不同致伤条件下人下颌骨投射伤计算机仿真模拟和对比分析

目的：利用有限元数字模拟技术动态仿真不同致伤条件下人下颌骨颏部投射伤动态致伤过程,通过生物力学分析探讨下颌骨投射伤致伤机制。方法建立人下颌骨投射伤三维有限元模型,动态模拟在不同致伤条件下（高、中、低三种投射速度）投射物致伤下颌骨颏部的动态过程,对模拟结果进行生物力学对比分析。结果成功模拟不同致伤条件下人下颌骨投射伤动态致伤过程,模拟结果逼真,投射速度越高,下颌骨损伤更为严重。结论利用数字模拟技术可以有效地仿真下颌骨投射伤,为口腔颌面部战创伤基础研究、临床救治提供参考和指导。     

人下颌骨颏部正中位置枪弹伤的有限元动态模拟及分析

目的采用有限元方法建立颌面部枪弹伤模型,并对人下颌骨颏部正中位置枪弹伤的致伤过程及损伤程度进行动态模拟和分析,探讨建立人下颌骨枪弹伤模型的新方法。方法在以往动物实验建模方法及内置参数的基础上,利用数字化人下颌骨的CT扫描数据建立人下颌骨的三维有限元模型;动态模拟不同投射条件下下颌骨颏部正中位置枪弹伤的发生过程;计算不同投射物以不同初速度及不同角度入射后的终末速度及其穿出下颌骨后的能量损耗数值及能量损耗率;并对所得数据进行比较分析。结果成功模拟了2种投射物以3种初速度及3种入射角度击伤人下颌骨颏部正中位置的动态过程及下颌骨受损伤后各部位的应力分布情况。对模拟数据进行计算后分析发现,致伤条件不同,下颌骨受损伤的严重程度及投射物的致伤效率也不同。结论运用有限元的方法可动态模拟人下颌骨颏部正中位置枪弹伤的致伤过程,并对相关数据进行比较分析,以研究不同致伤条件下下颌骨受损伤的严重程度及投射物的致伤效率。     

人下颌骨枪弹伤的三维有限元建模与数值分析

目的利用计算机辅助工程技术,动态仿真不同入射角度子弹侵彻三维下颌骨模型过程。方法对正常志愿者颌面部进行薄层CT扫描,将获得的下颌骨数据以DICOM标准通过Mimics软件进行三维实体重建,在LS-DYNA软件中模拟7.62 mm弹丸以不同入射速度(713.8、1 400 m/s)和不同入射角度(90°、67.5°、45°)致伤下颌骨模型过程。结果建立了形态细致逼真、相似性好的人下颌骨三维有限元模型,成功模拟了人下颌骨弹丸的致伤过程,当7.62 mm弹丸入射角度一致时,入射速度越大,撞击能量越大;当入射速度一致,入射角度为45°组的致伤能量明显高于90°及67.5°组。下颌骨枪弹伤模型出口面积大于入口面积。结论薄层CT、DICOM标准的应用使得有下颌骨限元模型的建立更为精确,利用有限元仿真技术动态模拟人下颌骨弹丸致伤的方法是可行的。     

下颌骨撞击试验与有限元分析

目的 利用MTS-858生物材料试验机进行下颌骨撞击试验和三维有限元分析方法揭示下颌骨骨折生物力学机制.方法 根据Hanau合架原理,3例标本分别制备成下颌骨撞击模型,MTS-858生物材料试验机进行下颌骨颏部水平方向撞击试验.人体下颌骨标本利用激光三维扫描系统获得下颌骨模型,有限元软件ANSYS7.0分析.结果 3例标本均在颏部骨折,下颌骨颏部撞击力峰值为(2151.10±125.18)N;响应时间为(17.3±2.3)ms.ANSYS动态显示下颌骨颏部受到撞击后下颌骨内部的应力变化,颏部撞击点应力最大,应力变化曲线显示在颏部距上缘1.92 cm处出现峰值,最大应力为3201.35 kPa.结论 下颌骨撞击试验和三维有限元方法结合量化了颏部受力下颌骨骨折的有关参数,为揭示任意合位下颌骨撞击下颌骨骨折的生物力学机制奠定基础.     

