摘 要：目的建立健康成年人膝关节三维有限元模型并进行验证， 在此基础上建立模拟后交叉韧带单束重建术的股骨、胫骨隧道和移植物模型，为进一步分析奠定基础。 方法以 MRI 作为数据源，运用医学制图软件 Mimics，逆向工程软件 Geomagic studio、Solidworks 及有限元分析软件 Abaqus，参考大量有关实验的文献报道，建立所需三维有限元模型。验证模型：模拟膝关节在屈曲 0°情况下，对股骨施加后向 134 N 集中力，得出胫骨股骨相对位移及主要韧带受力分布与已报道文献进行比较；模拟膝关节屈曲 0°情况下，加载垂直方向 395 N 集中力（单腿站立时下肢受力），得出软骨及半月板von Mises 应力并与已报道文献进行比较。结果 建立的膝关节三维有限元模型包括股骨下段、胫腓骨上段、髌骨、股骨软骨、胫骨软骨、髌骨软骨、髌韧带、内外侧半月板、前后交叉韧带、内外侧副韧带，几何形状良好。模型验证：股骨相对胫骨前后、远近及内外方向上位移分别为 4.52 mm、0.35 mm 和 1.12 mm，此时韧带应力主要分布在前交叉韧带股骨附着处和体部且股骨附着处最大，与类似实验报道结果一致，且与临床结论前交叉韧带主要限制胫骨前移、在股骨附着处易发生断裂一致；半月板承担主要应力且内侧大于外侧，主要分布在内缘，最大应力值为 1.65 MPa，其次胫骨软骨最大应力为1.05 MPa，股骨软骨应力最小，主要受力部位在内侧，为 0.78 MPa；与已报道文献及尸体解剖力学实验结果一致，验证了该模型的有效性，在此基础上模拟建立后交叉韧带单束解剖重建股骨、胫骨隧道和移植物模型，基本可以满足有限元分析的需要。 结论采用 MRI 图像建立膝关节三维有限元模型切实可靠，能很好地模拟膝关节解剖结构及后交叉韧带重建术中的股骨、胫骨隧道并满足生物力学的研究。关键词：膝关节；三维有限元模型；后交叉韧带；重建术膝关节是人体最大、最复杂的关节，是由骨骼和软组织组成的复杂结构，这些结构共同工作使膝关节能够在三个平面运动，其中韧带做为静态稳定器在整个运动过程中为维持膝关节稳定性发挥着重要而复杂的作用。后交叉韧带 （posterior cruciate ligament，PCL）是膝关节最强、最大的韧带，对限制胫骨相对股骨后移起到重要作用，并作为抵抗膝内外翻和内外旋的第二约束力[1]。损伤后常常导致膝关节稳定性降低，并可能继发半月板、软骨损害和骨性关节炎，严重时可引起膝关节病变[2]。传统的离体标本实验方法对 PCL 的解剖和生物力学做出了许多研究，但仍有很多局限性，如某些实验条件无法精确控制、 实验成本和标本资源有限等。有限元分析方法具有其独特的优势，有效地弥补了离体实验的不足。笔者基于 MRI 图像建立了包括胫腓骨近端、股骨远端、髌骨、内外侧半月板、关节软骨、髌韧带、前后交叉韧带及内外侧副韧带在内的膝关节有限元模型， 并模拟建立了 PCL 单束解剖重建所用的股骨、胫骨隧道及移植物模型，为 PCL 重建术的生物力学研究提供了模型基础。1材料与方法1.1实验材料1.1.1图像采集选择 1 例中国健康男性志愿者，年龄 35 岁，身高175 cm，体质量 65 kg。既往无膝部外伤手术史，无阳性临床体征。先行 X 射线检查膝关节以排除损伤、退行性变等病理变化。然后用 MRI 对膝关节进行扫描，扫描序列为 T2-trufi3d-we-cor，膝关节取伸直中立位，扫描范围为髌上 5 cm 至膝关节线下 10 cm，得到层厚1.5 mm 连续矢状断面图像，共计 160 幅；并将其保存为医学数字成像与通信 （digital imaging and communications in medicine，DICOM）格式，刻录至硬盘保存（图像采集在皖南医学院弋矶山医院影像科完成）。1.1.2主要设备与软件德国西门子 Avanto 1.5 T 超导 MRI、高性能计算机。医学影像处理软件 Mimics 21.0（Materialise，比利时）。逆向工程软件 Geomagic Studio 2012（Geomagic，美国）。