假肢接受腔设计及界面应力的有限元分析

文题释义： Mimics 10.0软件：作为专业的三维图像处理软件,能将CT图像转化为残肢的三维模型,计算机生成的三维模型与患者的实际尺寸基本无差别。 有限元分析：是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟的方法。 背景：残肢-接受腔界面生物力学特性不仅对假肢的适配性有着直接影响,而且也是对接受腔结构进行优化设计的基础。将数字化设计技术与康复工程结合在一起,将有效地提髙假肢接受腔的制作效率和质量。 目的：采用逆正向结合的建模方法,对小腿截肢患者进行定制式的接受腔模型设计,评估残肢与接受腔的界面应力,对接受腔进行迭代设计,优化后的模型采用3D打印制作,以改善传统手工制作接受腔方法。 方法：选择2例内蒙古自治区荣誉军人肢残康复中心的小腿截肢志愿者,根据患者残肢的CT扫描图像,采用Mimics进行图像处理,然后经过Geomagic和UG逆向得到残肢的几何模型。通过使用计算机辅助设计软件Fusion360,根据残肢各个部位的组织结构不同的承受能力作为修型原理对接受腔进行正向建模设计。选用Mooney-Revlin超弹性模型定义软组织的材料特性,对残肢-接受腔界面应力进行有限元分析,并根据结果反馈指导对接受腔进行迭代设计,对再次修型后的接受腔模型进行评估。3D打印制作出接受腔,并进行实验测量。 结果与结论：①对迭代设计后的接受腔与残肢界面的应力进行分析,得到残肢各区域的应力值均低于疼痛阈值,符合设计标准,能较好实现功能传递性和安全舒适性;②此2例患者穿戴3D打印制作的接受腔适配性、稳定性良好,步行对称性相比手工制作接受腔均有显著改善,满足残肢生物力学要求;③试验建立了完整的假肢接受腔的设计、评估及制造系统。 ORCID: 0000-0002-8570-9689(王晓辉) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

小腿假肢接受腔的三维有限元分析

通过建立三维非线性有限元模型来分析小腿假肢接受腔与残肢之间的载荷分布。此模型基于残肢,骨头,软套和接受腔的三维几何形状,考虑界面摩擦滑动条件和软组织的大变形等非线性因素。模型可以预测不同外载下残肢和接受腔之间的压力,剪切力和相对滑动情况。并分析了不同的接受腔形状对载荷分布的影响。     

惯性载荷对截肢患者残肢/接受腔界面应力的影响研究

接受腔/残肢界面压力分布特征是假肢优化设计的基础,传统的有限元模型只限于静态分析,不符合实际情况。本文以小腿截肢患者为研究对象,建立了三维非线性有限元模型,给出了一个步态周期内残肢界面压力的变化规律,并对惯性载荷的影响进行了定量比较。结果表明:界面压力主要分布在髌韧带、胫骨内外侧和窝区,一个平地正常速度行走的步态周期内,站立相压力变化呈双峰蝶形,惯性载荷引起的平均压力幅值变化为8.4%;而在摆动相压力幅值变化高达20.1%,并且变化规律相反。行走过程中惯性载荷的影响不能忽略。     

大腿假肢支撑期有限元分析

目的分析大腿截肢患者的硅胶套材料属性,对支撑期残肢与接受腔之间接触面的力学分布的影响,为大腿假肢适配方案中硅胶套的选取提供参考。方法利用计算机断层扫描技术获取大腿截肢患者残端与接受腔的断层图像,通过影像学信息和工程学方法,分别获取接受腔、硅胶套、残肢、骨骼等结构的三维模型;根据角度变化调整模型,获得初始接触期、负荷反应期、站立中期、站立末期、摆动前期5个时相的组装模型;根据三维动作捕捉系统Motion和Kistler三维测力平台测得的地面反作用力及髋关节角度变化的结果,对5个时相下大腿假肢模型分别进行有限元非线性接触分析;在此基础上,模拟分析了硅胶套不同弹性模量的变化对残肢表面等效应力以及剪切应力分布的影响。结果穿戴不同弹性模量的硅胶套时,残肢所受最大等效应力以及最大剪切应力在初始接触期、负荷反应期、站立中期、站立末期时相时出现在残肢内侧和接受腔口型边缘对应的残肢位置,在摆动前期时相时则出现在残肢内侧、接受腔口型边缘对应的残肢位置和坐骨周围等位置。当硅胶套弹性模量在0.98~2.70 MPa范围内变化时,在摆动前期残肢所受等效应力变化范围为13.85~23.55 k Pa,最大剪切应力变化范围为7.82~13.46 k Pa,而其他时相基本一致。结论硅胶套的力学特性影响大腿假肢残肢与接受腔之间接触面的受力分布,摆动前期残肢所受最大等效应力与最大剪切应力随硅胶套弹性模量变化大,在实际适配过程中需注意。     

