70002/股骨颈有限元分析的赋材料属性方法探讨及有效性验证

目的 对12侧股骨上段标本进行有限元分析，与体外力学试验结果进行验证，以探讨骨骼合理的赋材料属性方法。方法 将12侧股骨上段标本进行高速CT薄层扫描，在Mimics中进行三维重建，在Ansys中进行体网格划分。有限元分析组在Mimics中根据灰度值将三维模型材料属性分为2种(密质骨及松质骨)、10、50、100、200、400种后赋予材料属性，在Ansys中进行力学分析并采集股骨颈表面节点力学数值；体外力学试验组将12侧股骨上段标本进行压缩试验，采集与有限元分析组相同测试点力学数据。结果 单因素方差分析显示，1 力学试验组与有限元分析各个组别比较：与2种材料属性组比较，P= 0.082；与10、50、100、200、400种材料属性组比较P＞0.39；2 有限元分析各组别间比较：2种材料属性组与其余各组比较P＜0.05， 10、50、100、200、400种材料属性组间比较P＞0.9。结论 赋予骨骼10种材料属性达到有限元分析的要求。     

基于三维重建技术及有限元分析的骨密度测量☆

背景：为减少有限元分析的运算量,使之更具有临床实用性,前期试验对赋予材料属性进行了探讨,论证了赋予骨骼10种材料属性可以达到有限元分析的要求,同时发现通过有限元分析的方式,可以实现骨密度值的求解。 目的：探讨基于三维重建技术及有限元分析测量骨密度的方法,对骨骼有限元分析的一般过程进行一定规范。 方法：选用11侧股骨上段标本,对照组直接测量标本的质量;试验组将11侧标本进行高速CT薄层扫描,在Mimics 10.0中进行三维重建,在Ansys中进行体网格划分,在Mimics中赋予10,100,400种材料属性,输出至Ansys计算骨骼中每一种材料属性的体单元体积,根据CT扫描灰度值与骨密度的经验公式,计算标本质量及密度,进行统计学处理。 结果与结论：骨密度单因素方差分析结果显示,对照组与赋予10,100,400种材料属性各试验组差异均无显著性意义(P均> 0.28),试验组各组别之间差异均无显著性意义(P均 > 0.8)。结果提示,该试验方法可定量测量骨骼质量、密度及骨密质和骨松质的比例,赋予骨骼10种材料属性即可达到测量要求,试验结果可为骨质疏松症的骨密度与有限元分析的统一作初步准备。     

CroweⅣ型髋关节发育不良骨盆有限元模型的构建

背景：骨骼生物力学数字有限元分析方法,因其有限元模型作为虚拟标本可重复使用而不被破坏,可以降低实验成本。 目的：探索一种利用三维有限元软件快速建立骨盆三维有限元模型的方法,并对发育性髋关节脱位患者假髋臼周围的受力情况进行初步分析。 方法：采用发育性髋关节脱位患者的骨盆CT数据,在Mimics 10.0软件中进行三维重建面网格划分,在Ansys10.0软件中进行体网格划分后导入Mimics10.0中赋予材料属性,从而建立发育性髋关节脱位患者的双髋臼半骨盆有限元模型。在Ansys10.0中,模拟患者患侧单下肢站立的情况对假臼关节面施加静力载荷,对该模型进行初步的力学分析及验证。 结果与结论：基于DICOM格式CT数据建立了发育性髋关节脱位患者的双髋臼半骨盆三维有限元模型,模型精确可用,包括147 167个节点,113 898个单元,假臼位置与骶髂关节的关节面相对。患侧单下肢站立的情况下,骨盆应力主要集中在假髋臼和骶髂关节面之间的骨质。利用Mimics及Ansys软件可简单有效地建立骨盆的有限元模型,此建模过程同样适用于人体其他骨骼有限元模型的建立。利用有限元模型可以方便有效的模拟人体骨骼生理及病理状态下的受力情况,对于临床提供参考和指导。     

骨质疏松股骨三维有限元模型的建立

背景：通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体且模型间可比性低,对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段。 目的：建立骨质疏松股骨三维有限元模型。 方法：根据国人股骨平均参数,选择重度骨质疏松老年男性患者1例,年龄86岁,排除髋关节疾患。通过螺旋CT扫描获得骨质疏松股骨图像数据,将图像数据导入图像处理软件Mimics11.1进行图像处理,生成股骨骨皮质内、外表面的轮廓曲线;再将轮廓曲线数据导入建模软件Unigraphic NX4.0进行实体建模,得到具有骨皮质、骨松质、骨髓腔的股骨三维模型;将三维模型数据导入有限元分析软件Ansys11.0 进行赋值、网格划分、定义接触等操作建立骨质疏松股骨三维有限元模型。 结果与结论：建立了骨质疏松股骨三维有限元模型,为骨质疏松股骨限元模型的建立提供了切实可靠的方法,为研究骨质疏松股骨骨折的固定方法、关节置换等创造了条件。     

