活动平台单髁假体的三维有限元模型建立及受力分析

目的为活动平台膝关节单髁置换有限元分析提供一种参数化联合建模方法并分析其受力变化。方法获取1例成年男性正常膝关节的膝部CT扫描,利用Mimics 13.1软件重建膝关节三维模型,通过参数化软件Rhinoceros5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,导入Mimics 13.1建立膝关节单髁置换三维模型,然后通过Abaqus6.10建立活动平台膝关节单髁置换三维有限元模型,并进行有限元分析皮质骨、松质骨的应力。结果参数化联合建模法效率高,所建模型形态逼真,精确度高,假体置换前后胫骨侧皮质骨应力变化基本一致,置换后胫骨侧松质骨受力主要在假体槽部。结论参数化联合建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了有效模型和新的研究思路,在单髁置换治疗膝关节病的临床和科研中将有广泛的应用前景。     

基于CT数据构建人体腰骶椎的有限元模型

背景：目前有限元模型的方法主要是基于医学图像的建模方法,可直接反映人体腰椎真实的几何形态。 目的：以CT影像数据为基础,利用图像处理软件建立L1~S5节段的腰骶椎三维有限元模型。 方法：选取1名男性健康志愿者,采用各向同性分辨率 0.625 mm 薄层CT扫描数据,以Dicom 格式导入 Mimics 10.0软件,三维化处理后获得腰骶段三维几何面网格模型,通过Geomagic studio 12.0软件曲面化、HyperMesh 10.0软件网格划分,最终导入Abaqus10.1软件生成腰骶椎三维有限元模型。 结果与结论：建立了精确的人体腰骶椎三维有限元模型并验证有效。应用精细的影像学数据,通过软件进行图像处理,快捷有效完成了脊柱模型的构建。此完整的多节段模型可方便考察临床疾病和外科固定对脊柱整体的影响,弥补了目前单个运动节段模型的缺陷。     

膝关节单髁置换三维参数化建模

背景：用于外科训练和演练的单髁假体模型因尺寸和特征固定而无法满足个体患者的实际需求。 目的：为膝关节单髁置换的数字化研究提供一种三维参数化建模方法。 方法：运用三维重建技术建立膝关节炎三维模型,然后通过参数化软件Pro/Engineer 5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,最后模拟膝关节单髁置换并进行三维有限元分析。 结果与结论：三维参数化建模法效率高,实现了膝关节单髁假体设计的自动化和高效化,所建模型形态逼真,精确度高。三维参数化建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了模型基础和新的实验思路。     

基于逆向工程/正向设计的三维重建金属对金属全髋表面置换假体

背景：全髋关节表面置换在进行假体装配中,需要与实体绝对匹配的3D模型。 目的：通过逆向工程/逆向设计技术三维重建金属对金属全髋表面置换假体。 方法：基于三维激光扫描仪所得假体的点云文件,Geomagic软件和3ds max软件再分别进行点云拼接、3D还原、特征提取从而得到全髋表面置换假体的三维可视化结构。 结果与结论：逆向工程/正向设计技术能还原假体的三维形态,可真实再现髋臼假体和股骨假体的结构。提示根据逆向工程/正向设计软件系统能准确重建金属对金属全髋表面置换假体。     

膝关节单髁置换三维参数化建模的研究

基于CT数据,运用三维重建技术建立膝关节炎三维模型,通过参数化软件Pro/Engineer 5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,然后模拟膝关节单髁置换术(UKA)并进行三维有限元分析。结果表明:三维参数化建模法效率高,实现了膝关节单髁假体设计的自动化和高效化,所建模型形态逼真,精确度高。三维参数化建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了模型基础和新的实验思路,在膝关节外科的临床和科研中将有广泛的应用前景。     

