8.3.1 有限元建模

8.3.1 有限元建模

8.3.1.1 几何模型建立

对一名30岁健康男性志愿者进行足踝部CT连续断层扫描，扫描层间距0.299mm，层宽0.630mm。共得139层512×512像素的CT图像。投照电压：130k V，曝光量：44.00m A.S。将CT图像以DICOM3.0格式保存。

把139张CT图片导入MIMICS15.0软件，经过图像定位、组织切片和计算，生成三维几何模型。具体操作步骤如下（图8-11）：

1）利用Thresholding命令，调整灰度值范围，设定阂值为：皮质骨的数值226～2372和松质骨的数值84～548，区分出皮质骨和松质骨；利用“Edit Masks”命令根据不同灰度值对跟骨各组织结构进行分离，并在三个视图角度进行蒙罩编辑，通过“Draw”“Erase”“Threshold”“Cavity Fill”和“Boolean Operations”等操作，分离出皮质骨和松质骨的mask。

2）通过“Calculate3D”命令，调整三维模型的质量参数，并通过“Remesh”和“Smooth”命令优化模型表面三角面片、光顺，获得三角面片模型。保存为stl格式。

8.3.1.2 跟骨实体模型

将生成的跟骨三角面片格式的stl文件导入逆向工程软件Geomagic12.0，在其中模型经历点阶段（Point Phase）、多边形阶段（Polygon Phase）、成形阶段（Shape Phase）三个处理阶段。在点阶段，对输入的点云数据进行清理，清除由于图片处理失误造成的杂乱数据。干净点云自动形成三角面片进入多边形阶段。在多边形阶段，运用基于曲率的孔填充、光顺等操作对三角面片进行编辑，构建实体外形。成形阶段实体是模型构建的中心环节。Geomagic对曲面域基于曲率划分最后将生成的曲面转化成C1连续的非均匀有理B样条曲面（NURBS），以igs格式保存。

8.3.1.3 跟骨有限元模型

将跟骨实体模型的igs格式输入到有限元分析软件Abaqus13.4中去。在有限元软件中通过布尔运算建立包含皮质骨和松质骨的有限元，皮质骨的厚度设定为2.1mm。对跟骨有限元模型进行切割，生成SanderⅢ型跟骨关节内骨折模型。

利用Solid Works软件进行跟骨内固定材料建模。跟骨钢板依据AO解剖钢板绘制，厚度为2mm，螺钉以直径3.5mm的柱状体代替。金属螺钉可吸收螺钉由钉尾和钉体两部分组成，分为直径7.3mm的粗螺钉和直径3.5mm的细螺钉两种，螺钉的长度依据跟骨解剖形态设定。

模拟临床操作，通过布尔运算，模拟将螺钉或钢板置入跟骨内。钢板固定遵循“三点固定”原则，即跟骨结节、聚下关节和跟骰关节三点固定，同时，以一枚长松质骨螺钉固定至载距突以支撑后关节面（图8-12）。螺钉固定是采用两枚螺钉由跟骨结节向跟骰关节方向纵向固定，两枚螺钉由跟骨外侧壁向载距突方向横行固定，螺钉两端贴于跟骨皮质，钉体位于松质骨内。图8-12所示，4枚螺钉在空间上形成交叉固定，以实现最大固定效果。

对完整以及跟骨骨折用C3D4实体单元进行网格划分。完整跟骨模型生成实体单元105030个，节点20021个；钢板固定的跟骨模型，生成实体单元186176个，节点39698个；交叉螺钉固定的跟骨模型，生成实体单元146608个，节点30018个。对跟骨皮质骨和松质骨及内固定材料的属性进行设定，本研究假定跟骨和内固定材料为线性材料，且各向同性。材料属性来源于参考文献[3032]，详见表8-1。