三维（three-dimension，3D）计算机辅助设计（computer aided design，CAD） 产 品 设 计 工 程 软 件Solidworks、3D 有 限 元 处 理 软 件 Abaqus 6.14 （Dassault，法国）。1.2方法1.2.1膝关节三维模型的建立将 DICOM 格式的二维 MRI 扫描图像影像数据输入医学影像处理软件 Mimics 21.0， 自动分割出冠状面和水平面， 根据 MRI 图像灰度逐层手动提取出膝关节各结构（胫骨、股骨、腓骨、髌骨、髌韧带、内外侧副韧带、前后交叉韧带、内外侧半月板及关节软骨）的轮廓 （由影像科医师确认选取结构）， 并使用 3Dtool 对各部件分别进行光滑等处理， 后以立体光刻（stereo lithography，STL）格式输出。见图 1。1.2.2膝关节有限元模型的建立及验证将从 Mimics 里生成的 STL 文件导入逆向工程软件 Geomagic studio 中， 分别对各部件某些杂点数据进行处理，封装后对粗糙表面进行处理，得到满意表面后精确曲面处理， 拟合生成为非均匀有理 B 样条（non-uniform rational B-splines，NURBS） 曲面模型，转 换 为 CAD 模 型 ， 并 以 产 品 模 型 数 据 交 互 规 范（standard for the exchange of product model data，STEP）格式保存。 在有限元处理软件 Abaqus 中导入各 part，并对各实体结构以二阶四面体单元（C3D10）进行网格划分，Verify 网格质量合格， 处理后模型见图 2。材料属性的设置。材料属性影响后续的求解过程和分析结果的可信性。根据前人相关研究[3 ~ 7]，该模型中将软骨、半月板、韧带均视为各向同性线弹性材料。由于骨骼相对于软组织具有更高的硬度，因此被设定为刚体。模型各部分材料属性及网格节点单元数见表 1。接触的定义。模型所有韧带止点设置为绑定，内外侧半月板前后角与胫骨平台绑定， 内侧半月板外侧缘与内侧副韧带绑定以模拟内侧半月板在胫骨平台的固定，髌骨上端以 80 根线性弹簧连接于股骨上端模拟股四头肌。接触区的设置根据加载条件定义了以下接触区：股骨软骨与半月板上表面内外各 1处，内外侧胫骨软骨与内外侧半月板各 1 处，前交叉韧带与胫骨和股骨间各 1 处， 接触属性为非线性无摩擦，有限滑移。设置边界条件。首先，要建立系统坐标系定义股骨及胫腓骨六个方向上的自由度，分别以股骨内外髁连线中点[8]和胫骨平台中点为原点建立各自运动坐标系，X、Y、Z 三个轴向的旋转和平移就定义了屈曲、内外旋和内外翻运动及沿内外、前后和上下的平移。设置加载条件。为方便进行比较验证，采用了大多数研究者采用的加载条件对模型进行验证：胫腓骨固定， 股骨在六个方向上自由， 对股骨施加后向134 N 集中力，测量出股骨相对胫骨在前后（anteriorposterior，AP）、近远（proximal-distal，PD）和内外（medial-lateral，ML）三个方向上的位移；胫腓骨固定，股骨在六个方向上自由， 对股骨施加垂直压力 395 N，模拟单腿站立时承受压力[9]，测定软骨及半月板应力大小及分布。1.2.3与已有文献结果比较采用与已有文献中使用较多的相同的加载条件进行加载，对比相同测量指标值。1.2.4后交叉韧带重建模型的建立假定移植物在每个隧道长度的中点处与骨骼刚性固定。移植物和隧道之间的接触被认为是无摩擦的。所用的胫骨、股骨隧道以直径为 8 mm 的贯穿圆柱分别与股骨、胫骨实体模型的布尔运算获得。股骨隧道定位[10]：股骨隧道内口位髁间窝内侧 11 点（左膝），距股骨髁间线软骨面约 1.2 cm、距远点关节软骨面约 0.8 cm 处， 移植物在骨隧道内方向与股骨髁间窝侧壁呈 100°。胫骨隧道定位[11]：胫骨隧道内口在两侧髁间嵴中线略偏外侧， 胫骨平台后缘下 1.0 ～ 1.5 cm处，垂直于“斜坡”，外口于胫骨结节外侧。 移植物模型为在 Solidworks 中建立 3D 草图扫描而成。2结果2.1膝关节三维模型建立结果与验证结果建立成包含骨、关节软骨、半月板及主要韧带的膝关节 3D 有限元模型，模型几何形状良好，基本还原真实解剖结构。