摘要

三维有限元分析是借助电子计算机技术将工程力学和材料力学紧密结合在一起，是目前最常用的理论生物力学的研究方法，它是利用计算机处理三维图像的功能，模拟在不同功能位置下的骨骼，清楚的显示出复杂的骨骼形状和生物力学的特点。

手舟骨靠近腕关节的桡侧，其形状如舟，故名为舟状骨，其80%的表面积被关节软骨所覆盖，背面较长而窄，表面粗糙不平。手舟骨的桡背侧贯穿于其结节部、腰部及体部较深的血管压迹形成手舟骨的纵轴及背嵴，由于手舟骨体部的半椭圆形结构为弧形且偏向近侧，故其纵轴长度较舟骨的最大长度为小。手舟骨属于短状骨，其通过许多韧带与桡骨的远侧端、月骨、头骨以及大、小多角骨构成腕关节，因此手舟骨在腕关节中，对维护关节的稳定和力量的传导方面都起着非常重要的作用。

但具体骨折类型的受伤机制尚未得到相关生物力学实验的证实。清楚了解手舟骨骨折的创伤机制对于骨折的诊断和制定治疗方案有重要的指导作用，故有必要对手舟骨不同类型骨折的发生机制进行研究。

目的：本研究的目的在于建立一个完整的人体手舟骨三维有限元模型，利用该有限元模型，可以轻松的对手舟骨进行结构力学性能分析，从而使该模型成为一个非常良好的生物力学的分析工具。应用三维有限元技术建立精细的手舟骨模型，探讨在腕关节背伸着地这一腕关节典型的受伤机制下手舟骨生物力学分析。

方法：我们选择的实验对象是一名健康成年男性志愿者，年龄29周岁，身高175cm，体重65kg，经腕关节X线及CT检查及详细的体格检查后排除既往手舟骨及腕关节疾患及损伤。本实验所建立之数学模型，所有操作均在计算机利用相关软件上完成。利用LightSpeed Biograph 32排螺旋CT对志愿者右手腕关节进行扫描，扫描范围包括完整的右手、腕关节及尺桡骨远端，扫描电压120KV，电流125mA，层厚0.625mm，层距Omm，共扫描300层，每层断面图像以512×512像素的DICOM格式保存。并借助Mimics软件的图像导入功能将CT的薄层扫描图像以DICOM格式的图像导入到Mimics14.0软件中，(包括轴位，冠状位和矢装位以及三维图像四个视窗)应用三维有限元技术对CT图像进行重建，建立完整的手舟骨皮质骨和松质骨的有限元模型，再将模型输入AnSVs13.0有限元分析软件，对模型赋予材料的物理属性.然后在舟骨近端与桡骨相关节的关节面上，加载压力1.5mpa，方向垂直于受力面，模拟在该外力状态下的应力分布并对其收集资料进行生物力学分析。

结果：

（1）所建腕关节的正常有限元模型共包含433092个节点，258429个四面体单元。所建模型可以真实的反映腕关节结构情况。

(2）在所建舟骨模型的近端面也就是手舟骨与桡骨关节面上予以加载1.5Mpa的载荷后，同时对于其它方向进行约束，手舟骨腰部产生的剪切应力最大，为70.999Mpa。

