个体化人工膝关节面设计及有限元分析

张建宏，游文明，李壮壮，陈 军(扬州市职业大学 机械工程学院，江苏 扬州 225009)



个体化人工膝关节面设计及有限元分析

张建宏，游文明，李壮壮，陈 军
(扬州市职业大学 机械工程学院，江苏 扬州 225009)

摘 要：根据患者膝关节软骨面缺损部位CT扫描图像，利用医学图像处理软件Mimics和逆向工程软件Imageware，实现膝关节曲面的三维重建，在Solidworks软件中对该重建的三维模型进行二次设计，形成个体化人工膝关节面实体模型，利用有限元分析软件ANSYS对该实体模型进行有限元分析，以评价个体化人工膝关节面的设计效果.此设计方法能为患者“私人订制”个体化的人工膝关节产品，达到良好的治疗效果.

关键词：个体化；人工膝关节面；CT图像；三维重建；有限元分析

个体化人工膝关节是根据患者膝关节几何特征而量身定做的，是一种能够模拟正常膝关节解剖结构和生理运动的仿生制品.目前个体化人工膝关节置换几乎是所有膝关节软骨严重受损患者的最佳选择，要恢复这类膝关节复杂的生理运动和功能，就必须对膝关节假体进行个体化设计.人工膝关节面作为人工膝关节假体的重要组成部分，其设计效果对于提高假体植入后的稳定性、恢复患者膝关节生理状态下的解剖学及运动学特征、减少因匹配不良而导致的人工膝关节松动问题等具有重要意义[1].

1 人工膝关节面个体化设计

1.1 膝关节面CT图像的获取与处理

进行人工膝关节面个体化设计，首先需要提取患者膝关节软骨面缺损部位CT图像数据，然后进行处理得到膝关节面点云数据.CT图像数据是基于计算机断层成像技术CT(computed tomography)，利用医学成像设备对患者膝关节软骨病变部位进行CT扫描而得到.进行CT扫描时，每层扫描厚度取0.2～0.3mm，像素取512×512，扫描结束后把得到的DICOM格式文件导入到医学图像处理软件Mimics中对图像进行处理.整个图像处理过程为：①图像预处理—平滑和去噪；②图像分割—灰度图像二值化；③二维图像的轮廓提取与轮廓跟踪；④轮廓精简与轮廓曲线矢量化[2].以患者膝关节面病变部位一层CT图像为例，图像处理步骤如图1所示.

图1 CT图像处理步骤

对于CT扫描得到的多层CT图像，将相邻两层CT图像轮廓线用小三角片或小B样条曲面进行拟合，然后通过隐线、面的消除和明暗处理等方法获得三维图像数据并以SLC文件格式输出.SLC文件格式是一种基于快速成型技术(RP)的文件输出格式，能以一系列递增的Z轴横截面上的轮廓点数据表现模型轮廓边界信息[3].在逆向工程软件Imageware中打开上述SLC文件格式，可以得到膝关节面的点云数据如图2所示.

1.2 膝关节面的三维重建

根据逆向工程三维造型，曲面的三维重建一般有以下特点：重建曲面的型面数据较散乱，曲面的边界轮廓和形状较复杂；重建曲面通常由无数个小曲面片经拟合、延伸、过渡、裁减等边界混合而成[4].曲面三维重建的几何算法有多种，比如函数插值法、Bezier法、均匀B样条法、NURBS法、B-spilne法等，其中NURBS法(非均匀有理B样条)是一种比较理想的曲面建模算法，非常适于处理不平坦的三维数据点，逆向工程三维建模软件(如Imageware)几乎都支持该建模方式，该建模方式能够较好地控制物体表面的曲面和曲线度，能够重建出与实体一样生动逼真的三维造型.

考虑到患者膝关节面形状结构复杂，同时为方便后续的二次设计，实现与CAD软件的无缝对接，提取CT断层图像的切层厚度层间距为0.3 mm，在三维逆向工程软件中进行膝关节面的三维重建.重建后的膝关节曲面如图3所示.

图2 膝关节面点云数据

1.3 膝关节面的二次设计

为了把个体化的人工膝关节面牢固地固定在患者的股骨远端，还必须根据患者膝关节软骨病变部位的实际情况进行受损软骨面的三维修补及膝关节面固定台的CAD设计[5].即把三维重建后得到的个体化人工膝关节曲面模型经格式转换导入到Solidworks软件中进行二次设计.完成膝关节面受损伤部位的三维修补和膝关节面固定台的二次设计后，便形成了个体化的人工膝关节面实体模型，如图4所示.

图3 重建后的膝关节面

图4 个体化人工膝关节面实体模型

2 膝关节面的有限元分析

2.1 基本假设及分析评价标准

由于人体膝关节面受到的载荷形式复杂多变，为了有限元分析评价结果的合理性，应用如下基本假设：人工膝关节面材料均质(钛合金)，且具有各向同性；作用于人体膝关节面上的各类形式载荷均匀集中，因人体膝关节面所受到的载荷形式复杂多变，在有限元分析过程中通常以体重倍数的载荷来作用于人体膝关节面进行研究[6].

从生物力学角度，对人工膝关节面进行有限元分析有两个主要的分析评价标准：一是人工膝关节面受到载荷作用时，产生的应力集中效应要小，要避免因为应力集中效应而引起膝关节面局部磨损或膝关节面假体松动现象；二是人工膝关节面受载荷后产生的应力遮挡效应要尽量小[6].

