人体躯干骨骼-肌肉-韧带结构三维有限元模型的建立和验证

目的:建立正常人体躯干骨-肌肉-韧带三维有限元模型,为脊柱部生物力学研究提供数字平台。方法:获取正常青壮年男性的躯干螺旋CT扫描图像,应用逆向工程原理,通过Mimics、Geomagic软件建立躯干骨结构的三维几何模型;利用ANSYS10.0对其进行有限元网格划分,椎间盘、韧带和肌肉根据解剖学和文献数据模拟,并参照以往文献报道对模型的可靠性进行验证。结果:建立了包括374618个实体单元,110102个壳单元,427个Link单元,22个质点单元,共65998个节点的关节、椎骨、椎间盘和韧带的躯干部三维有限元模型,根据CT灰度值和杨氏模量关系式对松质骨、皮质骨和后部结构进行单独材料赋值,采用等效法构建椎间盘的纤维环。结论:运用逆向工程原理可有效构建人体躯干的三维几何模型,在此基础上基于解剖和离体标本实验结果构建其生物力学有限元模型,可用于人体脊柱生物力学变化规律的可视化分析。     

人体足主要骨-韧带结构三维有限元模型的建立及分析

目的:建立正常人体足主要骨-韧带结构的三维有限元模型,为足部生物力学研究提供数字平台。材料和方法:获取正常青壮年男性的左足螺旋CT扫描图像,应用逆向工程原理,通过处理序列螺旋CT图片建立足部骨结构的三维几何模型,并对其进行有限元网格划分。足部关节软骨、韧带、肌腱和足底软组织通过解剖和文献数据模拟。同时,对7具新鲜尸体标本足作生物力学测试,分析计算有限元模型及生物力学测试中足部骨骼的应力、位移变化情况。结果:建立了包括170426个节点、118342个单元的关节、骨、软骨、韧带和足底软组织在内的正常人体左足骨骼及韧带结构的三维有限元模型,较客观地反映了人体足的解剖结构和力学特性。与新鲜尸体标本的生物力学测试结果比较,位移变化有相同趋势。结论:运用逆向工程原理可有效构建人体足的三维几何模型,在此基础上基于解剖和离体标本实验结果构建其生物力学有限元模型,可用于足部生物力学变化规律的可视化分析。     

髋关节撞击综合征影像表现的初步探讨

目的 探讨髋关节撞击综合征(FAI)的影像表现.方法 回顾性分析经手术证实的9例FAI患者的影像资料,9例患者均行髋关节正侧位X线检查及患髋MR检查,其中1例还接受了患髋关节MR关节造影检查,探讨其影像特征性改变.结果 9例患者X线表现均出现股骨头颈交界处骨性突起或髋臼过度覆盖.MR检查显示9例患者均出现不同程度的髋臼盂唇损伤,均出现在前上盂唇,ⅠA期损伤2例,ⅠB期损伤3例,ⅡA期损伤2例,ⅡB期损伤2例;1例患髋关节MR造影检查显示髋臼前上盂唇内线样裂隙,可见对比剂进入裂隙.2例的股骨头负重区软骨下骨内出现硬化囊变区,手术证实相应部位出现直径2 cm大小的软骨剥脱.结论 MRI可以显示FAI患者髋臼盂唇及关节软骨损伤,有助于早期诊断FAI.     

股骨头形状对人工髋关节力学行为影响的有限元分析

目的研究人工髋关节不同形状股骨头对髋臼变形及应力分布的影响。方法建立不同形状(球形、椭球形、蚶线球体)股骨头的人工髋关节三维有限元模型,模拟人体步态过程中的受力情况,计算并分析髋臼变形、应力以及股骨头应力的分布情况。结果在3种形状的股骨头中,球形股骨头对髋臼产生的变形量最大,蚶线球体股骨头次之,椭球形股骨头最小;蚶线球体股骨头产生的中心应力最高,球形股骨头次之,椭球形股骨头最小。结论在减少髋臼变形降低应力分布方面,椭球形股骨头比球形股骨头和蚶线球体股骨头有着明显的优势,这对于人工髋关节的优化设计具有一定的指导作用。     

上颌骨种植体三维有限元模型的建模方法

目的 探讨获得种植体在上颌骨复合体三维影像以建立三维有限元模型的方法。方法 采用螺旋CT断层扫描技术，数字影像与转录技术，自编程序与ANSYS软件相结合。将CT扫描图像转换为可用于有限元建模的数值图像。结果 三维有限元实体模型与螺旋CT三维重建影像比较，几何相似性与还原性良好，材料构造合理。结论 借助螺旋CT扫描技术及ANSYS软件，建立上颌骨种植模型是切实可行的，结果是满意的。     