预应力下大腿残肢站立中期时相的有限元分析

目的研究大腿截肢患者在行走过程中站立中期时相下残肢的受力情况,为建立完整的大腿接受腔测量与评估系统提供基础。方法首先根据计算机断层扫描图像三维重建大腿截肢患者的骨骼、肌肉软组织和接受腔的三维模型,考虑步行中关节角度变化进行组装。然后,建立模拟步态周期中站立中期时相受力的有限元模型,对模型进行预应力影响下非线性大变形有限元分析。结果当考虑了步行中关节角度变化和预应力的影响以后,计算所得的接触法向界面压力值最大值均位于残肢的末端部位,为257.66 kPa,与实际测量患者步行中站立中期时相下最大应力258.90 kPa符合较好。结论考虑关节角度变化、预应力和摩擦的三维模型能够更为有效地模拟患者在步行中的受力情况。     

基于机器视觉的残肢表面形状测量

传统的假肢阳模制造过程完全以手工操作为基础，不能满足需要。本文把微型计算机作为平台，利用计算机视觉对截肢者残肢的表面形状进行测量。初步测量结果表明这种方法具有不接触、速度快、精度较高、全自动的特点。从而为假肢接受腔的进一步计算机辅助设计和制造打下基础     

小腿残肢与接受腔的非线性有限元分析

目的研究残肢与接受腔生机界面力学特性及残端应力情况,为设计和优化小腿接受腔结构、提高其佩戴舒适性提供理论依据。方法针对释压稳定(compression-release stabilization,CRS)接受腔,采用有限元软件ABAQUS分析残肢与CRS接受腔界面应力分布情况,软组织采用非线性超弹性材料Mooney-Rivlin本构模型,得到静止站立中期残肢与CRS接受腔接触界面正应力和剪切应力分布情况,并相应建立髌韧带承重(patellar tendon bearing,PTB)小腿接受腔三维有限元模型,将两者结果进行比较。结果残肢与CRS接受腔界面应力主要分布在胫骨内侧、胫骨外侧和后肌群等承重区,与PTB接受腔模型主要受力区域相似,CRS接受腔残肢末端平均界面应力较PTB接受腔高19 kPa。结论 CRS接受腔具有较好的透气性且应力分布较合理,接受腔形状的不同可改变残肢与接受腔生机界面应力分布,优化其设计有助于提高假肢穿戴舒适性。     

一体化小腿假肢的三维有限元应力分析

建立一体化小腿假肢和残肢的三维模型，应用有限元分析方法，计算此模型在模拟Mid—Stance步态时相的载荷作用下各节点的应力，从而得到此模型内外表面的应力分布，为一体化假肢设计的CAD＼CAM系统提供理论依据。计算结果表明，接受腔的应力值较小，假腿的应力值较大，高应力区出现在假腿下端及接受腔与假腿的交界区域。     