髋臼周围肿瘤切除后功能重建手术的仿真建模方法

目的　研究一套髋臼周围肿瘤切除后重建骨盆环及其内固定系统的精确、快捷的有限元建模方法。方法　首先将第三腰椎至股骨中段及内固定系统行CT扫描后导入医学有限元建模软件Simpleware中处理，用可视化装配法生成含内固定系统的骨盆环STL模型，然后经Geomagic软件修补优化后生成实体模型，并对模型的几何精度进行误差分析。最后导入Abaqus软件中进行有限元分析前处理，生成重建手术的有限元模型并进行计算分析。结果　建立了包括韧带在内的髋臼周围肿瘤切除后重建手术的有限元模型。模型有较高几何相似性及力学相似性。结论　椎弓根钉棒重建法较理想的代偿了缺损区的力传导途径，术后骨盆结构完整，力学响应稳定；可视化装配法简化了含有复杂内固定器系统的有限元建模过程，高精度的逆向工程软件和优化操作保证了模型的精确度。     

膝关节关节软骨的三维构建

目的:构建膝关节关节软骨的三维模型,为开展膝关节数字医学研究进行模型构建的探索。方法:人体成年新鲜膝关节标本1例,行CT、MRI扫描,利用三维重建软件Mimics及逆向工程软件Geomagic对图像进行三维重建及图像配准,构建膝关节骨、关节软骨结构。结果:利用Mimics 10.01软件构建关节软骨的三维模型,并形成骨-关节软骨复合模型,导入Geomagic软件中与CT构建的骨三维模型相配准,再次导入CT影像中进行逐层微修饰,验证关节软骨分割效果。最终建立具有骨、关节软骨的三维膝关节模型。结论:三维图像重建技术与图像配准技术可将CT、MRI图像两者结合起来,发挥其各自优势,构建出形态较好的膝关节三维模型。     

有限元分析全膝关节置换股骨假体置入定位参数及临床优化验证

文章快速阅读：  文题释义：全膝关节置换三维有限元仿真模型：是指对股骨假体截骨定位参数进行正交实验,选择股骨假体的平移量、外旋度数、外翻度数3个参数作为正交实验的相关因素,创建全膝关节置换膝关节的有限元模型。活动平台型膝关节假体：其聚乙烯衬垫与托盘不固定,之间能够自由滑动和旋转,可以减少聚乙烯磨损和假体松动的风险,现阶段临床应用比较多的是活动性膝关节假体,该假体能够扩大相应界面与聚乙烯衬垫的接触面积,减少接触应力。   背景：三维有限元仿真分析在生物力学中有着广泛应用,但在膝关节置换中的研究不多,对股骨假体的研究也比较少。目的：有限元分析膝关节置换股骨假体置入的优化定位参数,并对Gemini-PS膝关节假体全膝关节置换进行临床验证。方法：①构建全膝关节置换膝关节有限元模型,对股骨假体截骨定位参数进行正交实验,选择股骨假体的平移量A、外旋度数B、外翻度数C 3个参数作为正交实验的相关因素,每个参数取3个值建立正交表,创建9个实验组合的全膝关节置换膝关节的有限元模型,对9个模型进行有限元分析,通过优化处理进行方差和极差分析。②纳入42例(47膝)中老年膝骨关节炎患者,采用Gemini-PS 膝关节假体进行全膝关节置换,采用美国特种外科医院膝关节评分及美国膝关节协会评分评价置换前后膝关节功能,以疼痛目测类比评分评估置换前后膝关节疼痛程度。结果与结论：①聚乙烯衬底表面压应力峰值最小的为平移0 mm,外旋3°,外翻6°组合,压应力峰值为15.9 MPa;聚乙烯衬垫表面压应力的影响因素中,内外平移的影响大于外旋角度的影响大于外翻角度的影响;通过极差分析和方差分析发现股骨假体置入的最佳定位参数组合为平移0 mm,外旋3°,外翻6°;通过仿真计算证明正交实验是有效的;②42例患者均得到随访,随访时间12-36个月,1例发生术口下段皮下脂肪液化;置换后末次随访患膝美国特种外科医院膝关节评分及美国膝关节协会评分均较置换前显著提高(P < 0.05);置换后疼痛目测类比评分较置换前显著降低(P < 0.05)。X射线检查未发现骨溶解、假体脱位及松动等并发症,置换后膝关节功能恢复良好;③结果提示,股骨假体置入位置的微小变化都会引起聚乙烯衬垫表面压应力峰值的异常分布,全膝关节置换术中对股骨假体进行准确定位可以取得良好的置换效果。 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 ORCID:0000-0002-3861-0467(徐高伟)     