髋关节MR造影检查对发育性髋关节发育不良病人髋臼盂唇损伤程度的评价

目的评价髋关节MR造影检查对发育性髋关节发育不良(DDH)病人髋臼盂唇损伤的诊断价值。方法选取2015年12月—2016年10月进行髋关节MR造影检查的DDH病人16例,其中男3例,女13例,年龄10~20岁,平均(14.88±2.60)岁。对每例病人的患侧髋臼行超声引导下髋关节MR造影检查,分别对前、外上及后盂唇进行观察,由2名影像诊断医师评价盂唇损伤的部位及程度,并以术中诊断结果作为金标准进行对比。采用Kappa检验计算髋关节MR造影检查与术中诊断的一致性。结果 16例病人共48处盂唇,无撕裂37处(0期32处,Ⅰ期损伤5处),髋臼实质部撕裂3处,髋臼盂唇-软骨连接区撕裂8处。术中所见无撕裂38处,髋臼实质部撕裂3处,髋臼盂唇-软骨连接区撕裂7处。髋关节MR造影诊断髋臼盂唇撕裂的敏感度为100%,特异度为97.37%,阳性预测值为90.91%,阴性预测值为100%。MR髋关节造影检查与术中诊断的一致性较好(Kappa=0.939,P0.001)。髋关节MR造影显示盂唇肥大、内翻2例,均为前盂唇,与术中所见相吻合。结论髋关节MR造影检查对DDH病人髋臼盂唇损伤诊断的敏感性和特异性均较高,可作为术前常规检查手段。     

成人重度髋关节发育不良继发性骨关节炎的CT表现

目的:探讨成人重度髋关节发育不良继发性骨关节炎的CT表现.方法:对23例41个髋成人重度髋关节发育不良继发性骨关节炎的CT资料进行回顾性分析,男2例,女21例,年龄46～72岁,平均约52.2岁.结果:23例41个髋成人重度髋关节发育不良继发性骨关节炎的CT表现为41髋可见明显的髋臼发育不良(100%);其继发性骨关节炎表现为骨质增生硬化、软骨下假囊肿、关节间隙狭窄(100%);36髋可见髋关节再塑型(87.8%),即:发育不良的髋臼边缘骨质再生形成新髋臼,股骨头变形对应再生髋臼.所有病例均伴发邻近部位骨关节炎.结论:成人重度髋关节发育不良继发性骨关节炎的CT影像表现典型,髋关节再塑型是其特征性表现,反映了其生物力学的改建.     

计算机辅助髋关节囊韧带重建三维有限元分析及其生物力学意义

目的 从生物力学角度,采用三维有限元方法,探讨关节囊韧带重建对髋关节的稳定机制.方法 利用功能强大的有限元分析软件Unigraphics NX 2.0和SolidWorks 2006构建出包括坐股韧带重建的全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)三维有限元模型,模拟坐位腿交叉动作载荷,获取假体脱位过程的角活动度和相应的阻力矩值.结果 所构建坐股韧带为多体连接非线性、大界面划移、高弹性的结构模型,客观反映坐股韧带真实解剖形态及其生物力学行为.增加坐股韧带重建的模型与仅有金属的模型相比,降低了撞击点和脱位点峰应力分别为17%和31%.峰阻力矩增加了57%,并提供了2.29倍的稳定性.结论 坐股韧带作为髋关节后方关节囊一个确切的解剖结构,对后方稳定装置的力学完整性起到重要的作用,髋关节成形术中应该重建髋关节囊韧带.     

髋关节撞击综合征16例X线表现

目的探讨髋关节撞击综合征（FAI）的X线表现。方法回顾性分析16例FAl患者的影像资料,16例患者均行髋关节正侧位X线检查,其中1例进行了髋关节CT检查。结果16例患者X线表现均出现股骨头颈交界处骨性突起,非圆形股骨头4例,股骨头颈交界处皮质下囊性变4例,髋臼边缘骨赘13例,髋臼边缘软骨下囊性变6例,髋臼后倾5例,髋臼过深2例。结论X线可以显示FAI患者股骨头颈交界处及髋臼解剖异常,有助于提高FAI的诊断准确性。     

高原颈椎C5～C6运动单元三维有限元模型的建立及临床意义

目的 建立高原颈椎(C5-C6)三维有限元模型,以期应用于临床实验研究.方法 选取一男性32岁正常高原志愿者,用CT扫描的方法,借助图像处理软件Adobe Photoshop Elements 5.0、医学影像软件MIMICS10.01和ANSA13.0.2软件,建立正常高原人C5- C6的三维有限元模型.参照前人尸体标本生物力学测试结果,验证模型有效性.结果 生物力学实验结果 与以往实验模型结果 基本相符.结论 所建立的高原颈椎节段有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验.     

