有限元法在手部的運用

1、    有限元法在手部的運用    馬高山虞記華黃立德胥方元摘要：有限元法是目前生物力學(xué)研究的熱點方法，臨床研究上，有限元法在骨科、口腔、康復(fù)方面應(yīng)用較多。從解剖部位來講，較多用于脊柱、口齒、髖、膝、足踝部的力學(xué)分析。手部因其解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動靈活精細(xì)、力學(xué)分析困難的軟組織對手部力學(xué)因素有重要影響等方面原因，研究較人體其它部位相比明顯偏少。本研究簡述有限元法發(fā)展歷史及其在人體生物力學(xué)中應(yīng)用，對有限元法手部建模思路、應(yīng)用進展，包括數(shù)據(jù)的采集方法、常用有限元軟件做綜述，以資參考。關(guān)鍵詞：有限元法；手部；建模；生物力學(xué)1 有限元法的發(fā)展歷史及在人體生物力學(xué)中的

2、運用1.1有限元法的發(fā)展歷史 有限元法（finite elementsmethods，fem）即有限元素法1，是一種在工程科學(xué)技術(shù)中廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)物理方法，用于模擬并解決各種工程力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、生物力學(xué)等問題。其基本思想是把一個由無限個質(zhì)點和有無限個自由度構(gòu)成的連續(xù)體劃分為有限個小單元體組成的集合體，用離散化的有限單元模型代替原有物體。通過對每個單元的力學(xué)分析，獲得整個連續(xù)體的力學(xué)性質(zhì)。有限元法最早可上溯到20世紀(jì)40年代?，F(xiàn)代有限法的第一個成功的嘗試是在 1956年，turner、clough等人在分析飛機結(jié)構(gòu)時成功應(yīng)用有限元法求解。1960年，clough第一次提出了"有限元

3、法"概念，使人們認(rèn)識到它的功效。我國河海大學(xué)教授徐芝綸院士首次將有限元法引入我國，對它的應(yīng)用起了很大的推動作用。1.2有限元法運用于人體生物力學(xué)研究 1972年，brekelmans2等首次報道將有限元分析方法應(yīng)用于生物力學(xué)方面研究。80年代后，應(yīng)用范圍逐步擴展到顱面骨、頜骨、股骨、牙齒、關(guān)節(jié)、頸椎、腰椎及其附屬結(jié)構(gòu)等生物力學(xué)研究中。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展、分析工具的完善以及實踐的增多，有限元方法顯示了極大的優(yōu)越性并已逐漸成為研究人體生物力學(xué)的重要手段。人體力學(xué)行為研究基本無法采用傳統(tǒng)的力學(xué)實驗方式來進行，因而有限元建模愈來愈成為深化人體認(rèn)識的有效措施。基于有限元軟件日益完善的建模功能

4、及兼融其它計算機輔助設(shè)計（computer aided design，cad）軟件特性，真實再現(xiàn)三維人體骨骼、肌肉、血管、器官等組織成為可能，并在虛擬現(xiàn)實實驗中，通過材料賦值、幾何約束、固定載荷等過程，對擠壓、拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、三點彎、抗疲勞等力學(xué)實驗進行模擬，能求解獲得給定實驗條件下模型任意部位變形、內(nèi)部能量變化、應(yīng)力/應(yīng)變分布、極限破壞等數(shù)據(jù)3。1.3有限元法在人體生物力學(xué)研究中的建模思路 有限元建模即建立為數(shù)值計算提供原始數(shù)據(jù)的計算模型，需要通過建立幾何模型、材料賦值、網(wǎng)格劃分、施加約束與載荷，最后進行求解等步驟實現(xiàn)，是有限元法仿真試驗最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。摸型的幾何相擬性直接影響計算的結(jié)果，醫(yī)學(xué)

5、有限元模型的建立首先需要獲得人體特定部位的幾何數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以從幾何參數(shù)設(shè)定、激光掃描、標(biāo)本切片和磨片以及醫(yī)學(xué)影像圖像獲得。其中醫(yī)學(xué)影像法最為以無創(chuàng)的方式提供了高精度的人體解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)，基于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)建模是目前人體有限元建模的主要手段，可以實現(xiàn)人體解剖結(jié)構(gòu)的可視化乃至生物力學(xué)仿真的有限元模型。包括x射線、超聲、ct、mri等途徑，其中ct掃描是主流方式，ct結(jié)合mri是新亮點。通過x射線照片方式建模是指利用不同方位的多幅x射線照片獲得幾何數(shù)據(jù)重建三維模型，是一種經(jīng)濟、可行的方式。但因信息獲取不完整，建模過程復(fù)雜，對研究者經(jīng)驗要求較高，現(xiàn)行醫(yī)學(xué)有限元建模中應(yīng)用較少。還有研究者基于超聲影像技術(shù)建模