人工髋关节活体有限元建模及力学分析

背景：有限元分析最为广泛地应用于人工髋关节置换的研究,能够反映人工髋关节置换前后的应力分布情况。 目的：通过CT扫描图像建立人工髋关节置换后的三维有限元模型,分析假体和股骨的力学分布,提供研究活体内假体的评估方法。 方法：选非水泥型人工髋关节假体置换后患者1例,64排CT扫描髋关节,通过三维建模软件建立三维有限元模型,加载载荷1 500 N,分析假体和股骨的应力分布,并与体外建模和正常股骨有限元模型比较。 结果与结论：应用患者人工髋关节置换后CT扫描图像建立的三维有限元模型,加载后应力主要分布在股骨干上端1/3处,在股骨假体柄颈结合处,假体外侧,假体的远端与股骨接触处,是假体置换后应力在体内传递的真实反映。结果说明活体髋关节建模优于体外建模,不改变假体在体内的位置,人工髋关节活体建模是假体评估新方法。     

髁突骨折术中颞下颌关节盘复位有限元模型的建立与初步分析

目的：建立正常的颞下颌关节有限元模型和髁突骨折切复内固定手术模型,为颞下颌关节系统的生物力学研究提供数字平台。方法获取正常颞下颌关节CT和MRI扫描图像数据,使用Mimics、Geomagic、ANSYS等软件建立颞下颌关节三维有限元模型和髁突骨折外科手术模型并进行初步的生物力学分析,以验证模型的有效性。结果建立了颞下颌关节系统的三维有限元模型和髁突骨折外科模型具有良好的生物形态。结论根据CT、MRI影像和解剖参数,利用医学影像三维建模软件Mimics以及逆向工程软件Geomagic Stadio可以精确、可行地构建颞下颌关节系统的表面网格模型,并在有限元分析软件Ansys中构建颞下颌关节系统的三维有限元模型。该模型还原了TMJ的生物力学环境。     

基于MRI的全膝有限元模型建立与前交叉韧带重建术模拟方案

目的建立完整的人体膝关节三维有限元模型,并在此基础上建立了用于前交叉韧带重建模拟的胫股骨隧道和人工韧带模型,为进一步分析打下基础。方法以MRI图像作为数据源,运用逆向工程软件Geomagic及有限元分析软件ANSYS9.0,参考大量有关实验测试数据的文献报道,建立所需三维有限元模型。结果建立的膝关节三维有限元模型包括胫腓骨上段、股骨下段、胫股骨软骨层、胫股骨隧道、内外侧半月板、后交叉韧带、内外侧副韧带和髌韧带,几何形状良好。胫腓骨隧道和人工韧带的模拟巧妙简便,基本可以满足有限元分析的需要。结论采用MRI图像建立膝关节三维有限元模型切实可靠,能很好地模拟膝关节内部的真实解剖结构及前交叉韧带重建术中的胫股骨隧道。     

老年健康女性盆底肛提肌有限元模型的建立及意义

为建立老年健康女性盆底肛提肌有限元模型(FEM),对一老年未孕女性健康志愿者进行骨盆CT及MRI薄层扫描,获得其骨盆及盆底肛提肌的原始图像数据,随后应用Mimics12.0及Geomagic9.0图像处理软件将骨盆诸骨、肛提肌及其相关肌肉进行三维重建和网格优化,在Ansys11.0软件平台上构建骨盆与肛提肌群的肌骨系统FEM,并最终获得精确的老年健康女性盆底肛提肌及骨盆的FEM。结果表明:采用CT及MRI薄层扫描数据建立的FEM真实可靠,能逼真反应盆底肛提肌的空间立体解剖关系,避免了已往依赖于尸体标本解剖获得模型的缺点,所获得的模型数据更加接近于活体解剖,有利于后期的有限元分析。     