基于CAD技术的个体化下颌骨正交各向异性有限元模型的建立

目的 建立个体化下颌骨正交各向异性三维有限元模型.方法 利用CT薄层扫描下颌骨获取的断层图像数据,在自主开发的USIS软件的基础上,自动分辨骨皮质和骨松质轮廓边界,并对下颌骨采用"非种子区域分割"、非平行"最佳切割曲面"及"B样条曲线拟合法"一系列新型CAD方法进行人机对话自动重建精确的几何表面模型.定义结构材料参数后划分网格,并导入有限元计算软件ANSYS9.0中完成三维有限元建模.结果 建立了结构精确的个体化下颌骨正交各向异性的三维有限元模型.结论 基于CT数据和USIS软件的新型CAD方法实现了个体化下颌骨正交各向异性三维有限元模型的建立.     

老年人股骨颈骨折股骨头置换术中短柄假体的有限元分析

目的针对老年人股骨颈骨折后假体置换术,使用有限元分析的方法对股骨短柄假体与常规股骨假体的生物力学特性进行对比。方法利用薄层CT资料建立股骨三维有限元模型,利用我院股骨中空多孔股骨假体相关参数建立两种髋关节股骨假体三维有限元模型;应用Ansys 5.7有限元分析软件考察两种假体植入后的应力分布,并进行比较。结果短柄假体所受最大mises应力较常规股骨假体明显减小;力学传导模式仍为远端应力集中,最大mises应力仍出现在张力侧。结论老年人股骨颈骨折关节置换术中短柄假体力学特性优越。     

胸腰椎压缩性骨折经椎体后凸成形置入新型人工合成骨与骨水泥填充物的生物力学性能分析

 目的 应用三维有限元分析法比较两种材料置入青壮年正常骨质胸腰椎压缩性骨折的生物力学效应。方法 (1)测量两种材料铸件的力学性质;(2)建立青壮年正常骨质胸腰段的三维有限元模型;(3) 模拟L₁椎体后凸成形术后骨水泥强化并进行分析。结果 (1)成功建立正常骨质患者胸腰段三维有限元力学模型;(2)采用两种材料作为填充物均能重建椎体的稳定性,又不显著增加邻近节段椎间盘的应力。结论 新型人工合成骨(GENEX)未来可以作为治疗青壮年正常骨质胸腰椎压缩性骨折的一种理想的填充材料。     

Automated segmentation of necrotic femoral head from 3D MR data.

Segmentation of diseased organs is an important topic in computer assisted medical image analysis. In particular, automatic segmentation of necrotic femoral head is of importance for various corresponding clinical tasks including visualization, quantitative assessment, early diagnosis and adequate management of patients suffering from avascular necrosis of the femoral head (ANFH). Early diagnosis and treatment of ANFH is crucial since the disease occurs in relatively young individuals with an average age of 20-50, and since treatment options for more advanced disease are frequently unsuccessful. The present paper describes several new techniques and software for automatic segmentation of necrotic femoral head based on clinically obtained multi-slice T1-weighted MR data. In vivo MR data sets of 50 actual patients are used in the study. An automatic method built up to manage the segmentation task according to image intensity of bone tissues, shape of the femoral head, and other characters. The processing scheme consisted of the following five steps. (1) Rough segmentation of non-necrotic lesions of the femur by applying a 3D gray morphological operation and a 3D region growing technique. (2) Fitting a 3D ellipse to the femoral head by a new approach utilizing the constraint of the shape of the femur, and employing a principle component analysis and a simulated annealing technique. (3) Estimating the femoral neck location, and also femoral head axis by integrating anatomical information of the femur and boundary of estimated 3D ellipse. (4) Removal of non-bony tissues around the femoral neck and femoral head ligament by utilizing the estimated femoral neck axis. (5) Classification of necrotic lesions inside the estimated femoral head by a k-means technique. The above method was implemented in a Microsoft Windows software package. The feasibility of this method was tested on the data sets of 50 clinical cases (3000 MR images).     