结论：

（1）三维有限元所建正常舟骨模型外观逼真，所得数据和图像可以重复使用。

（2）应用三维有限元分析建模分析后证实腰部是舟骨骨折的好发部位，与临床上所见舟骨腰部骨折最常见相一致。

关键词：手舟骨；有限元；生物力学分析；骨折；建模

前言：

手舟骨(os scaphoideum)靠近腕关节的桡侧，其形状如舟，故名为舟状骨，其80%的表面积被关节软骨所覆盖，背面较长而窄，表面粗糙不平。其大致形态：长度约为（27土0.3）mm、宽度约为（14.5土0.3）mm、厚度约为（8.2±0.2）mm"1。手舟骨（图4）的形态非常不规则，可被划分为3个部分，分别为体部（内侧部)结节部(外侧部)及腰部。其中体部的前后径最大，呈半偏心的椭圆状，他的远侧端主要为舟、头骨的关节面，近侧端为桡、舟的关节面，且两个关节面之间极为薄弱，是手舟骨的骨质中最薄弱部分。结节部长经和宽径较为接近，由远向近逐渐增粗，形若圆锥状。腰部为体部与结节部的连接处。手舟骨的桡背侧贯穿于其结节部、腰部及体部较深的血管压迹形成手舟骨的纵轴及背嵴，由于手舟骨体部的半椭圆形结构为弧形且偏向近侧，故其纵轴长度较舟骨的最大长度为小。手舟骨属于短状骨，其通过许多韧带与桡骨的远侧端、月骨、头骨以及大、小多角骨构成腕关节，因此手舟骨在腕关节中，对维护关节的稳定和力量的传导方面都起着非常重要的作用。舟骨骨折的典型发生机制为跌倒时，手掌张开着地，导致腕关节过度伸展并轻度桡侧偏，手舟骨受压于头状骨与桡骨远端之间，形成骨折，多在体育活动及摩托车车祸中发生。在上肢骨的骨折中，手舟骨的骨折的发病率仅仅次于桡骨近端的骨折，占全身骨骼骨折总数的2%，多发生于青壮年男性人群，男女发生比例为6：13。青少年15岁以下的人群舟骨骨折非常少见，且多发生在舟骨的近侧端多为不完全性的骨折。但具体骨折类型的受伤机制尚未得到相关生物力学实验的证实、清楚了解手舟骨骨折的创伤机制对于骨折的诊断和制定治疗方案有重要的指导作用，故有必要对手舟骨不同类型骨折的发生机制进行研究。

三维有限元分析是借助电子计算机技术将工程力学和材料力学紧密结合在一起，是目前最常用的理论生物力学的研究方法，它是利用计算机处理三维图像的功能，模拟在不同功能位置下的手舟骨，清楚的显示出复杂的骨骼形状和生物力学的特点。本研究的目的在于建立一个完整的人体手舟骨三维有限元模型，利用该有限元模型，可以轻松的对手舟骨进行结构力学性能分析，从而使该模型成为一个非常良好的生物力学的分析工具。

手舟骨骨折是一般都是瞬间暴力作用下发生的，且过程不可逆转，因此用人体试验的方法很难再次重现骨折，故本研究试图建立手舟骨的三维有限元模型来模拟手舟骨受伤瞬间的应力分布情况、形变及位移变化等信息，模拟在腕关节背伸着地这一腕关节典型的受伤机制下手舟骨的应力、应变、移位方向探究手舟骨骨折的受伤力学机理，为手舟骨骨折的预防、治疗提供生物力学参考。

材料与方法

1.1实验对象：健康成年男性志愿者一名，年龄29周岁，身高175cm，体重65kg，腕关节X线及CT检查及详细的体格检查以排除既往手舟骨及腕关节疾患及损伤。

1.2.相关设备及软件：本实验所建立之数学模型，所有操作均在计算机利用相关软件上完成。

1.2.1 32 排螺旋CT(仪器型号：LightSpeed Biograph 32,美国 GE公司生产），沧州市中心医院影像科提供。

1.2.2计算机工作站：CPU采用Pentium IV、内存4G,硬盘500G显存1G。

1.2.3CT图像处理软件：Mimics14.0软件（比利时Materialise公司，试用版）

Mimics是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据（CT、MRI），建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计）、FEA(有限元分析），RP（快速成型)格式，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理。

1.2.4有限元分析软件：ANSYS12.0软件，河北医科大学解剖教研室提供并操作。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I一DEAS,AutoCAD等,其使用主要体现在三个方面，前处理一建模与网格划分，加载设置求解一后处理。

1.2.5CT图像的获取及导入由沧州市中心医院影像科帮助完成，利用LightSpeed Biograph 32排螺旋CT对志愿者右手腕关节进行扫描，扫描范围包括完整的右手、腕关节及尺桡骨远端，扫描电压120KV,电流125mA，层厚0.625mm，层距0mm，共扫描300层，每层断面图像以512X512像素的DICOM格式保存。并借助Mimics软件的图像导入功能将CT的薄层扫描图像以DICOM格式的图像导入到Mimics软件中，包括轴位，冠状位和矢装位以及三维图像四个视窗如图1-1。