髋臼骨结核三维有限元模型建立及力学分析

目的：建立人体髋臼骨结核三维有限元模型,探讨其生物力学变化。方法：通过正常髋关节CT数据,利用Mimics软件和ANSYS有限元软件,建立正常髋关节及髋臼结核三维有限元模型,进行加载分析髋关节各主要部分峰值Von Mises应力变化。结果：通过加载分析结果显示,髋臼顶部、髋臼中心部、髋臼前部、髋臼后部骨结核与正常髋关节相比,髋臼软骨下骨峰值Von Mises应力依次增加84%、3%、21%、67%;髋臼软骨峰值Von Mises应力,依次增加31%、17%、20%、28%;股骨头软骨峰值Von Mises应力,依次增加30%、17%、6%、23%;股骨头软骨下峰值Von Mises应力,依次增加15%、7%、1%、11%。结论：髋臼骨结核可导致髋关节各部分生物应力分布改变。     

具有解剖基下颌的人头模型撞击损伤的有限元研究

目的 建立具有解剖基下颌的人体头部有限元模型。探讨此模型以不同速度正面撞击的响应过程,研究其损伤的生物力学机理。方法 根据人体下颌骨的螺旋CT扫描图像,利用三维重建、图像处理和网格划分技术,建立人体下颌骨的三维有限元模型,通过关节和经过修改的混合Ⅲ型假人头部模型相连接,建立活体下颌骨与混合Ⅲ型假人头结合的人体头部有限元模型。对下颌骨进行初步边界约束,模拟计算此模型以3．6m/s和10m/s速度撞击正前方刚体。结果 下颌骨以3．6m/s速度撞击正前方刚体,下颌骨会以颞下颌关节为轴向后轻微滑动,因而应力上升过程中有一回落,此处为滑动力。应力沿下颌骨外斜线向升支和颞下颌关节传递,髁突及髁突颈部应力有明显集中;下颌骨以10m/s速度撞击时,滑动力不明显,于第4～5ms时应力回弹、反射明显导致应力叠加。活体下颌骨与混合Ⅲ型假人头结合,可对下颌骨进行边界约束。在喙突(颞肌)边界约束条件下,喙突应力亦有一定改变。结论 (1)髁突及髁突颈部相对于下颌骨体其骨结构的横截面积陡然减小,骨结构的横截面积陡然减小的区域出现应力集中;(2)撞击过程中下颌骨以髁突为轴向后轻微滑动,造成此处较强的应力有集中;(3)应力回弹、反射导致应力叠加,这是下颌骨撞击损伤的生物力学机制之一。与临床下颌骨正面撞击所造成的骨折部位完全吻合。     

活体下颌骨与HYBRIDⅢ假人头结合模型撞击损伤的有限元研究

目的：建立活体下颌骨与HYBRIDⅢ假人头结合的人体头部有限元模型。探讨下颌骨正面撞击时响应过程，研究其损伤的生物力学机制。方法：根据人体下颌骨的螺旋CT扫描图像，利用三维重建、图像处理和网格划分技术，建立人体下颌骨的三维有限元模型。根据颞下颌关节的解剖结构及其力学特点，将已建立的下颌骨模型通过关节和经过修改的HYBRIDⅢ假人头部模型相连接，从而建立活体下颌骨与HYBRIDⅢ假人头结合的人体头部有限元模型，对下颌骨进行初步边界约束。模拟计算此模型在下颌骨正中撞击正前方刚体试验。结果：下颌骨正中撞击正前方刚体，下颌骨会以颢下颌关节为轴向后轻微滑动，因而应力上升过程中有一回落，此处为滑动力。应力沿下颌骨外斜线向升支和颞下颌关节传递，髁突及髁突颈部应力有明显集中。骨结构的横截面积陡然减小的区域出现应力集中。在喙突(颞肌)边界约束条件下，喙突应力亦有一定改变。结论：髁突及髁突颈部相对于下颌骨体其骨结构的横截面积陡然减小，同时下颌骨以髁突为轴向后轻微滑动，造成此处较强的应力有集中。从理论上，这可能是下颌骨撞击损伤的生物力学机制之一。由于将活体下颌骨与HYBRIDⅢ假人头结合，有助于对下颌骨进行边界约束。     

下颌骨在撞击载荷作用下的应力分布

目的：探讨撞击载荷作用时下颌骨不同结构的应力分布规律、应力集中区域,为研究下颌骨撞击损伤的生物力学机制提供参考依据．方法：建立下颌骨三维有限元模型,在人尸体下颌骨撞击实验的基础上,分析下颌骨不同结构的受力规律．结果：①撞击颏部,其舌侧区,磨牙后区内侧面、髁状突颈外表面以及下颌角外表面具有较高的张应力;②撞击下颌体部,颏部舌侧区,对倒磨牙后区内侧面、对侧下颌角外表面、撞击侧下颌角外侧面、撞击侧体部内侧面具有较高的张应力;③撞击下颌角,其内侧面、撞击侧髁状突颈内侧面、颏部舌侧面、对侧髁状突颈外表面以及撞击侧磨牙后区内侧面具有较高的张应力．结论：下颌角、髁状突颈部、下颌体部、磨牙后区是下颌骨撞击损伤的好发部位,骨折部位与撞击部位间有一定相关关系．     