6、，如趙婷婷4等基于超聲建立了乳腺有限元模型；張桂敏5等在研究二尖瓣狹窄患者二尖瓣下游湍流剪應(yīng)力變化方面，運用超聲影像圖像建立了二維有限元模型，為心瓣流體力學(xué)研究探索新的方法學(xué)途徑。目前基于超聲的有限元分析研究多集中在機械制造、土木工程等領(lǐng)域，并多采用二維有限元法分析，還沒有注意到與醫(yī)學(xué)相關(guān)的基本超聲影像技術(shù)的三維有限元研究相關(guān)報道。這或許是因為基于超聲影像技術(shù)的力學(xué)研究本就較少，三維、四維超聲的概念提出較晚，與重點應(yīng)用在工程技術(shù)方面的有限元法結(jié)合運用更是鮮有。相較x線與超聲而言，ct/mri圖像法在醫(yī)學(xué)有限元建模中應(yīng)用更為普遍。mri技術(shù)具有很高的組織對比分辨率、解析高以及無離子化輻射等特點，

7、能清晰顯示人體結(jié)構(gòu)的組織學(xué)差異和生化變化?；趍ri圖像能獲得細(xì)致的幾何模型。但mri偏向于對肌腱、韌帶等軟組織的分辨，對骨的分辨不如ct清晰。此外，目前國內(nèi)常用的核磁共振機掃描層厚和掃描間距一般都在2mm以上，無法獲得更詳細(xì)的幾何數(shù)據(jù)，影響到重建圖像的清晰度精確性?；赾t掃描獲得幾何數(shù)據(jù)的建模的方法目前應(yīng)用最為廣泛。ct根據(jù)密度不同來確定信號的強弱，可以通過調(diào)節(jié)掃描條件，使任何復(fù)雜形態(tài)和各種密度的組織都有較高的分辨率，適用于任何復(fù)雜形態(tài)和各種密度的三維結(jié)構(gòu)。可清晰顯示骨與軟組織的邊界，通過醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)能獲得骨骼比較準(zhǔn)確的幾何數(shù)據(jù)，其不足之處在于對軟組織的分辨率相對較低，無法從醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)獲

8、得準(zhǔn)確的肌肉、韌帶、腔等組織幾何數(shù)據(jù)，須參考相關(guān)解剖資料。ct/mri數(shù)據(jù)重建的三維模型，能夠真實的再現(xiàn)被掃描對象的表面特征及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，ct的空間分辨率高于mri，ct對骨組織與軟組織邊界顯示更為清晰，而mri的對比分辨率高于ct，特別是軟組織對比明顯優(yōu)于ct。通過ct結(jié)合mri法將能融合二者優(yōu)勢，但對研究者圖像處理技術(shù)有更高的要求。通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)，目前ct提取骨組織結(jié)合mri提取軟組織方法的研究報道較少。徐志才6等基于ct影像數(shù)據(jù)構(gòu)建了包含股骨、脛骨和腓骨的實體模型，并基于mri影像數(shù)據(jù)構(gòu)建了包含股骨軟骨、脛骨軟骨、內(nèi)外側(cè)半月板和內(nèi)外側(cè)副韌帶的三維實體模型。將ct和mri影像數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)融

9、合，獲得包含骨性和非骨性結(jié)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)三維實體模型。2 有限元建模的常用軟件人體生物力學(xué)有限元模型的精確性對有限元分析結(jié)果的合理性有直接影響。三維重建技術(shù)與有限元方法及其他虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合是未來發(fā)展的方向，這有賴于這些集成強大圖像處理功能的有限元軟件的發(fā)展。常用的建模輔助軟件有：mimlcs、matlab、cad、geomagic studio等軟件。其中最常用的是mimlcs軟件，它的fea模塊可以將掃描輸入的數(shù)據(jù)進行快速處理建立3d模型，然后對表面進行網(wǎng)格劃分以應(yīng)用在有限元分析中。它還可基于掃描數(shù)據(jù)的亨氏單位對體網(wǎng)格進行材質(zhì)分配。mimics的網(wǎng)格重劃功能能方便地將不規(guī)則三角片轉(zhuǎn)化成趨近于

