基于ABAQUS：前十字韧带重建三维数值分析深度解析

前十字韧带(anterior cruciate ligament,ACL)是膝关节的四条主要韧带之一，其功能是与膝关节内部及周围的其他解剖结构共同维持膝关节的静态和动态平衡。


记得去年六月，NBA总决赛第六场，勇士主场110-114不敌猛龙，大比分2-4落败，当家球星克莱-汤普森在比赛中左膝韧带受伤。赛后，体检结果表明汤神遭遇左膝十字韧带（ACL）撕裂。

克莱-汤普森落地时大腿向内转，小腿向外转，呈现膝盖外翻的角度，重心会偏向内侧，造成了前十字韧带的撕裂。

和其他韧带不同，前十字韧带一旦断了，是不会自己修复的。对于汤神这样的大牌球星，重建手术的效果关系着竞技状态的恢复和运动生命的延续。

如今，FEA（finite element analysis有限元分析）技术被广泛的应用于生物医学，为这个领域带来了全新的机遇。我们可以利用ABAQUS三维数值仿真技术结合医学影像和实验数据帮助医生加深对ACL重建机制的认识，从而制定最佳的治疗和恢复方案。

几何重构与建立有限元模型：在生物医学领域，可以通过切片磨片法、CT扫描法、3D激光扫描法等获得人体组织结构的几何信息。需要注意的是，对于ACL这样具有复杂几何特征的结构，通过扫描获取的往往仅是研究对象的表面信息，而有限元分析需要提供3D实体模型，这就需要我们引进RE（Reverse Engineering逆向工程）技术（如CATIA中逆向建模模块）或医学影像软件（如Mimisc）与ABAQUS一起来完成有限元模型的创建。

分析参数获取：医学实验可以帮助我们获取有效的仿真分析输入参数，如图：

▲ 骨质压缩实验

▲ 肌腱拉伸实验曲线

ACL重建应用实例：界面螺钉植入仿真及固定强度评估

建模要点：
· 建立胫骨模型；
· 孔：直径9毫米，深30毫米；螺钉：直径10毫米，长度30毫米；
· 采用C3D4单元，由Abaqus创建接触属性和接触对；
· 载荷：螺钉作用力为200 N；

· 推进：1.5 mm/s，旋转1.0圈/s；

仿真结果：

Abaqus模拟了在植入过程中孔的扩张及孔内材料失效过程，同时，通过后处理，得到了韧带、骨骼的应力和变形，输出了组织结构的响应曲线，较好的反映了真实情况。

此外，我们还可以进行固定强度的评估， 将仿真计算结果与单周期拉出测试实验结果进行对比，实验和仿真也有着较高的一致性。

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