2.1.1对股骨施加后向力后股骨位移云图股骨相对位移在 AP、PD 和 ML 三个方向上的位移分别为 4.50 mm、0.35 mm 和 1.12 mm。 位移云图见图 3。 前交叉韧带承受主要应力，最大应力位于股骨附着处，约为 21.4 MPa。2.1.2对股骨施加垂直向下力后软骨及半月板 Mises应力云图胫腓骨下端固定，股骨在六个方向上自由，对股骨施加垂直向下压力后，其中半月板承担主要应力且内侧大于外侧，最大应力值为 1.65 MPa，分布在内侧半月板前中部；其次为胫骨软骨，胫骨软骨最大应力位于内侧前份为 1.05 MPa， 股骨软骨应力最小主要受力部位在内侧，为 0.77 MPa。 应力云图见图 4。2.2与已有研究结果比较采用与许多研究者相同的载荷，笔者模型得到了相似结果，验证了笔者建立的膝关节有限元模型的有效性。 其中，Song Y 等[12]和 Gabriel MT 等[13]是使用位移测量机械系统手动对尸体膝关节标本进行了位移测量， 在 AP、PD 和 ML 三个方向上的位移分别为4.30 mm、 0.62 mm、0.39 mm 和 4.00 mm、0.30 mm、0.60 mm。 在 Yagi M、Wong EK 等[14]和 Suggs J 等[15]进行的离体实验研究中，相同载荷下膝关节在 AP 方向的位移分别为 3.50 mm、4.16 mm。 张秋月等[16]在股骨上端施加 403 N 集中压力得到半月板最大接触应力为2.102 MPa，位于内侧半月板内缘处，胫骨软骨最大接触 应 力 为 1.318 MPa， 股 骨 软 骨 最 大 接 触 应 力 为0.952 MPa，位于股骨软骨内侧。 刘大健[17]在股骨上端施加 600 N 集中压力， 得到内侧半月板的最大 Mises 应力值为 3.65 MPa， 内侧胫骨软骨最大 Mises 应力值为1.31 MPa，股骨软骨的内侧最大 Mises 应力值为 1.42 MPa。2.3后交叉韧带重建模型结果PCL 重建模型中，骨隧道定位准确，基本符合重建术中真实情况；PCL 移植物模型形态良好， 表面光滑，且长度、直径均与 PCL 重建术中使用移植物较为符合。 见图 5。3讨论3.1建立完整膝关节有限元模型的意义PCL 损伤后膝关节后向不稳，常导致髌股关节高压、膝前疼痛、 髌股关节创伤性关节炎等症状。 PCL重建术是治疗 PCLⅢ度及Ⅲ度合并多韧带半月板复合损伤的主要手段， 但由于离体标本实验存在的诸多局限性，研究会出现很多困难和限制。 有限元分析法是一种重要的力学计算方法，笔者所建膝关节模型包含了膝关节周围主要韧带和 PCL 单束重建所用的股骨、胫骨隧道，为进行 PCL 重建的生物力学研究提供了很有价值的工具。 笔者通过膝关节 MRI 图像，充分利用了 MRI 对软组织成像的优点， 很大程度上还原了膝关节真实解剖结构， 并通过有限元分析验证了模型，重建的几何体逼真、客观，能真实反映出膝关节的几何结构和生物力学属性，为分析韧带力学特性及韧带损伤后重建提供了模型基础和新的实验思路，该技术在骨关节损伤和运动医学的研究和治疗中有广泛的应用前景。3.2膝关节有限元模型建模方法有限元分析是一门边缘学科， 它涉及了应用数学、计算机科学和现代力学并在发展中与医学研究相结合，成为了一种较新的生物力学研究手段，逐渐被应用到医学领域，在解决结构、材料性质和载荷情况等比较复杂的问题发挥了很大优势。 其基本原理就是先将关注区域分成若干个单元甚至节点，再将这些离散节点按照实物的形状、性质有机结合形成单元综合体。 这种方法相对简单，而且可以拆分或者替换已达到模拟实体的不同状态。 通过累积计算每个单元的函数关系，以达到获取整个单元体的平衡关节或者能量关系的变化，这种化整为零、合零为整的方法就是有限元分析的基本思路。 在有限元研究中，构建精确的 3D 几何模型是获得真实结果的基础，笔者通过分别建立各结构蒙版，由点及面，最终构建出各部分实体模型，再对各部分实体模型进行网格划分，最终完成有限元模型的建立。 