大腿残肢步态过程的非线性有限元分析

目的利用三维有限元分析方法研究大腿截肢患者在行走过程中3个不同时相下残肢的生物力学特性,为建立完整的大腿接受腔测量、设计与评估系统提供研究基础。方法首先根据CT图像三维重建大腿截肢患者的骨骼、肌肉软组织和接受腔的三维几何模型;定义软组织为超弹性和线弹性材料属性,并相应建立两个有限元仿真模型;定义残端与接受腔之间的接触关系,约束残肢近端,对模型的远端施加膝关节载荷,模拟步态周期中足跟着地时期、站立相中期、脚尖离地3个时相下大腿残肢-接受腔系统所受载荷;计算分析接触界面上的应力,并对比分析超弹性和线弹性软组织力学特性对接触界面力学行为特性的影响。结果无论线弹性还是超弹性模型,3个时相下大腿残肢-接受腔界面的最大接触压力均在残肢末端达到最大值。超弹性模型3个时相下接触压力峰值分别为55.80、47.63和50.44 kPa;而线弹性模型接触压力的最大值都增加2倍以上,其值分别为149.86、118.55和139.68 kPa。同时通过分析接触面间的径向剪切应力和轴向剪切应力发现,3个时相下接触界面间的应力在残肢末端较集中,在足跟着地到脚尖离地过程中,有部分力通过接受腔后侧缘传递转向接受腔前缘传递。结论不同时相下残肢与接受腔接触界面的压力和剪切应力分布情况不同,在设计接受腔时需要充分考虑其受力特点。     

髋离断假肢接受腔-残肢站立期静态有限元分析

目的 利用有限元分析方法研究髋残肢在支撑阶段与髋离断假肢接受腔生机界面的力学特性,为优化、设计髋接受腔结构提供理论依据,为评估髋接受腔舒适度提供研究基础。方法 根据患者残肢CT扫描模型,采用逆向建模的方式,三维重建骨骼、软组织以及接受腔模型。利用有限元方法 研究站立状态下残肢-髋接受腔界面正应力及剪切应力的分布情况,并通过设计压力采集模块系统进行验证。结果 残肢与髋接受腔界面应力主要分布在腰部和残肢底部,位于残肢其余区域的界面应力则分布较为均匀。有限元计算结果和压力采集模块系统测量结果 有较好的符合。结论 为能较好实现髋接受腔功能传递性和安全舒适性,需要充分考虑残肢腰部和底部的受力以及残肢与接受腔的配合度。     

下肢假肢接受腔对残肢肌肉萎缩影响的数值研究

下肢截肢后残肢的肌肉萎缩对患者康复十分不利。为探明残肢肌肉萎缩的生物力学机制,本研究利用大腿截肢患者残肢的磁共振断层影像(MRI),建立了包含肌肉、骨骼以及主要血管的残肢有限元模型,研究分析了下肢假肢接受腔对残肢软组织及血管的生物力学影响。结果发现,旋股外侧动脉降支因挤压而发生的狭窄最为严重,股深动脉的狭窄则相对较小;旋股外侧静脉的降支、股静脉、股深静脉狭窄的程度依次降低,大隐静脉的狭窄程度较为严重。前侧肌群中应力应变最高;下侧肌群在股骨的末端处出现应力集中,并且其他生物力学指标在下侧区域中也相对较高。本研究在一定程度上揭示了接受腔对血管的挤压是导致肌肉萎缩的重要原因,这为进一步研究残肢肌肉的萎缩机制和采取有效的预防措施提供了理论参考。     

小腿截肢患者不同路况下膝关节动态载荷研究

研究截肢患者行走过程中的膝关节动态载荷是膝关节损伤康复和假肢设计的基础。本研究以小腿截肢患者为研究对象,建立了膝关节动态载荷三维计算模型,通过平地行走、上、下楼梯三种路况下的步态分析,对一个步态周期内的膝关节载荷进行了计算分析。结果表明,各种路况下患者的步态特征和膝关节载荷各不相同,虽然总体变化规律基本一致,但上下楼梯时的小腿运动范围、地面反力和膝关节载荷比平地行走时幅值较大。这些定量分析结果为小腿截肢患者步态分析和假肢设计提供了理论依据。     

