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摘要背景资料：肩关节是人体所有关节中活动范围最大、组成成分最多、运动学最为复杂的关节。广义的肩关节是由肩胛骨、肱骨、锁骨、胸骨、关节囊、韧带、肌肉、肌腱等各种成分所组成的复合结构，称为肩复合体。由于肱骨头与关节盂的骨性包容度差，因而，软组织的作用对于维持肩关节的稳定性和正常力学行为具有重要的作用。目前对于肩关节的生物力学研究主要进行试验力学测试，而这种测试由于是在离体状态下完成的，很多在体状态的受力工况被去除，因而无法模拟出在体时肩关节的骨和软组织的生物力学行为，故肩关节试验生物力学研究存在着明显不足，因此，如果能发展一种肩关节生物力学研究方法，可以精确模拟肩关节组成成分中的骨骼和软组织材料特性，不丢失在体信息，根据实际需要，改变载荷的方向、大小和载荷的数量，分析肩关节的不同受力和应变状况，探讨骨折的受伤机制，甚至指导内固定的合理化放置，将是一种理想的力学分析方法，称之为理论生物力学方法，该方法将会是试验力学研究强有力的补充。本课题正是鉴于这个考虑，所做的尝试性的研究。 目的：建立一个完整的肩关节三维有限元分析模型，包括肱骨、锁骨、肩胛骨，及可以由三维连接单元组成软组织结构，为进一步研究肩关节的生物力学提供基础的通用工具；作为有限元模型的对应研究，系统地测试人体肩关节不同的功能位置上关节盂与肱骨的应力、应变状况，验证肩关节有限元分析的有效性、准确性；运用所建立的肩关节三维有限元模型，分析肱骨骨折的受伤机制和力学特点。 方法：1、采用高分辨率、层厚间隔为1mm的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源，选取自锁骨顶端至肱骨远端关节面共380层的肩关节断层图像，图像识别软件读取肱骨、锁骨、肩胛骨的边界点，建立关键点的空间坐标，在CatiaV5软件运行环境下，自下而上建立肩关节的三维几何模型，并反复修饰，至准确为止。根据文献报道定义肩关节各成分的材质和结构参数，将几何模型网格化。将肩关节分别外展和旋转，确定12个不同的功能位置，根据盂肱关节不同的接触方式，使用网格化的有限元模型，初步分析关节盂、肱骨的应力、应变等情况，了解此模型能否用来作力学分析。2、采集两具新鲜的人体肩关节尸体标本，制作多角度肩关节外展固定架。将肩关节固定在12个与有限元分析相对应的功能位置上，分别测试关节盂、肱骨外科颈、肱骨干、肱骨髁上等截面的应力、应变，系统分析肩关节的力学特点，作为对有限元分析法有力对照和补充；平衡有限元方法和试验测试方法的加载和约束边界条件，对比两种方法下关节盂的应力-应变关系，验证有限元方法的准确性、有效性。3、运用被验证的肩关节三维有限元模型，模拟肩关节不同的功能位置上摔倒(间接暴力)时，肱骨的三维应力分布和骨折变形情况，探究肱骨骨折的受伤力学机制。 结果：1、本研究根据由低到高的原理较顺利地建立了人体肩关节的三维有限元模型，该模型几何重建精确、逼真，可以顺利实施网格化，能够被用来进行力学分析。 2、初步的有限元分析表明：在不同的载荷下，我们可以看出，在相同的载荷下，肱骨和盂肱关节面的应力出现可重复性的、不均匀的变化，以肱骨外科颈与外科颈相移行的骨干部应力最大，以盂肱关节面与外科颈之间的区域应力最小，提示在高、低应力带交界区内，应力一旦超过骨极限强度，即发生骨折。当30°外展时，三种不同的旋转状态下，骨形变区以内旋位最大，外旋时骨形变其次，中立位相对最小；内旋时时，高应力偏向于前内侧，说明前内侧是骨折初始断裂的位置，骨折线走行自后外至前内。 3、肩关节的试验力学测试结果可见：人体肩关节在不同的功能位置上，出现可重复性的应力、应变变化，在生理载荷的范围内，其应力-应变关系呈线性分布；在肩关节30°～60°外展、同时发生旋转状态下肱骨干承受更大的应力;对于间接暴力所致的肱骨干骨折而言，肱骨干的外侧是张力侧，内侧为压力侧；肱骨外科颈在内侧应力较大，随着外展角度的增加，肱骨外科颈的受力将逐渐减小；相同的载荷条件下，关节盂的应力、应变关系验证了有限元模型的有效性。 4、肱骨在承受冲击载荷下，不同的功能位置上，三维有限元分析直观地显示了骨折时的应力分布、位移变形、骨折的移位趋势，并以动态的方式进行展示。 结论：肩关节三维有限元模型是研究人体肩关节生物力学较理想的理论力学工具，它可以模拟在体骨关节各种不同运动位置和受力状态，分析其三维的应力、应变关系，直观、准确地显示计算结果，任意取点，输出计算数值；三维有限元逼真地模拟了肱骨骨折过程，动态显示骨折移位趋势，是分析骨折发生机制的良好工具，此方法也可以扩展到人体其他骨关节的力学研究；三维有限元分析法是一种理论生物力学研究方法，它必须得到试验生物力学的补充和验证，才可以作为通用的模型工具被广泛使用。