应用三维有限元分析正常站立位股骨近端结构生物力学特性

背景：目前股骨有限元研究较多,但以往的研究多集中于股骨外部的生物力学方面。 目的：建立股骨近端结构三维有限元模型,对正常站立位下的股骨近端生物力学特性进行分析以指导临床工作。 设计、时间及地点：三维有限元建模及力学分析,于2009-04在天津医科大学总医院骨科生物力学实验室完成实验。 对象：天津医科大学总医院志愿者1名,男性,30岁,应用X射线排除股骨病变及损伤等情况。 方法：在Mimics中直接读取符合Dicom 3.0 标准的股骨近端原始CT数据,经阈值设定、区域增长及形态学操作等生成股骨初始3D模型,后期结合有限元软件ANSYS生成最终的三维有限元网格模型,然后在ANSYS中分别对应用Mimics得到的模型加载200 N的垂直载荷, 观察股骨近端内部应力分布。 主要观察指标：对模型施加200 N垂直载荷,观察股骨近端的Von mises应力分布。 结果：应用Mimics和Ansys软件建立股骨近端有限元模型,观察到股骨近端内部应力分布,验证了结构与功能的对应关系。 结论：应用Mimics可以建立更符合股骨近端机械结构和力学性质的三维有限元模型,据此模型得到的股骨近端力学特性分析结果更为可信,以辅助指导临床应用。 关键词：股骨;有限元模型;生物力学     

基于CT图像应用Mimics软件快速构建人体胸腰段骨骼有限元模型*☆

将以各向同性分辨率0.625 mm薄层扫描所得的层厚0.65 mm人体胸腰段连续断层210层Dicom格式CT图像，直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理，去除冗余数据，三维化处理后获得胸腰段三维几何面网格模型，将其保存为后缀名.lis的Ansys文件，直接导入Ansys有限元分析软件进行体网格划分，再将体网格转入Mimics根据CT值给予赋值，再次导入Ansys生成有限元模型。快捷建立了外形逼真、计算精确的人体胸腰段脊柱三维有限元模型。结果提示，应用精细CT扫描技术，图像Dicom标准，Mimics软件能直接与Ansys软件进行对接，并能根据CT值直接赋值使胸腰段脊柱三维有限元模型的建立更加快捷、精确。     

MRI影像下股骨髁间窝三维数字化解剖学数据与实体解剖测量值的差异

背景：X射线、CT、MRI二维图像测量股骨髁间窝受投照体位、选取测量层面等影响,测量准确性较差。 目的：比较MRI影像下股骨髁间窝三维数字化模型测量值和尸体实体解剖测量值的差异,探讨基于MRI影像下三维数字化模型的准确性。 方法：对尸体膝关节标本行MRI扫描,将MRI图像导入Mimics软件对股骨髁间窝进行三维数字化重建,测量三维数字化髁间窝的相关解剖学数据,同时对尸体标本进行解剖,测量实体解剖学数据。 结果与结论：三维数字化重建髁间窝顶长度、髁间窝宽度、内外髁宽度、髁间窝指数测量值与实体解剖测量值差异无显著性意义(P > 0.05)。说明基于MRI影像下股骨髁间窝的三维数字化模型能够准确反映实体标本信息,可用于正常人股骨髁间窝的解剖学研究。     

股骨头坏死有限元模型的建立

背景：股骨头坏死有限元分析法已经被许多研究者应用,但作为分析的数字模型还存在几何以及物理相似性不够等不足。 目的：借助股骨头坏死患者的CT扫描图片建立更加逼真的股骨头坏死有限元模型。 方法：将以各向同性扫描所得的层厚0.625 mm股骨头坏死髋关节连续断层142层Dicom格式CT图像,直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得股骨头坏死三维几何面网格模型,将其保存为后缀名.lis的Ansys文件,直接导入Ansys有限元分析软件进行体网格划分,再将体网格转入Mimics根据CT值给予赋值,再次导入Ansys 生成有限元模型。 结果与结论：快捷建立了外形逼真、计算精确的股骨头坏死三维有限元模型。提示应用精细CT扫描技术,Mimics软件根据CT值直接赋值使股骨头坏死三维有限元模型的建立更加快捷、精确。     

