不同材料赋值下股骨静力学有限元模型的力学仿真分析

文题释义： 材料赋值：由于人体骨骼结构复杂,由骨膜、皮质骨和松质骨构成,并且不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法。 股骨模型材料赋值：给股骨分配不同的材料属性成为建立个性化有限元模型的基本步骤,而且材料属性分配将对分析结果产生很大的影响。但是目前有关不同赋值方法对人体骨科生物力学仿真分析研究的影响还很少有全面系统的研究。 背景：不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法,而材料属性分配将对生物力学分析结果产生很大的影响。 目的：采用不同的材料属性赋值方法建立3种股骨有限元模型并进行有限元仿真分析,探究不同材料赋值方法对股骨有限元生物力学仿真分析的影响。 方法：采集志愿者股骨CT扫描数据,以DICOM格式文件导入Mimics医学影像处理软件重建股骨模型,对模型分别赋予3种不同的材料属性,即均一材料赋值、皮-松质骨赋值和灰度赋值,并将模型导入有限元分析软件Abaqus 6.14中,设置相同的载荷和边界条件进行应力及位移分析。 结果与结论：①3种股骨模型的应力输出结果相差不大,且均在合理范围内;②但是均一材料赋值股骨模型与皮-松质骨赋值股骨模型的最大应力主要分布于股骨干部位,而灰度赋值股骨模型的最大应力分布在股骨颈处,这也与现实状态下股骨骨折部位主要出现于股骨颈部位所吻合;③皮-松质骨赋值模型和灰度赋值模型输出的位移值基本一致;而均一材料赋值的股骨模型位移值最小,并且与其他2种模型位移量相差40%左右;④提示灰度赋值的方法能够较好地反映人体股骨的生物力学特性,从而可以更准确地模拟真实股骨的生物力学特征,这也为骨科生物力学进行有限元仿真建模提供了重要理论依据。 ORCID: 0000-0001-5075-7333(颜继英) 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     

正常与骨质疏松髋关节模型的建立及有限元分析

背景：骨密度是临床上判断骨骼强度的金标准，但骨密度对骨量变化的敏感较低，只有骨量明显降低时骨密度才会出现大幅变化，故骨密度对骨强度变化和骨折危险度的预测能力有限。目的：建立正常与骨质疏松髋关节模型，分析单腿站立工况下正常及骨质疏松患者髋部应力及形变情况。方法：选择1例健康成年女性志愿者为研究对象，年龄36岁，获得该志愿者的髋部CT数据并以DICOM格式保存。对髋关节模型进行三维重建，通过灰度赋值法赋予材料属性，按照经验公式，获得正常与骨质疏松髋关节模型。设定相同的边界条件和载荷，模拟单腿站立位状态下正常与骨质疏松髋关节应力及形变情况。结果与结论：(1)在正常及骨质疏松髋关节有限元模型中，股骨颈内侧区域应力分布较为集中；(2)在髋骨中，应力分布主要集中于髋臼上部；(3)正常髋关节模型比骨质疏松性髋关节模型在股骨颈内侧、髋臼上部的应力峰值大，可能是由于骨质疏松性骨骼骨强度降低导致；(4)正常及骨质疏松髋关节模型的Von Mises峰值都集中于股骨颈内侧，髋骨Von Mises峰值较小，说明骨质疏松对髋骨受力整体影响相对较小；(5)单腿站立位下形变方面，正常髋关节模型最大形变位于髋臼与股骨头...     