壁面厚度对一体化小腿假肢应力分布的影响

一体化假肢是以聚合物为材料从接受腔到假腿一体成型的新型下肢假肢 ,它比传统型假肢更经济、美观、轻便 ,具有较大的应用前景。如同传统假肢 ,应力分析对于一体化假肢的构型设计和优化具有重要的意义。由于假肢中的应力大小及分布与其所用材料的力学特性密切相关。本文的工作是基于一实验用内骨架一体化小腿假肢的真实几何构型 ,考虑残端软组织和骨 ,建立一体化小腿假肢的三维有限元模型 ;在保持假肢的几何形状不变的前提下 ,建立三个不同壁面厚度的一体化小腿假肢的三维模型 ,应用有限元分析方法 ,计算这些模型在模拟 Heel Off步态时相的载荷作用下的应力分布 ,分析壁面厚度对一体化小腿假肢应力分布的影响 ,为一体化小腿假肢壁面厚度的设计标准提供参考。结果表明 ,可以通过适当增加壁面厚度来减小一体化假肢的应力及软组织表面的压力。     

个体化下肢小腿假肢接受腔设计的生物力学评价技术研究

作为传递体重、固定假肢的部件 ,接受腔对于小腿假肢使用的舒适性和方便程度有决定性的作用。本研究建立了基于有限元应力分析的小腿假肢生物力学评价技术平台 ,实现了小腿残端 /接受腔 3D几何建模与信息交互、三维有限元自动建模及应力分析。 3D模型与信息交互的实现基于得到广泛支持的OpenGL技术 ,有限元模型的构建采用了专门针对小腿残端 /接受腔结构特点的自动建模方法 ,通过构建档案数据库系统作为整个系统的操作平台。该技术平台可与现有的CAD/CAM系统相结合 ,为接受腔的个体化设计提供生物力学定量化依据。其临床应用将改善传统的设计流程 ,提高设计效率。同时 ,它也是未来构建接受腔设计专家 /智能系统的基础。     

下肢残肢功能综合训练系统的研发

目的　为最大限度保留下肢截肢患者残肢残存功能,充分发挥假肢代偿功能,研制开发了具有数字化控制和反馈的下肢残肢功能综合训练系统。方法　由髋关节训练系统和膝关节训练系统两部分组成,可增大关节活动角度、增加残肢肌容积、促进残肢愈合。结果　根据多病科结合,成功研发出综合康复训练系统。结论　该系统从根本上提高截肢者的残肢功能,促进残肢定型,改善残肢装配假肢所需条件。     

内骨架一体化小腿假肢的生物力学研究

一体化假肢是以聚合物为材料从接受腔到假腿一体成型的新型下肢假肢，它比传统型假肢更经济、美观、轻便，具有较大的应用前景。目前的相关研究主要集中在设计与制作及少量的临床研究方面。由于一体化假肢与传统型假肢在结构上的差异，有必要对其进行应力分析。本研究的目的是开展内骨架一体化假肢的生物力学研究，本研究基于内骨架一体化小腿假肢的真实几何构型，建立三维有限元模型，计算该模型在模拟Heel OH步态时相的载荷作用下的应力分布；在保持该模型的几何形状不变的情况下，建立了三个不同壁面厚度的一体化小腿假肢的有限元模型，分析壁面厚度对一体化小腿假肢应力分布的影响；通过分别赋予模型四种不同高分子聚合物的材料力学特性值，分析不同材料的一体化假肢的应力分布特点；分别对模型施加与正常步态的五个典型时相对应的载荷，分析一体化小腿假肢在各步态时相的应力分布特点。本研究结果对一体化假肢设计有指导价值。     

假肢接受腔数字化技术研究进展

本文对近10年来假肢接受腔的研究与发展状况进行了回顾,包括残肢轮廓形状的采集和数字化、计算机辅助分析和接受腔的设计与制造三方面内容.基于生物医学工程领域与制造领域的最新研究动向,展望了假肢接受腔朝CASD/CAM集成化发展的趋势.     