减阻牵张成骨快速移动尖牙三维有限元模型的建立

背景：国内建立了减阻牵张成骨快速牙移动的实验动物模型，主要以基础研究为主，尚未见探讨减阻牵张成骨快速牙移动生物力学机制的文献。 目的：基于CT法结合Mimics医学图像处理系统建立几何相似性和力学相似性较高的减阻牵张成骨术快速移动尖牙的三维有限元模型，为减阻牵张成骨术快速移动尖牙的生物力学分析、优化设计、和手术方法的选择建立灵活的分析平台。 方法：通过64排螺旋CT对拔除第一前磨牙的成人上颌骨进行扫描，获得上颌骨、上颌牙列截面影像的DICOM数据。采用Mimics软件、Geomagic Studio8.0软件、Unigraphics NX软件、Ansys11.0软件相结合的方法，建立包括上颌骨、上颌牙齿及牙周膜的减阻牵张成骨术快速移动尖牙的三维有限元模型。 结果与结论：建立了由43 477个单元，83 577个节点组成的上颌减阻牵张成骨术快速移动尖牙的三维有限元模型，还可根据不同的研究目的和要求添加或删除组件。所建立的三维有限元模型能较真实模拟实际情况，具有较好的力学和几何学相似性，可用于进行减阻牵张成骨术中尖牙快速移动的生物力学研究，进而为临床操作提供理论依据。     

单侧完全性唇腭裂上颌骨三维有限元模型的建立****☆

对单侧完全性唇腭裂患者颅颌面部进行多层螺旋CT扫描，利用Mimics软件直接将CT扫描样本得到的Dicom标准文件进行处理，并导入逆向工程软件Geomagic Studio构建模型的表面，在此基础上用Ansys软件建立完整的单侧唇腭裂上颌骨三维有限元模型。建立了由27 405个实体单元和26 876个节点组成的单侧完全性唇腭裂上颌骨有限元模型。应用螺旋CT技术和联合使用Mimics软件、Geomagic Studio软件对模型进行构建，并结合Ansys软件生成三维有限元计算模型，是一种快速有效的建立单侧完全性唇腭裂有限元模型的方法。     

人工颈椎间盘置换对下颈椎活动影响的三维有限元分析

建立人工椎间盘置入后下颈椎C3~7的三维模型,分析颈椎人工椎间盘置换后下颈椎运动情况。根据1例人工椎间盘置入患者术后6个月CT片,应用有限元方法建立其包含BryanTM人工颈椎间盘假体的下颈椎三维有限元模型,导入Ansys 9.0中,对椎体皮质骨、松质骨、椎间盘用三维十节点四面体结构实体单元进行网格划分后进行分析。对模型加载2 N•m的力矩,观察其在前屈/后伸、侧屈及旋转几种状态下的运动情况,了解其运动特性。通过与以往的研究结果比较,试验结果基本符合或趋势基本一致。结果提示,颈椎间盘置换后能基本保证下颈椎运动稳定性。     

TM种植体骨界面应力分布的有限元分析

背景：种植体形态是决定种植体骨界面应力分布的重要因素之一。探讨顺应人体正常颌骨解剖形态的TM种植体骨界面的应力分布特征对临床医生选择和设计种植体有指导意义。 目的：观察集中荷载作用下TM种植体及其周围骨组织应力分布的特征。 方法：通过逆向工程技术,将二维下颌骨CT图片转化为三维实体模型,并建立3种包含不同锥度的TM种植体真实下颌骨B/2类骨质的有限元模型,利用有限元技术研究两种加载方式下TM种植体骨界面应力分布特征。 结果与结论：垂直加载时,对于锥度较大的TM种植体周边密质骨承受较小的应力;斜向加载时,对于锥度较大的TM种植体周边密质骨和松质骨承受较大的应力;种植体颈部,密质骨上缘与种植体接触处和种植体底部松质骨出现明显应力集中现象,斜向荷载下种植体骨界面的应力分布显著高于垂直荷载下的应力分布。从1/2长度开始变化的TM种植体骨界面在垂直荷载下表现出较好的应力分布特征。     

应用CT断层图像构建颅内动脉瘤三维有限元模型的方法

目的 基于螺旋CT断层原始图像,利用Mimics三维重建软件与Anasys有限元分析软件,建立颅内动脉瘤的三维有限元模型,以进一步进行颅内动脉瘤血流动力学的研究. 方法 利用GE Lightspeed 16排螺旋CT,层厚0.625 mm,层间距0.5 mm,获得颅内动脉瘤的CTA图像.应用Mimics直接读入Dicom格式的原始图像,采用阈值分割与手动分割相结合的处理方法 ,得到最感兴趣的部位,主要包括载瘤动脉和动脉瘤,对图像进行三维计算,调用FEA模块的Remesh功能,获取颅内动脉瘤的三维模型的面网格格式,文件以lis格式保存并输出,直接导入ANSYS软件转化成IGES文件,导入ANSYS Workbench生成体网格进行血流动力学的研究. 结果建立了精确、快速的颅内动脉瘤三维有限元几何模型,面网格文件可直接导入ANSYS软件进行血流动力学的研究. 结论 薄层螺旋CT扫描技术、Dicom医学数字图像通讯标准的应用使有限元模型的建立更为精确,Mimics软件可以直接建立颅内动脉瘤的三维有限元几何模型,提高了效率.