A new design for a three-channel surface gradient coil employing a three-dimensional finite element model

A new design of a three-channel surface gradient coil (SGC) is presented. The optimal objective of this design is to minimize parasitic field gradients by modifying the wire arrangement in the individual coils. A 3D finite element (FE) model is employed to analyze the SGC's field predictions. The numerical analysis results of the new SGC design indicate improved field behaviors when compared with those of a previously reported SGC designed by Cho and Yi (J. Magn. Resort. 94, 471–485 (1991)). To confirm the predicted improvement, two G_y (y-axis) gradient coils, based on the old and new designs, have been constructed and installed in a General Electric CSI 2 Tesla MRI system with a 15-cm bore. Based on the resulting MR images, the new gradient coil configuration provides more uniform field gradients and less parasitic field gradients, which results in higher quality images than the previously reported SGC design. This paper also demonstrates the remarkable accuracy of the 3D FE simulation model.     

有限接触动力加压接骨板固定股骨干骨折的三维有限元分析

目的探讨有限接触动力加压接骨板固定股骨干横行骨折的生物力学性能,为将来的临床应用提供科学依据。方法通过CT扫描获取股骨的空间结构信息,利用软件建立其三维实体模型,采用三维反求技术获得有限接触动力加压接骨板的三维模型。模型装配后,采用ANSYS软件模拟在“四点”前后弯曲、轴向压缩和扭转3种不同受力情况下,股骨和有限接触动力加压接骨板的应力分布情况。结果（1）系统在“四点”前后弯曲条件下,股骨螺孔处的最大应力集中于最远端螺孔处;而接骨板应力集中于边缘。（2）系统受到15Nm的扭转载荷时,股骨干骨折线两端螺孔应力分布较均匀,无明显应力集中现象;而接骨板应力集中于靠近骨折线的中间两个螺孔处。结论在“四点”前后弯曲、轴向压缩和扭转3种载荷下,接骨板上应力集中的区域位于板边缘或者中间,而股骨的应力都集中在骨折位点中问的螺孔或最远的两个螺孔处。     

Measurement of an intact knee kinematics using gait and fluoroscopic analysis

A method has been introduced in this paper to measure the kinematics of a knee joint and to use it as a boundary condition to model the knee’s mechanical behaviour. A mobile C-Arm fluoroscopy system (Ziehm Vision R) and a CCD camera were used for the measurement of a patient’s knee kinematics. The fluoroscopic images were recorded with 12 fps and then sent to Matlab software (Mathworks, Natick, MA, USA) for image processing. In parallel, CT scan images of the knee bones were used to create the 3D anatomical geometry of the knee by aid of Mimics software (Materialise NV). However, the geometrical model of the two medial and lateral menisci was generated from MRI data. The 3D geometrical model of the knee was then sent to Abaqus finite element software (Simulia Dassault Systems) to analyse the knee joint contact loads by introducing the boundary condition which was obtained from fluoroscopic images. The finite element model was used to evaluate the stress distribution on the cartilages during the gait. The result was then compared with the experimental data of gait analysis. The comparison between the results showed a close agreement between the two outcomes.     

＂阶梯式形变＂多曲方丝弓有限元建模方法分析

目的 建立＂阶梯式形变＂多曲方丝弓（MEAW）三维有限元模型,为分析MEAW应力应变的变化提供良好平台.方法 应用Auto-CAD构图软件建立MEAW的几何模型,利用ANSYS软件进行实体单元网格划分,定义初始条件、边界情况,确定材料属性.结果 成功建立＂阶梯式形变＂MEAW三维有限元模型.结论 利用Auto-CAD软件和ANSYS软件建立了＂阶梯式形变＂MEAW三维有限元模型,方法简单、容易操作且省时,有限模型的建立为研究分析其应力应变的变化提供了较好平台.     

构建国人头颈三维有限元模型

目的研究构建国人头颈三维有限元模型。方法依据正常国人头颅CT、MRI断层扫描图像，识别确定重建对象，对皮肤、颅骨采用灰度阈值法、轮廓跟踪算法及B样条曲线拟合法进行自动重建；对其他结构采用人机对话方式提取边界关键点，进行重建实体。定义结构材料参数后划分网格。筛选相邻体积交接面节点，粘连节点完成建模。结果完成包含皮肤、颅骨、硬膜、静脉窦、脑灰白质、脑干、小脑、脑室系统、颈椎及颈髓的国人头颈三维有限元模型。模型单元及节点数分别为168733，80535，总质量约5．14kg。结论利用医学影像资料，采用轮廓跟踪算法等数字图像技术可半自动实现人颅脑复杂结构的三维重建。