10、等邊的三角片，顯著提高stl模型的質(zhì)量和處理速度，對輸入數(shù)據(jù)進行最大限度的優(yōu)化，目前版本已發(fā)展到mimics17.0。現(xiàn)常用有限元軟件有：ansys、abaqus、nastran、cosmos等。其中最常用的是ansys軟件，目前版本已發(fā)展到ansys15.0。 3 手部三維有限元的運用進展手部因其解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動靈活精細(xì)、力學(xué)分析困難的周圍組織對手部力學(xué)因素有重要影響等方面原因，研究較人體其它部位明顯偏少。在工程領(lǐng)域方面，楊德偉7等基于ct掃描數(shù)據(jù)結(jié)合abaqus軟件建立了手抓握模型。幾何模型通過人手ct掃描后簡化處理得到，建立的手模型簡化為以皮膚、肌肉、神經(jīng)、血管等軟組織為整體的軟組織模

11、型和手部骨骼模型兩部分，手部復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)未曾細(xì)化。抓握功能通過參數(shù)約束、程序運動規(guī)劃控制下實現(xiàn)，而并非基于神經(jīng)肌電活動模擬，也非通過骨、肌肉施加荷載得到，本模型在工程領(lǐng)域有一定實用價值，但遠不能滿足醫(yī)學(xué)研究的需要；陳志翔8等在研究機器人虛擬手過程中，通過參考手部解剖結(jié)構(gòu)，建立手部肌肉模型，并以程序設(shè)計約束指間運動關(guān)系，通過控制肌肉收縮量來實現(xiàn)手指運動，較好的擬真了手指運動機理。但模型基于數(shù)學(xué)方程人為控制，而非通過人手實際解剖結(jié)構(gòu)獲得。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面，carrigan等9通過ct掃描，最先建立了包括韌帶、軟骨、8塊骨骼在內(nèi)的手腕關(guān)節(jié)復(fù)合模型；國外的ko等和國內(nèi)的郭欣等10都建立了腕管的三維有限

12、元模型，為進一步探討腕部結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為提供了一個可操作的平臺；anderson等11最早通過腕關(guān)節(jié)三維有限元模型模擬了創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎病理改變；bajuri mn12等通過ct掃描，參照診斷標(biāo)準(zhǔn)，建立了首例類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者腕關(guān)節(jié)三維有限元模型。國內(nèi)其它學(xué)者也以解決臨床問題為出發(fā)點，對手的部分結(jié)構(gòu)三維有限元模型的建立進行了積極的探索，如孟立民13建立了第一、二掌骨和大多角骨三維有限元模型，并模擬bennett骨折和微型外固定器外固定及克氏針內(nèi)固定治療情形，研究兩種治療方法優(yōu)劣問題；董謝平等14以中國力學(xué)可視人原始資料為依據(jù)，構(gòu)建帶軟組織的正常手腕和佩帶腕保護器手腕的三維有限元模型，驗證了腕保護器防

13、護腕部骨折的有效性；顏冰珊等15建立了正常下尺橈關(guān)節(jié)三維有限元模型研究了前臂橈骨骨折的臨床問題；張浩16等基于現(xiàn)有個人電腦平臺，建立了腕關(guān)節(jié)有限元模型，進一步證明利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件和三維重建軟件準(zhǔn)確、快捷地構(gòu)建腕關(guān)節(jié)的三維有限元模型有可行性。4 小結(jié)手部建模是虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域研究的熱點之一，在工程領(lǐng)域主要是機器人手的擬真研究，尤重抓握功能，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更多涉及腕關(guān)節(jié)這一部分結(jié)構(gòu)，囊括手部骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉、韌帶、筋膜、血管、神經(jīng)、皮膚等組織結(jié)構(gòu)較完整的手部有限元模型尚未見諸報道。手部的骨骼、關(guān)節(jié)數(shù)目較多、相互關(guān)聯(lián)較復(fù)雜，是一個復(fù)合性的機械結(jié)構(gòu)，在建模時要同時考慮到骨骼、關(guān)節(jié)面、韌帶、肌腱及其它周圍組

14、織在生物力學(xué)中的作用。目前，手部有限元建模研究較人體其它部位少，還沒有形成較完整、成熟的模型，更沒有統(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn)。如何將三維可視化手建成物理手的有限元模型是現(xiàn)階段研究難點，也是實現(xiàn)虛擬生理手模型建立的必然階段，相信隨著計算機技術(shù)的進步及多學(xué)科更好的融合，手部有限元模型研究將有更為廣闊的前景。參考文獻：1江見鯨，何放龍.有限元法及其應(yīng)用m.北京：機械工業(yè)出版社，2006：1.2brekelmans wam，rybicki ef，burdeaux bd.a new method to analyze the mechanical behavior of skeletal partsj.acta

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