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      得益于電腦技術的高速發(fā)展，目前個人電腦已可在Windows操作系統下完成骨骼三維重建，并進行有限元分析。進行骨骼有限元分析的重要條件之一是確定骨骼內不同部位的材料屬性，既往的骨骼有限元研究多認為構成骨骼的材料呈均勻分布，將骨骼簡單區(qū)分成密質骨和松質骨，分別賦予彈性模量和泊松比等材料屬性后進行有限元分析。由于骨骼是由多種材料構成的復合體，這些材料各具不同力學特性，呈異質性分布，并具有明顯個體差異，因而作者認為，簡單地將骨骼區(qū)分成密質骨和松質骨兩種成分進行有限元分析，其結果與真實相異。亦有學者將股骨材料屬性分為10種，據此進行有限元分析。如何合理賦骨骼材料屬性進行有限元分析，迄今仍無相關報道。作者利用醫(yī)學三維重建軟件Mimics根據灰度值確定材料屬性的功能，對12側新鮮股骨上段標本進行三維重建后賦予2種(密質骨及松質骨)及10, 20, 50, 100, 200, 400種材料屬性，進行有限元分析，旨在探討合理的賦材料屬性數量，以期為相關骨骼三維重建研究提供參考。根據灰度值進行計算表觀密度和彈性模量研究表明，骨骼表觀密度p與C具有近似的線性關系，骨骼材料特性與骨骼表觀密度存在冪指數關系的經驗公式，骨骼是一種各向異性的生物材料，但其各向異性彈性常數太多，故一般簡化為正交各向異性，同時由于骨骼各向異性較弱，故尚可進一步簡化為各向同性。  
      據此，Mimics根據骨骼不同區(qū)域的灰度值以及經驗公式可以計算出對應區(qū)域的密度，并在此基礎上賦予彈性模量及泊松比等力學材料屬性，很好地解決了為模型分配材料屬性的問題，可以進行Ansys求解。綜合上述，將骨骼從無限分解成為有限的單元進行力學求解，體現出有限元分析的本質特征。
      單元劃分數目、賦材料屬性數量有限元分析的精確度也與單元網格的劃分密切相關，單元的個數越多，網格越密，模型網格質量也越高，所得結果也越接近真實;同理，賦予骨骼材料屬性數量越多，其分布就越接近真實骨骼。但無限制地細分單元和材料屬性，使運算量以及數據統計量增多，徒然耗費時間及人力，因而合理地劃分材料屬性數量以減少運算量、縮短運算時間是進行有限元分析的重要前提。Mimics最大能將材料等分成400種，探討合理的賦材料屬性數量為本試驗主要目的。
      試驗結果分析本試驗所有標本均成功進行了三維重建、體網格劃分、賦材料屬性以及有限元力學分析。力學數值的統計學處理結果顯示：①標本1，5，6，7，9，10的對照組與各試驗組比較P < 0.05，標本2，3，4，8，11，12的對照組與試驗組比較P>0.05。傳統方法把骨骼簡化成密質骨及松質骨，并認為二者內部材料分布以及力學屬性是均一的，與真實情況相去甚遠，事實上密質骨、松質骨也是由不同生物材料構成的復合體，這些材料各具不同的灰度值、表觀密度值及力學屬性，賦予三維模型材料屬性越多，與真實情況就越接近。在賦材料屬性方而，將骨骼等分成不同數量級的方法優(yōu)于傳統。本試驗對照組和各試驗組結果有異同之處，并非完全否定賦材料屬性方法，可以把骨骼材料看成是密質骨和松質骨兩種材料進行有限元分析以簡化計算及統計量。應該看到，傳統方法難以滿足個性化的骨骼有限元分析的要求，骨骼的密度在不同個體可以有較大差異，傳統方法對此差異無能為力，而將骨骼等分成不同數量級，根據灰度值進行賦材料屬性則較好地解決了這個問題。②試驗組組別之間比較各P>0.89，賦予骨骼10種材料屬性即可滿足有限元分析的需求，而無需更細分以至加大運算量及數據統計量。

                                                                                  專業(yè)從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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