此种方法为间接建模法又可称为自动网格建立法，所得模型更接近目标组织原型，并引入逆向工程理念，使用 NURBS 曲面，所得模型表面光滑，建立的模型精确度较高，利用 Mimics 软件实现模拟手术操作，便于模拟各种病理生理状态和手术方法。3.3胫骨、股骨隧道及移植物的模拟目前 PCL 损伤主要治疗方法为 PCL 重建术，但是移植物在隧道附近易形成锐角， 即所谓 “killerturn”，这一角度导致移植物变薄、磨损、延长甚至失败，因此胫骨、股骨隧道的正确合适的定位是 PCL 重建术的关键。 笔者根据关节镜下 PCL 单束重建术的术中情况，模拟建立了胫骨、股骨隧道和移植物模型，这一模型的建立为 PCL 重建术的生物力学及移植物位置的优选的研究奠定了基础。笔者研究主要存在以下不足： 研究仅考虑膝关节主要韧带，并未包括关节囊及周围肌肉组织；关节软骨及半月板的材料参数均设置为各向同性线弹性， 与生物组织的各向异性黏弹性不符； 骨组织未区分骨松质、骨皮质，其材料特性和生物力学性质不同使其在对载荷的反应有所不同。 虽然笔者研究有较多局限性，但模型均遵循实际解剖结构手动编辑，建立的模型精确度较高，且通过两种方式对模型进行了验证，基本可以满足对 PCL 及其重建的生物力学研究。 总之，笔者研究所建立的模型逼真客观地反映了膝关节、胫骨、股骨隧道及移植物的真实几何结构，为 PCL 重建术的生物力学研究提供了模型基础和新的思路。参考文献：略章仅作为学术交流，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删除！【针对骨学、关节外科、普外科、囗腔科等提供医学力学有限元分析仿真、培训、临床手术模拟分析等；代做有限 元：脊椎、腰椎、颈椎、上下肢、假肢、前臂、血管支架、牙齿、骨关节等；服务对象：各省市、自治区从事运动生物力学、生物医学工程、基础医学、临床医学、囗腔力学、骨骼力学的教学、研究与应用】CAE医学有限元科研项目承包、课程一对一培训辅导(Mimics、Geomagic、Solidworks、Workbench等软件)资深有限元工程师为学员定制私人授课方案目我们服务过的客户:（部分）中山大学附属第一/第二/第三医院、广东省人民医院、南部战区总医院、中山大学光华口腔医学院附属口腔医院、海南省人民医院、华南理工大学、广州中医药大学、暨南大学、南方医科大学、中山大学等贵院校。若有需医学有限元上的合作及培训，期待与您的合作!具体可以进一步咨询（咨询项目代做或课程培训可主页私信小编）

1.CFD软件
(1)绿色建筑设计对CFD软件的要求
节能减排是我国一项基本国策,建筑用能在能耗占有重要地位,绿色建筑涉及的技术范围更广,要求更高,所以,从中央政府到地方到各级政府都在积极推广绿色建筑。全面推进建筑节能与推广绿色建筑已成为国家发展战略,一系列国家层面的重大决策和行动正在快速展开。建设部为贯彻执行节约资源和保护环境的国家技术经济政策,推进可持续发展,规范绿色建筑的评价,制定了《绿色建筑评价标准》。绿色建筑色合计对CFD软件计算分析提出了一定要求。
CFD软件应用与BIM前期,可以有效地优化建筑布局,对建筑运行能耗的降低,室内通风状况的改善均有较大帮助。
(2)常用CFD软件的评估
Fluent软件是目前市场上最流行的CFD软件,它在美国的市场占有率达到60%。在进行网上调查中发现, Fluent在中国也是得到最广泛使用的CFD软件。其前处理软件主要有 Gambit与CM,ICEM直接几何接口括 Catia、 CADDS5、 ICEM Surf,/DN、Ideas、 Solid Works, Solid Edgepro ENGINEER and Unigraphics.较为简单的建筑模型可以直接导,当建筑模型较为复杂时,则需遵循从点一线一面的顺序建立建筑模型。