Forsus矫治力前导下颌有限元仿真及最佳施力角度探讨

目的 研究在Forsus矫治力作用下下颌骨的应力分布情况和位移分布情况,探讨最佳的施力角度,为临床设计新的矫治器提供生物力学基础.方法 选择临床恒牙(牙合)安氏Ⅱ类远中错(牙合)志愿者,运用螺旋CT扫描技术及三维影像技术完成初步重建,利用Abaqus软件建立下颌骨、牙列和弓丝托槽的三维有限元模型,并在此基础上模拟临床Forsus施力部位加载,并设计了 5种不同的计算工况.结果 在5种工况下,弓丝托槽和牙列上的Von Mises等效应力水平相对于下颌骨较高,最大应力出现在弓丝托槽.下颌骨上的应力集中主要位于髁突颈和牙槽嵴部位,下颌骨上最大的Von Mi-ses等效应力出现在髁突颈处,下颌骨最大的位移都基本出现在颏部,髁突颈局部发生了塑性变形.结论 Forsus矫治力的加载角度最好为0°～25°.     

肘关节有限元模型模拟碰撞损伤的生物力学特性分析

目的 利用有限元法建立肘关节的三维有限元模型,动态模拟肘关节以不同角度撞击地面,分析肘关节的生物力学特性.方法 选取1名健康青年男性志愿者,肘关节屈曲90°行CT扫描,应用Mimics、Geomagic、UG、Hypermesh等软件对所得数据进行三维重建,建立肘关节的三维有限元模型;在Abaqus软件中模拟肘关节以不同角度(前臂与地面呈30°、60°、90°)撞击地面时,计算骨皮质破裂的临界速度及显著破裂时的速度,分析应力传导及其大小、分布等的变化规律.结果 肘关节屈曲90°状态发生正面碰撞时应力传导主要集中在肱骨髁、肱骨滑车及尺骨鹰嘴等部位,而桡骨头应力传导较小;当肘关节与地面撞击(前臂与地面分别呈30°、60°、90°)时,骨皮质破裂临界速度分别为11.4、9.3、13.8 m/s;前臂与地面分别呈30°、60°撞击,撞击速度分别达15.0、13.0 m/s时,尺骨鹰嘴呈粉碎性骨折;前臂与地面呈90°撞击,撞击速度达18.0 m/s时,肱骨远端呈明显横行骨折.结论 应用有限元建模分析软件构建的人体肘关节有限元模型可用于外力作用下肘关节损伤机制的研究,也可用于肘关节损伤时暴力的大小、速度、方向的推断.     

Establishment of a three-dimensional finite element model for gunshot wounds to the human mandible

ObjectiveTo investigate the feasibility of a finite element model as an ideal research tool for human maxillofacial gunshot wounds.MethodsMandible CT scan data on the Chinese Visible Human were imported into MIMICS software to obtain the surface mesh of the mandible. Then, these surface-meshed models were imported into ANSA software for automatic net generation. Elements and nodes were partitioned on the basis of the mesh to obtain a three-dimensional finite element model for the mandible with every internal parameter consistent with those of our previously developed model in the pig mandible. The finite element model was imported into LS-DYNA for computation. Finally, the LS-POST was used to complete the simulation and the measurements.ResultsA three-dimensional finite element model was successfully established for gunshot wounds in the human mandible. The stress distribution and the degree of injury were simulated dynamically for shots from two types of projectiles in the mandible at one entry angle and at three impact velocities.ConclusionThree-dimensional finite element models will become ideal research tools for treatment of ballistic wounds of the human maxillofacial region. Using this human mandibular model as a foundation, we will be able to successfully develop three-dimensional finite element models for human maxillofacial gunshot wounds.     