1.2.6图像分割：在Mimics中，利用其图像分割功能，将需要的模型在每一个层面上选出来，形成蒙板，图示1-2、1-3在冠状位和轴位上手部各骨的分割蒙板。

1.2.7完整腕关节三维模型的建立将各蒙板通过计算生成三维模型，图示1-4、1-5生成全部手骨的模型，其中还包括桡骨和尺骨的远端。

1.2.8划分单元格在mimics14.0中，应用其FEAmesh功能对建立的腕关节模型进行平滑和网格划分，建立体网格，划分的体网格均为四节点四面体单元，在划分单元格时需注意控制网格密度，一方面保证足够的网格数目以精确模拟腕关节，同时又不可过多以避免计算量过大造成运算困难。首先生成面网格，图1-6。然后再生成体网格，图1-7。

然后对划分好的体网格区分皮质骨及松质骨，一般按照骨骼表面2mm作为皮质骨，其内部分作为松质骨，并根据文献结果4.5）对模型的各部分结构的材料特性进行设置（见表1）

1.2.9建模完成

建立的腕关节、手舟骨的几何实体模型和进行网格划分后的三维有限元模型外观逼真，几何相似性好，模型共包括433092个节点，258429个单元，从而建立了完整的正常腕关节模型如图1-8。

1.2.10Ansys网格划分：将划分好网格的模型以cdb格式导出，然后转入ANSYS12.0软件中，如图1-9。然后在ansys中重新进行网格划分，这样可以划得更细更精确，如图1-10。

1.2.11约束和加载：完全约束腕骨远侧列的远端，在X、Y、Z三个方向都约束为0，也就是固定不动，如图1-11。然后在舟骨近端与桡骨相关节的关节面上，加载压力1.5mpa，方向垂直于受力面，图1-12。

结果

在舟骨近端与桡骨相关节的关节面上，垂直受力受力后，应力结果图如下：图2-1、2-2、2-3

（1）所建腕关节的正常有限元模型共包含433092个节点，258429个四面体单元。所建模型可以真实的反映腕关节结构情况。

(2）在所建舟骨模型的近端面也就是手舟骨与桡骨关节面上予以加载1.5Mpa的载荷后，同时对于其它方向进行约束，手舟骨腰部产生的剪切应力最大，为70.999Mpa。

1-1

1-2图

1-3

1-4

1-5

1-6

1-7

1-8 1-9

1-11

1-12

2-1

2-2

2-3

讨 论

一、手舟骨的特性

手舟骨(os scaphoideum)靠近腕关节的桡侧，其形状如舟，故名为舟状骨，其80%的表面积被关节软骨所覆盖，背面较长而窄，表面粗糙不平。其大致形态：长度约为（27±0.3）mm、宽度约为（14.5土0.3）mm、厚度约为（8.2±0.2）mm（1]。手舟骨（图4）的形态非常不规则，可被划分为3个部分，分别为体部（内侧部)结节部(外侧部）及腰部。其中体部的前后径最大，呈半偏心的椭圆状，他的远侧端主要为舟、头骨的关节面，近侧端为桡、舟的关节面，且两个关节面之间极为薄弱，是手舟骨的骨质中最薄弱部分。结节部长经和宽径较为接近，由远向近逐渐增粗，形若圆锥状。腰部为体部与结节部的连接处。手舟骨的桡背侧贯穿于其结节部、腰部及体部较深的血管压迹形成手舟骨的纵轴及背嵴，由于手舟骨体部的半椭圆形结构为弧形且偏向近侧，故其纵轴长度较舟骨的最大长度为小。手舟骨属于短状骨，其通过许多韧带与桡骨的远侧端、月骨、头骨以及大、小多角骨构成腕关节，因此手舟骨在腕关节中，对维护关节的稳定和力量的传导方面都起着非常重要的作用。舟骨骨折的典型发生机制为跌倒时，手掌张开着地，导致腕关节过度伸展并轻度桡侧偏，手舟骨受压于头状骨与桡骨远端之间，形成骨折，多在体育活动及摩托车车祸中发生2]。在上肢骨的骨折中，手舟骨的骨折的发病率仅仅次于桡骨近端的骨折，占全身骨骼骨折总数的2%，多发生于青壮年男性人群，男女发生比例为6:13)。青少年15岁以下的人群舟骨骨折非常少见，且多发生在舟骨的近侧端多为不完全性的骨折。