下颈椎三节段全椎板切除与侧块螺钉内固定三维有限元模型的建立

背景：随着颈椎后路手术技术的日益完善,侧块螺钉内固定技术已被广泛应用于颈椎的重建稳定性手术之中。然而,当前对于侧块螺钉内固定系统重建颈椎稳定性的有限元研究却很少。 目的：建立精细下颈椎(C3-C7)及三节段全椎板切除后应用侧块螺钉内固定重建的三维有限元模型,对重建后的下颈椎及内固定进行生物力学分析。 方法：采集1例30岁正常女性志愿者行全颈椎CT,得到Dicom数据集。应用Mimics 10.01、Geomagic Studio12.0、Solidworks2012、HyperMesh10.1、Abaqus 6.12软件建立下颈椎(C3-C7)完整模型、全椎板切除模型以及侧块螺钉内固定系统重建模型。分析重建模型在前屈、后伸、侧弯和旋转运动状态下的应力变化情况。 结果与结论：所建下颈椎有限元模型结构精细,外形逼真,共包含503 911个四面体单元,93 390个节点,并通过有效性验证。在软件中完成模拟手术过程,最终得到侧块螺钉内固定重建模型。侧块螺钉内固定系统对全椎板切除模型具有良好的稳定性,重建后颈椎的活动度远低于完整模型,且后伸时侧块螺钉内固定系统的应力最为集中。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;组织工程全文链接：     

脊柱侧凸三维有限元模型的建立及其意义

目的建立胸腰段脊柱侧凸的三维有限元模型。方法螺旋CT扫描脊柱侧凸患者T6椎体上缘至L1椎体下缘,所得图片经Photoshop处理后导入Simpleware软件,采用实体建模方法构建出每一椎体及椎间盘的实体模型,经过逆向工程软件Geomagic光滑、组装后导入有限元分析软件ABAQUS,进行网格划分建成脊柱侧凸的有限元模型。结果所建模型共划分了232315个单元,356830个节点,模型结构完整,单元划分精细,外观逼真,几何相似性好,能精确测量一定载荷下的应力和位移分布。结论本研究所建有限元模型有助于脊柱侧凸的生物力学研究,对于脊柱侧凸的治疗及个性化矫形支具的设计具有指导意义。     

中下胸椎肋椎单元三维有限元模型的建立☆

背景：建立中下胸椎肋椎单元有限元模型对进一步的力学分析意义重大。 目的：通过CT扫描结合逆向工程软件建立中下胸椎肋椎单元三维有限元模型。 方法：选择内蒙古医学院附属第二医院影像科无脊柱疾患和骨质疏松标本1例,利用医学图像处理软件Mimics实现直接从CT图像中提取数据,再利用逆向工程技术平台Geomagic,在可视化的界面下对模型进行修改,建立人完整中下胸椎肋椎单元、椎间盘的有限元模型。 结果与结论：利用Mimics,Geomagic等逆向工程软件,结合CT扫描技术对人中下胸椎肋椎单元进行了三维重建,精确再现了中下胸椎肋椎单元外形解剖特征,实现了对椎体组织内部不同结构的精细区分,中下胸椎肋椎单元共具有132 649个四面体单元。提示此方法可以提高建模的效率和可操作性,能够成功建立符合实验要求的有限元模型。      

建立足部三维有限元数字模型

背景：克服传统标本力学分析的不利因素,建立逼真的足部各结构有限元模型,是对足部进行有限元力学分析的重要基础。 目的：建立足部的三维有限元数字模型,为正常足部及足部损伤情况下的有限元力学分析打基础。 方法：对1名健康女性志愿者行双足螺旋CT扫描,将所得图像在Mimics软件中重建三维模型,在Geomagic软件中生成实体模型,最后在Ansys中建立足主要结构的三维有限元数字模型。 结果与结论：实验建立了包括全部骨骼、主要软骨和韧带、皮肤及软组织在内的人足有限元数字模型。利用CT数据及Mimics、Geomagic、Ansys软件可以建立人足全部足骨的三维有限元数字模型,该模型与实际骨骼模型大小、形态一致,并且可以随意旋转,任意角度观看,进行各种测量,可将足部骨骼任意拆分或合并,适合进行生物力学分析。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植;肝移植;移植;心脏移植;组织移植;皮肤移植;皮瓣移植;血管移植;器官移植;组织工程全文链接：