胆囊三维有限元力学模型的构建

目的 建立人胆囊三维有限元力学模型,用于胆囊的非侵害性生物力学研究和手术模拟.方法 根据胆囊的解剖学数据,在参数化CAD软件PRO/E中建立胆囊的三维交互式CAD模型,以IGES格式导入到通用有限元分析软件ANSYS中,以20节点SOLID95单元划分几何模型并赋材料属性建立有限元模型.模拟胆囊底受钳夹的工况,分析胆囊在位移载荷下的形变和应力分布.结果 成功建立了具有几何相似性和物理相似性的三维胆囊有限元模型,包含了胆囊底、体、颈结构,共14 520个单元,82 524个节点.模拟胆囊底受钳夹工况时,形变集中在胆囊底顶部区域,而应力集中在胆囊床边缘和胆囊颈与胆囊管部.结论 有限元法可模拟胆囊在手术中的力学响应,可用于胆囊的生物力学研究.     

有限元分析3种单侧颞颌关节强直治疗手术模型双侧髁突表面应力分布的特点

目的:采用三维有限元法探讨正常咬合时正常下颌骨及3种单侧颞颌关节强直治疗手术模型双侧髁突表面应力分布的特点,为临床颞颌关节强直术式选择提供参考.方法:建立正常下颌骨三维有限元模型及3种单侧颞颌关节强直治疗手术模型,对各模型下颌角区及髁突横嵴中点进行固定约束,以各个模型下颌第一磨牙咬合面为承载面,分别向各模型双侧下颌第一...     

儿童"颞下颌关节-下颌骨-颏兜矫治器系统"三维有限元模型的建立

目的：建立儿童“颞下颌关节—下颌骨—颏兜矫治器系统”的三维正交各向同性有限元模型，为模拟研究Ⅲ类错He畸形矫形治疗中，颏兜作用力在下颌骨的应力分布提供基础条件。方法：选择一名颏兜矫治的下颌前突儿童患者，通过CT扫描及图像处理、节点座标的数字化，采用ANSYS5．6软件建立“颞下颌关节—下颌骨—颏兜矫治器系统”模型，设计、模拟颏兜矫治器后牵引下颌的边界约束条件。结果：建立了更接近临床实际应用颏兜情况的三维有限元模型，并可模拟不同工作状况下模型各部分的力学改变，确定了不同后牵引外载荷的加载作用点、方向及大小。结论：利用CT三维影像重建技术与三维有限元方法结合，建立了儿童下颌骨—颏兜三维有限元模型，该模型可用于下颌颏兜矫形应力分布研究。     

采用有限元方法建立和分析枢椎的生物力学行为

目的采取有限元的方法,建立第二颈椎(枢椎)的三维有限元模型,模拟该枢椎模型在外力作用下的生物力学行为,分析枢椎骨折的生物力学条件。方法利用螺旋CT扫描获得健康成年男性上颈椎原始DICOM数据图像,采用Mimics软件对数据进行处理并导入ANSYS软件,得到枢椎骨性结构的三维实体模型。并且此模型上模拟头颅位于中立位、屈曲位及后伸位等条件下,枢椎承受的应力分布状况,分析枢椎可能出现的骨折类型。结果实验所构建枢椎骨性的有限元模型外形逼真,三维网格化后枢椎模型共包含1 717个节点,5 772个单元。模拟结果:头颅在中立、前屈、后伸位时枢椎最大应力集中于齿突基底部,次级应力集中区域为枢椎椎弓峡部;直接于齿突加载力模拟头部过度屈曲时,最大应力集中于齿突基底部。结论头颅位于中立位,屈曲位或者后伸位,枢椎齿突基底部及枢椎椎弓峡部是应力最集中的部位。头部过度屈曲时,齿突基底部是应力最集中的部位。     

脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析

［摘要］ 目的建立正常脊柱腰段三维有限元模型,为生物力学研究及腰椎损伤研究提供可靠模型。 方法采集1名健康成年男性脊柱腰段CT和MRI断层影像数据,应用Mimics软件依据CT数据对全部腰椎骨及骶骨上部进行三维模型重建,依据MRI数据对L1~L5椎间盘髓核进行三维模型重建。将椎骨与髓核进行空间配准,在此基础上建立椎间盘、关节囊和韧带的三维模型。在Ansys中划分网格并定义材料属性,对模型施加运动性载荷模拟脊柱腰段处于前屈、后伸、侧弯和扭转等运动工况下的生物力学特征,验证模型的有效性。 结果建立了完整的脊柱腰段三维有限元模型,包含椎骨、椎间盘、骶骨上端、韧带、关节囊等重要结构,总节点数为104 190个、总单元数为339 165个。模型通过有效性验证,运动工况下的角位移范围和椎间盘的应力分布特点符合腰椎的生物力学特性。 结论本研究建立的三维有限元模型仿真度高,可用于脊柱腰段的生物力学研究以及模拟疾病和手术对腰椎生物力学的影响。