二、有限元分析方法

三维有限元分析方法随着电子计算机技术的广泛应用在上世纪60年代逐渐发展起来的一种数学方法，具有很强大的通用性和灵活性。早在上世纪的40年代初，有限元方法的基本思路就被欧拉等人提出来，但是当时人们对它没有重视起来。一直到上世纪的50年代中期，有人才开始利用该思路对飞机的结构进行力学的矩阵分析。他的基本思想是：把整个物体的物理结构都看做一个是由有限个力学的小单元，并把这些有限的小单元有机的相互连接在一起，形成的一个集合小体，而每个力学小单元相互组合在一起就变成了一个整体的结构力学特性。在上世纪60年代，这种处理力学问题的方法被广泛应用于弹性力学的相关应力问题，“有限单元分析法”由此而来[1213。

直到上世纪70年代由Rybicki和Brekelmans引|入医学生物力学领域，之后随着电子计算机技术的飞速发展，目前国内外已经有许多大型通用的有限元分析程序可供使用，如ANSYS、ADINA、ABAQUS、SAPS、SUPERSAP等。当今，很多有限元的分析软件都已经具备了相当强大的处理程序的功能，现在通过数十年的发展人工智能技将有限元方法变成骨科生物力学重要的研究手段，通过大量的医学实践及实验数据证明(1，有限元方法能够逼真的模拟骨骼的生物力学特点，所得数据与临床及尸体标本研究相近似，成为今后数字骨科必不可少的利器（8-10]。

三、舟骨骨折

典型的骨折的发生机制为跌倒时，手掌张开着地，导致腕关节过度伸展并轻度桡侧偏，手舟骨受压于头状骨与桡骨远端之间，形成骨折，多在体育活动及摩托车车祸中发生2）。在上肢骨的骨折中，手舟骨的骨折的发病率仅仅次于桡骨近端的骨折，占全身骨骼骨折总数的2%，多发生于青壮年男性人群，男女发生比例为6:13）。青少年15岁以下的人群舟骨骨折非常少见，且多发生在舟骨的近侧端多为不完全性的骨折。手舟骨发生骨折将会使整个的腕关节的活动功能发生障碍，我们只有通过及时并且有效的诊断与积极的治疗及功能锻炼后才会达到最佳的治疗效果。

本实验中我们成功建立了腕关节有限元模型(其中包括完整的手骨、腕骨及尺桡骨远端)，并对跌倒时腕关节背伸着地这一腕关节典型的受伤机制下，手舟骨的受力分布进行了有限元分析，结果显示，本实验成功的建立了逼真的手舟骨有限元三维模型，经过ANSYS软件处理后，结果同样加载1.5MPa的情况下，手舟骨最大应力点集中在舟骨腰部，应力分布云图成红色，也就是说舟骨腰部的应力分布最大，而舟骨两端受应力大小相当，因此舟骨腰部是该结构中受力最大的部分，受到暴力时最易发生骨折。本实验研究所的结果与临床研究所见相一致问。

本研究所涉及的是模拟腕关节外伤时手掌撑地这一典型的受力机制下对手舟骨骨折的影响，是指由于间接的暴力造成的舟骨的骨折，而直接暴力所造成的骨折并不在本次实验的研究范围之内。

应当指出的是，本实验研究所建立的有限元的手舟骨模型，虽然是骨关节生物力学研究中的一种较理想的、常用的研究工具，但它也有不足之处，①限元对软组织的模拟较差，无法准确的模拟骨骼上的软组织及关节软骨在骨折发生中的作用；②有限元分方法对计算机的配置及操作人员的理论基础要求有较高7。

总之，随着电子计算机数学、电子计算机技术和当代生物力学等学科的不断发展，三维有限元分析法已经成为一个具有广泛应用效力和巩固理论基础的数学分析研究工具，它必将在会在骨关节生物力学研究领域发挥出更大作用，其本身也将得到不断完善和发展。

结论

（1）通过三维有限元法所建立的正常的腕关节及手舟骨的三维模型外观形象逼真，所得到的图像和数据可以重复使用。

（2）采用三维有限元分析法建模分析后证实腰部是舟骨骨折的好发部位，与临床上所见舟骨腰部骨折最常见相一致。