2.2 有限元分析及结果

把经过二次设计完成的个体化人工膝关节面实体模型经过格式转换导入到有限元分析软件ANSYS中，然后进行有关参数的选择、几何模型网格的划分、约束和加载、有限元分析及评价.根据人工膝关节面在膝关节部位受力状况、运动状态及上述基本假设，可以将该个体化人工膝关节面几何模型的约束部位施加在人工膝关节面的内表面，同时把该关节面内每个节点的所有方向的自由度都进行约束，使关节面处于完全被固定的状态.人体正常活动时，膝关节面承受的载荷较复杂，在个体化膝关节生物力学试验中，通常施加给膝关节面上的载荷以该人体体重的倍数来表示：当人体正常站立或者行走时，单膝关节面承受膝关节以上部分躯干及人体四肢总重量的一半，这部分总重量大约为人体总体重的43%；当人体快速奔跑时，其单膝关节面承受的负荷约为人体体重的2.5～3倍；当人体上楼梯时，其单膝关节面承受的负荷约为人体体重的2.5倍；当人体下楼梯时，其单膝关节面承受的负荷约为人体体重的2.2倍[6].据此，假设作用在个体化人工单膝关节面上的载荷为该人体体重的3倍，载荷的加载部位位于膝关节外表面的人体胫股骨关节面自稳定位置，且要与人体的下肢力线(或称之为机械轴)相一致.个体化人工膝关节面载荷加载部位示意图如图5所示.

木文选取Von Mises应力作为衡量该个体化人工单膝关节面受载时其表面应力值大小分布和综合应力状态的主要指标.Von Mises应力是根据第四强度理论定义的一种综合应力，广泛应用于人体骨科领域生物力学有限元试验中，能反映人体骨质表面各受力点受到的平均应力水平和承受的综合应力状态[7].由于在生物力学分析试验中，一般假设作用于单膝关节面上的载荷为人体体重的3倍，当选取目前典型的中国人体重范围以60～80 kg作为体重参数时，则在个体化人工膝关节面上产生的Von Mises应力值大小和状态分布云图如图6所示.

图5 个体化人工膝关节面载荷加载部位

图6 不同体重时，Von Mises应力云图

从有限元分析得到的Von Mises应力云图对比的结果可以看出，虽然个体化人工膝关节面上有些部位存在应力集中现象，但其总体Von Mises应力云图分布符合正常人体膝关节生物力学试验结果和Von Mises应力大小分布规律.另外，从Von Mises应力云图还可以看出，人工膝关节面受到的Von Mises应力值会随着体重的增加而加大，但应力值的增加量在数值上差异不大，每10 kg人体体重的差异，对应的Von Mises应力极值仅存在2 MPa左右的差异，应力集中效应和应力遮挡效应均较小.由此可见，通过该方法设计的个体化人工膝关节面几何结构设计合理，体重差异对该个体化人工膝关节面上的Von Mises应力影响不大，且能够避免不合理的应力集中和应力遮挡效应产生[7].

3 结论

医工技术结合促进了人工膝关节置换技术的发展，有限元分析软件与CAD软件系统的集成应用使人工膝关节计算机辅助设计能力显著提高，不仅能为患者“私人订制”个体化的人工膝关节产品，而且还为评价人工膝关节假体设计是否合理提供一种经济而有效的手段.

参考文献：

[1] 王彩梅. 个体化人工膝关节假体的计算机辅助设计[J]. 中国组织工程研究与临床康复，2008，12(44)：8661-8665.

[2] 陈家新. 医学图像处理及三维重建技术研究[M]. 北京：科学出版社，2010.

[3] 张建宏. 基于CT图像的人工膝关节三维有限元模型构建[J]. 扬州职业大学学报，2008，12(3)：23-26.

[4] 郑淑贤，赵万华，卢秉恒，等. 基于反求工程的个性化残肢重建方法的研究[J]. 机械工程学报，2004，40(7)：128-131.

[5] 洛克，伦娜. 膝关节置换术[M]. 沈阳：辽宁科学技术出版社，2008.

[6] PENA E，CALVO B，MARTINEZ M A，et al.A three-dimensional finite element analysis of the combined behavior of ligame-nts and menisci in the healthy human knee joint[J].Journal of Biomechanics，2006，39(9)：1686-1701.

[7] 张建宏. 基于功能的个性化人工膝关节设计研究[D]. 镇江：江苏大学，2007.

(责任编辑：李 华)

引文格式： 张建宏，游文明，李壮壮，等.个体化人工膝关节面设计及有限元分析[J].苏州市职业大学学报，2016，27(2)：27-30.

中图分类号：TH122；TP391

文献标志码：A

文章编号：1008-5475(2016)02-0027-04

DOI：10.16219/j.cnki.szxbzk.2016.02.007

收稿日期：2015-11-20；修回日期：2015-12-18

基金项目：江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目(201411462003Y)

作者简介：张建宏(1974-)，男，江苏扬州人，讲师，硕士，主要从事机械CAD、逆向工程技术、智能制造研究.

Design and Finite Element Analysis of the Individualized Artificial Knee Joint Surface

ZHANG Jian-hong，YOU Wen-ming，LI Zhuang-zhuang，CHEN Jun
(School of Mechanical Engineering，Yangzhou Polytechnic College，Yangzhou 225009，China)

Abstract：3D reconstruction of knee joint surface is achieved according to the patient’s CT scan images of the artificial cartilage defects of the knee with the help of medical image processing software Mimics as well as the reverse engineering software Imageware. Then a second design of the reconstructed 3D model is conducted with Solidworks software， forming a solid model of the individualized artificial knee joint surface， which is transferred to FEA software ANSYS for finite element analysis in order to evaluate the design effect of the individualized artificial knee joint surface. This design is able to produce privately-tailored artificial knee joint products for patients.

Key words：individualization；artificial knee joint surface；CT images；3D reconstruction；finite element analysis