基于便携式步态测试仪的不同接受腔单侧大腿截肢者行走特点研究

目的 探讨穿戴坐骨包容接受腔与四边形接受腔大腿假肢的单侧大腿截肢者在日常生活中行走时的步态差异，为临床制定大腿假肢使用处方提供指导。方法 选取7位大腿截肢患者作为试验组，为患者分别适配四边形和坐骨包容接受腔大腿假肢。同时选取7位年龄、性别、身高和体质量相匹配的健康受试者作为对照组。所有受试者以舒适的步速在室外平路上行走240 m,应用便携式步态测试仪(intelligent device for energy expenditure and activity, IDEEA)采集步态数据，包括7个时空参数和4个加速度参数，通过IBM SPSS Statistics 23对数据进行处理。对比患者穿戴两种假肢与健康受试者之间、患者分别穿戴同种假肢时患侧与健侧之间、患者穿戴两种假肢时患侧之间、健侧之间的参数差异。结果 与健康受试者相比，患者分别穿戴两种假肢行走时，两种假肢健侧和患侧的站立时间和步态周期增大(P<0.05),步速、步频、跨步长减小(P<0.05);两种假肢患侧的摆动时间延长(P<0.05),地面冲击和足落地控制减小(P<0.05);四边形接受腔假肢双侧和坐...     

建立下肢形态学数据库为匹配术后即装假肢提供参考

文题释义： 术后假肢：现代截肢康复的方法包括手术后安装临时假体，即在完成截肢手术后，医生为患者佩戴合适的临时假体。 大腿影像数据：研究采集的大腿数据包括膝上缘周径、膝上缘5 cm处周径、膝上缘10 cm处周径和膝上缘15 cm处周径，将大腿MRI数据导入3D重建软件，得到大腿截肢范围段表面积、体积。 大腿截肢范围段：为膝关节间隙上10-25 cm。 背景：目前假肢的制作是通过取型、修型、成型3个步骤完成的，由于修型过程是人工完成，与临床技师的经验技术密切相关，制作出来的假肢不美观，接受腔与残肢很难做到全接触。 目的：收集健康志愿者大腿MRI影像数据，评估成人大腿截肢范围段(膝关节间隙上10-25 cm)的对称性；将MRI影像数据建立成数据库，为下肢截肢患者匹配合适的术后即装假肢提供参考数据。 方法：招募40名健康志愿者，采集基本信息：年龄、身高、体质量、膝上缘周径、膝上缘5 cm处周径、膝上缘10 cm处周径和膝上缘15 cm处周径。所有志愿者对试验方案均知情同意，且得到医院伦理委员会批准。对大腿截肢范围进行三维重建，以模型的表面积、体积为参数，对每一例志愿者大腿进行解剖测量，利用三维逆向工程软件对测量结果进行3D偏差分析，完成大腿形态对称性的定量化和可视化分析。 结果与结论：①同体分析：同一个体左右大腿截肢范围段表面积之间的最大百分差异比不超过0.56%(P=0.109)；左右大腿截肢范围段体积之间最大百分差异比不超过1.19%(P=0.182)；三维偏差分析结果显示，最大平均负偏差为-1.47 mm，最大平均正偏差为1.14 mm。40例受试者的3D偏差分布78.02%在2 mm以内，20.97%在2.1-3.0 mm，仅1.01%大于3 mm。②异体分析：三维偏差分析结果显示，最大平均负偏差为-1.97 mm，而最大平均正偏差为1.89 mm。③提示成人双侧大腿截肢范围具有高度的解剖学对称性；当2名成人的膝上缘周径、膝上缘5 cm处周径、膝上缘10 cm周径和膝上缘15 cm处周径分别都相差在2 cm以内时，则认为这2名成人双侧大腿截肢范围段表面轮廓具有高度相似性，与性别、身高和体质量无关。 ORCID: 0000-0001-6838-3042(伍笑棋) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程     

植入性下肢骨植入体周围骨应力分布的三维有限元分析

基于CT扫描数据,针对低、中和高位下肢截肢步行最大生理载荷情况下,建立植入性下肢骨植入体及人体股骨三维有限元分析模型,计算结果表明：假肢的最大应力位于骨植入体外力传递杆靠近残肢残端,是假肢周期性载荷的疲劳破坏点;随截肢部位上移,股骨内应力最大值迅速增大;在植入体与股骨接触部位,存在严重的应力屏蔽,应力集中的两个区域分布在植入体末端和股骨四分之三处,可能导致骨质废用性和病理性吸收,影响假肢中长期使用寿命。本研究还表明,股骨的自然曲率对骨内应力分布有较大的影响,是不能忽略的因素。本文所获结果可为植入假肢的设计研究提供依据。