1、背景資料：肩關節(jié)是人體所有關節(jié)中活動范圍最大、組成成分最多、運動學最為復雜的關節(jié)。廣義的肩關節(jié)是由肩胛骨、肱骨、鎖骨、胸骨、關節(jié)囊、韌帶、肌肉、肌腱等各種成分所組成的復合結構，稱為肩復合體。由于肱骨頭與關節(jié)盂的骨性包容度差，因而，軟組織的作用對于維持肩關節(jié)的穩(wěn)定性和正常力學行為具有重要的作用。目前對于肩關節(jié)的生物力學研究主要進行試驗力學測試，而這種測試由于是在離體狀態(tài)下完成的，很多在體狀態(tài)的受力工況被去除，因而無法模擬出在體時肩關節(jié)的骨

2、和軟組織的生物力學行為，故肩關節(jié)試驗生物力學研究存在著明顯不足，因此，如果能發(fā)展一種肩關節(jié)生物力學研究方法，可以精確模擬肩關節(jié)組成成分中的骨骼和軟組織材料特性，不丟失在體信息，根據(jù)實際需要，改變載荷的方向、大小和載荷的數(shù)量，分析肩關節(jié)的不同受力和應變狀況，探討骨折的受傷機制，甚至指導內固定的合理化放置，將是一種理想的力學分析方法，稱之為理論生物力學方法，該方法將會是試驗力學研究強有力的補充。本課題正是鑒于這個考慮，所做的嘗試性的研究。

3、 目的：建立一個完整的肩關節(jié)三維有限元分析模型，包括肱骨、鎖骨、肩胛骨，及可以由三維連接單元組成軟組織結構，為進一步研究肩關節(jié)的生物力學提供基礎的通用工具；作為有限元模型的對應研究，系統(tǒng)地測試人體肩關節(jié)不同的功能位置上關節(jié)盂與肱骨的應力、應變狀況，驗證肩關節(jié)有限元分析的有效性、準確性；運用所建立的肩關節(jié)三維有限元模型，分析肱骨骨折的受傷機制和力學特點。 方法：1、采用高分辨率、層厚間隔為1mm的人體肩關節(jié)斷層解剖圖作為三維

4、重建的數(shù)據(jù)源，選取自鎖骨頂端至肱骨遠端關節(jié)面共380層的肩關節(jié)斷層圖像，圖像識別軟件讀取肱骨、鎖骨、肩胛骨的邊界點，建立關鍵點的空間坐標，在CatiaV5軟件運行環(huán)境下，自下而上建立肩關節(jié)的三維幾何模型，并反復修飾，至準確為止。根據(jù)文獻報道定義肩關節(jié)各成分的材質和結構參數(shù)，將幾何模型網(wǎng)格化。將肩關節(jié)分別外展和旋轉，確定12個不同的功能位置，根據(jù)盂肱關節(jié)不同的接觸方式，使用網(wǎng)格化的有限元模型，初步分析關節(jié)盂、肱骨的應力、應變等情況，了解此

5、模型能否用來作力學分析。2、采集兩具新鮮的人體肩關節(jié)尸體標本，制作多角度肩關節(jié)外展固定架。將肩關節(jié)固定在12個與有限元分析相對應的功能位置上，分別測試關節(jié)盂、肱骨外科頸、肱骨干、肱骨髁上等截面的應力、應變，系統(tǒng)分析肩關節(jié)的力學特點，作為對有限元分析法有力對照和補充；平衡有限元方法和試驗測試方法的加載和約束邊界條件，對比兩種方法下關節(jié)盂的應力-應變關系，驗證有限元方法的準確性、有效性。3、運用被驗證的肩關節(jié)三維有限元模型，模擬肩關節(jié)不同的

6、功能位置上摔倒(間接暴力)時，肱骨的三維應力分布和骨折變形情況，探究肱骨骨折的受傷力學機制。 結果：1、本研究根據(jù)由低到高的原理較順利地建立了人體肩關節(jié)的三維有限元模型，該模型幾何重建精確、逼真，可以順利實施網(wǎng)格化，能夠被用來進行力學分析。 2、初步的有限元分析表明：在不同的載荷下，我們可以看出，在相同的載荷下，肱骨和盂肱關節(jié)面的應力出現(xiàn)可重復性的、不均勻的變化，以肱骨外科頸與外科頸相移行的骨干部應力最大，以盂肱關節(jié)面與

7、外科頸之間的區(qū)域應力最小，提示在高、低應力帶交界區(qū)內，應力一旦超過骨極限強度，即發(fā)生骨折。當30°外展時，三種不同的旋轉狀態(tài)下，骨形變區(qū)以內旋位最大，外旋時骨形變其次，中立位相對最??；內旋時時，高應力偏向于前內側，說明前內側是骨折初始斷裂的位置，骨折線走行自后外至前內。 3、肩關節(jié)的試驗力學測試結果可見：人體肩關節(jié)在不同的功能位置上，出現(xiàn)可重復性的應力、應變變化，在生理載荷的范圍內，其應力-應變關系呈線性分布；在肩關節(jié)30°～6

8、0°外展、同時發(fā)生旋轉狀態(tài)下肱骨干承受更大的應力;對于間接暴力所致的肱骨干骨折而言，肱骨干的外側是張力側，內側為壓力側；肱骨外科頸在內側應力較大，隨著外展角度的增加，肱骨外科頸的受力將逐漸減??；相同的載荷條件下，關節(jié)盂的應力、應變關系驗證了有限元模型的有效性。 4、肱骨在承受沖擊載荷下，不同的功能位置上，三維有限元分析直觀地顯示了骨折時的應力分布、位移變形、骨折的移位趨勢，并以動態(tài)的方式進行展示。 結論：肩關節(jié)三維有限元