三維膝關節幾何模型

骨頭的有限元素模型是先利用電腦斷層掃描(CT, Computer Tomography)，得到

DCM 格式之截面醫學影像，匯入視覺化影像軟體(Amira)進行影像的輪廓圈選及推 疊出三維骨頭模型(圖 3-2)。由來源端的醫學影像堆疊出之骨頭模型資料量相當龐 大，會耗費相對多的時間及資源，因此會透過模型修改軟體(Geomagic Studio 12)進 行 模 型 表 面 平 滑 化 及 減 點 處 理( 圖 3-3) ， 將 檔 案 以 僅 包 含 點 及 面 資 訊 之 STL(Stereolithography Format)格式輸出。接著匯入模型實體化軟體(Rapidform 2006) 將構成骨頭外觀之點陣圖資料集結成面並實體化(圖 3-4)，以 STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)的檔案格式輸出。最後匯入有限元素分析軟體 (ABAQUS 6.10-1)，並假設骨頭為薄殼狀的剛體，進而完成包含股骨、脛骨及腓骨 之膝關節骨頭有限元素模型(圖 3-5)。

圖 3-2、醫學影像骨頭輪廓圈選及推疊。

圖 3-3、原始模型經表面平滑化及減點處理。

圖 3-4、模型實體化。

53 

圖 3-5、膝關節有限元素模型。

 

韌帶的有限元素模型則是使用核磁共振造影的影像資料，利用視覺化影像軟 體(Amira)重建出骨頭及韌帶幾何外型，韌帶包含前、後十字韌帶及內、外側韌帶 總共四條(圖 3-6)。並將電腦斷層掃描得到之骨頭幾何模型及核磁共振造影得到之 包含骨頭及韌帶幾何模型匯入模型修改軟體(Geomagic Studio 12)中，以電腦斷層掃 描之幾何模型為基準，使得核磁共振造影得到之幾何模型與其契合，進而得到韌帶 在電腦斷層掃描模型上之附著位置與面積(圖 3-7)。並將附著位置及面積資訊匯入 有限元素分析軟體中，運用其內建製圖功能，建構出韌帶的三維模型(圖 3-8)。

圖 3-6、核磁共振造影重建之膝關節模型。

圖 3-7、韌帶在 CT 模型上之附著位置及面積。

55 

圖 3-8、由已知附著位置及面積建構韌帶有限元素模型。

在骨頭及韌帶的模型架構確定之後，要對股骨、脛骨及腓骨的模型以網格密度 5 做網格化；前、後十字韌帶以網格密度 1.5 和內、外側韌帶以網格密度 2 做網格 化，此項步驟即是將原先複雜的膝關節模型，轉化為有限數量的元素來模擬。通常 在計算複雜的幾何以及材料組成時，會採用二階元素來模擬，在本研究中，立體骨 頭模型是採用離散殼剛體元素(R3D4)模擬實際骨頭，韌帶則是採用二階六面實體 混交元素(C3D20H)模擬高複雜度且不可壓縮之材料特性，並在每個韌帶元素上定 義出纖維方向，如此也可以更加精準且真實的模擬出韌帶的運動型態、反作用力及 變形等狀況。

本研究完整膝關節有限元素模型(圖 3-9)的總元素數量平均約在 10000 左右 (表 3-1)，而因骨頭及韌帶有相互接觸的情形發生，因此韌帶的網格密度較高，可 使得分析過程更加順暢。活體自行車運動過程中的有限元素分析所需時間約為3 小 時，而前後拉測試之有限元素分析則約20 分鐘即可完成。(i5-3450 [email protected] 搭配32G 雙通道記憶體)。

表 3-1、骨頭及各韌帶元素數量。

元素數量 第一位受試者 第二位受試者 第三位受試者

股骨 1537 4941 2140

脛骨及腓骨 2443 4918 2686

前十字韌帶 617 510 506

後十字韌帶 1123 1249 1123

內側副韌帶 1269 1404 1378

外側副韌帶 696 744 744

圖 3-9、三維膝關節有限元素模型。

57 

在文檔中 正常年輕人在自行車運動中膝關節韌帶之三維有限元素分析 (頁 62-68)