使用商用CFD软件的工作中,大约有80%的时间是花费在网格划分上的,可以说网格划分能力的高低是决定工作效率的主要因素之一 Fluent软件采用非结构网格与适应性网格相结合的方式进行网格划分。与结构化网格和分块结构网格相比,非结构网格划分便于处理复杂外形的网格划分,而适应性网格则便于计算流场参数变化剧烈、梯度很大的流动,同时这种划分方式也便于网格的细化或粗划,使得网格划分更加灵活、简便Fluet划分网格的途径有两种:种是用 Fluent提供的专用网格软件 Gambit进行网格划分,另一种则是由其他的CAD软件完成造型工作,在导入 Gambit中生成网格。还可以用其他网格生成软件生成与 Fluent兼容的网格用于 Fluent计算。可以用于造型工作的CAD软件包括I-DEAS、 Solid Works、 Solid Edge、Po/e等。除了 Gambit外,可以生成Fluent网格的网格软件还有 ICEMCED、 GridGen等 Fluent可以划分二维的三角形和四边形网格,三维的四面体网格,六面体网格、金字塔型网格、楔形网格一级由上述网格类型构成的混合型网格。
(3)BIM模型与CFD软件的对接
从绿色建筑设计要求来看,热岛计算要求建立出整个建筑小区的道路、建筑外轮廓、水体、绿地等模型;室内自然通风计算及室外风场计算需建立出建筑的外轮廓及室内布局,从BIM应用系统中直接导出软件可接受格式的模型文件比较好的选择。
综合各类软件,选用 Phoenics作为与BIM应用配合完成绿色建筑设计的CFD软件,可以直接导入建筑模型,大大减少建筑模型建立的工作量,故本书建议选用 Phoenics与BIM进行配合设计。
2.BIM模型与CFD计算分析的配合
(1)BIM模型配合CFD计算热岛强度
由协同设计平台到处建筑、河流、道理、绿地的模型文件,模型文件的导出可采取两种路径:直接导出3DS格式的模型文件;导出CAD格式的文件,再在CAD文件中建立三维模型,导出STL格式的模型文件。
(2)BIM模型配合CFD计算室外风速
由协同设计平台导出建筑外表面的模型文件,模型件的导出可采取两种路径:直接技术在设计阶段的应用导出3DS格式的模型文件;导出CAD格式的文件,再在CAD文件中建立三维模型,导出STL格式的模型文件。
由BIM应用系统导出模型时,可只包含建筑外表面及周围地形信息,且导出的建筑模型应封闭好,以免CFD软件导模型时发生错误。
(3)BIM模型配合CFD计算室内通风
可分为两种方法计算:一是导出整栋建筑外墙及内墙信息,整栋建筑同时参与室内及室外的风场计算;而是按照室外风速场计算的例子,计算出建筑物表面风压,单独进行某层楼的室内通风计算。
由协同设计平台导出建筑外表面的模型文件，模型文件的导出可采取两种路径：直接导出3DS格式的模型文件;导出CAD格式的文件，再在CAD文件中建立三维模型,导出STL格式的模型文件。
（摘自《BIM应用与项目管理》本平台整理）
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导入Fluent的三维模型通常需要使用CAD软件进行建模，并按照一定的流程进行准备工作。下面是一种简化的基本流程：1. 选择CAD软件：使用类似于SolidWorks、AutoCAD、CATIA等CAD软件进行三维模型建模。这些软件提供了丰富的建模工具和功能，可以用来创建复杂的几何形状。2. 进行模型建模：使用CAD软件进行模型建模，按照要求设定模型的几何形状、尺寸以及其他相关特性。可以通过绘制基本图形、拉伸、旋转、镜像等操作来创建所需的模型。3. 网格划分：在建模完成后，需要将模型划分成网格，也称为网格生成。这一步是为了将连续的几何形状转化为离散的网格，以便在数值模拟中进行计算。4. 模拟预处理：在Fluent中导入模型之前，需要进行模拟前的预处理操作。这包括定义模拟的边界条件、物理性质、求解器选项等。通过这些设置，可以准确描述模拟问题的物理和数学特性。5. 模型导入Fluent：在Fluent中，可以使用导入功能将模型导入到软件中。根据Fluent的文件格式要求，将CAD软件导出的模型文件导入到Fluent中。6. 模型验证和优化：在导入Fluent后，可以进行模型的验证和优化。这包括检查网格质量、边界条件设置是否正确，确保模型与实际问题相一致。7. 模拟运行：完成上述步骤后，可以开始模拟运行。根据需要设置模拟参数，然后运行模拟并监控结果。