位置，進(jìn)行裝配固定。
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三、分析過程：
設(shè)置條件：設(shè)定皮質(zhì)骨、韌帶及軟骨的楊氏模量分別為17 000，48，15 MPa，泊松比分別為0.3，0.3，0.46 μ。采用四面體單元(Solid185)，分別進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，以桿單元建立肘關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶和外側(cè)副韌帶模型。
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為了方便數(shù)據(jù)分析，以無穩(wěn)定器的肘關(guān)節(jié)與有穩(wěn)定器(一種內(nèi)植入式解剖型肘關(guān)節(jié)穩(wěn)定器)的肘關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，模擬肘關(guān)節(jié)錯(cuò)位時(shí)（由損傷或松解手術(shù)導(dǎo)致的肘關(guān)節(jié)不穩(wěn)定）固定與否的不同工況，對(duì)每種工況分別施加載荷條件進(jìn)行肘關(guān)節(jié)穩(wěn)定性分析。
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加載應(yīng)力及分析邊界條件?：將肱骨、尺骨、橈骨、肱骨軟骨、尺骨軟骨和橈骨軟骨的四面體有限元網(wǎng)格模型文件及肘關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶和外側(cè)副韌帶模型文件導(dǎo)入Ansys軟件(Version
17.0，Ansys，美國(guó))，賦予邊界條件并加載。將肱骨、尺骨、橈骨、肱骨軟骨、尺骨軟骨和橈骨軟骨均假設(shè)為連續(xù)、均質(zhì)及各向同性的線彈性材料。將尺骨和橈骨的遠(yuǎn)端進(jìn)行三向平移和三向旋轉(zhuǎn)約束。
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加載應(yīng)力 ：實(shí)驗(yàn)采用的加載應(yīng)力方式為沿肱骨縱軸軸向加壓，力的作用點(diǎn)位于整個(gè)肘關(guān)節(jié)模型的形狀中心。加載應(yīng)力的大小設(shè)定為100 N，這近似于提拉質(zhì)量10 kg物體的受力狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中忽略了肘關(guān)節(jié)肌肉韌帶力，關(guān)節(jié)軟骨等介質(zhì)的摩擦力及動(dòng)力沖擊等，分析模型關(guān)節(jié)面各部分的應(yīng)力分布情況和位移情況。
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分析方法 ：通過給予肱骨縱軸軸向作用力后，分析不同固定方式的肘關(guān)節(jié)模型的穩(wěn)定性。
主要觀察指標(biāo) 應(yīng)力加載后不同肘關(guān)節(jié)模型尺骨關(guān)節(jié)面的接觸應(yīng)力及位移分布變化。
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四、分析結(jié)果
關(guān)節(jié)面接觸應(yīng)力分析?沿肱骨縱軸軸向加壓，加載應(yīng)力的大小設(shè)定為100 N，對(duì)加載后的模型進(jìn)行應(yīng)力分析，得到各模型的應(yīng)力分布情況。
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關(guān)節(jié)面接觸位移變化?在肘關(guān)節(jié)模型、帶穩(wěn)定器的肘關(guān)節(jié)模型，內(nèi)側(cè)副韌帶模型上分別施加100 N的應(yīng)力，得到有限元模型關(guān)節(jié)面的位移變化云圖。
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