基于CT灰度值赋值的股骨头坏死有限元模型对比

文题释义： CT灰度值赋值：此赋值法利用CT灰度的不同,将组织划分为不同的等级材料,利用数学公式将CT灰度值与弹性模量进行转换运算,将不同骨组织材料进行相应赋值,能够较真实的体现骨组织内部的复杂情况,使模型更加准确。 股骨头坏死应力集中：正常股骨头内应力延压力性骨小梁均匀分布在股骨头内,坚硬的股骨距承受大部分应力。股骨头坏死的应力因坏死区骨小梁的断裂、硬化带及肉芽带的形成无法均匀传导下行,股骨头负重区、坏死区应力分布不均匀出现多个应力集中区域,与正常股骨头不同的是,应力分散于股骨颈内外侧。 背景：目前研究股骨头有限元模型多采用单例或较少样本建模用于特定的生物力学研究,对于模型稳定性研究不多。 目的：以正常股骨头和股骨头坏死建模进行多样本的模型对照,通过应力分布规律和力学参数的对比,分析模型的准确性和稳定性,为股骨头坏死塌陷防治提供力学基础。 方法：选择20髋经1年非手术治疗稳定未塌陷的股骨头为实验组,20髋单侧股骨头坏死患者的健侧设为正常组。采集股骨头CT数据分别建立有限元模型,观察正常股骨头与股骨头坏死应力分布、股骨头负重区最大等效应力与最大总形变量,对比并统计分析。研究方案经中国中医科学院望京医院医学伦理委员会批准,患者签署知情同意书。 结果与结论：①建立了正常股骨近端、无坏死股骨近端和坏死骨有限元模型,单元数和节点数分别为       502 568±114 196、692 608±154 678,449 954±125 824、623 311±171 401,19 133±13 167、27 577± 19 131;②模拟单足站立位进行载荷设定的云图显示：当施以体质量2.5倍压强作用于股骨头负重区表面时,正常股骨头负重区表面应力均匀,应力延压力性骨小梁均匀分布在股骨头内,股骨距承受大部分应力;股骨头坏死负重区表面及坏死区出现应力集中区域,头内应力分散于股骨头颈交界,股骨颈内外侧应力相当,且股骨头坏死产生的形变多于正常股骨头;③股骨头坏死与正常股骨头的负重区最大总形变量分别为(4.14±1.31),(1.36±0.22) mm,最大等效应力分别为(1.94±0.77),(0.75±0.19)MPa,差异有统计学意义(P < 0.05),且两组数据偏于集中,模型稳定性较好。通过多样本的正常股骨头与股骨头坏死比较,证明了基于CT灰度值直接赋值反映了股骨头坏死的实际力学特性,具有较好的准确性和稳定性。ORCID: 0000-0001-5227-532X(薛志鹏);0000-0003-0831-1201(陈卫衡) 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     

股骨有限元模型材料属性分配梯度的优化分析

优化分析股骨有限元模型材料属性分配梯度,从而得到相对准确且经济的划分层数,为CT灰度值赋值法在医学有限元研究领域的应用奠定理论基础。首先选取1名成人志愿者的股骨进行CT密扫,将获取的DICOM格式CT序列医学图像数据输入Mimics中,并建构出3D渲染模型。在此基础上通过SolidWorks对模型实体化,导入HyperMesh进行体网格划分,再返回Mimics中,选择2、4、5、10、50、100、200、400层等8种梯度进行赋材质,最后将有限元模型在ABAQUS软件中设定工况,并实施仿真分析;同时构建股骨近端有限元模型,通过与文献数据对比分析来验证其有效性。结果表明,研究所构建的股骨有限元模型的应力、应变水平与有关文献的实验结果一致,其有效性得到充分验证。在材料属性分配梯度的优化分析中,2、4、5、400层材料属性时的应力与其他层材料属性相比具有显著性差异(P＜0.05),同时这4组材料属性之间的应力也具有显著性差异(P＜0.05),而10、50、100、200层的材料属性间应力则没有明显的结果偏差。10层材料属性既能提高运算速度,节省运算量,又能保证运算结果的精准性;CT灰度值赋值法适用于临床个体化快速有限元仿真分析。     

基于CT图像的股骨上段有限元建模及单元尺寸分析

目的基于CT图像构建5个不同的股骨上段有限元模型,并分析模型单元尺寸对股骨模型材料属性分布以及生物力学性能的影响。方法利用螺旋CT扫描股骨上段并以DICOM格式输出图像文件,利用Mimics软件提取三维几何文件,分别使用Mimics、3-Matica、ICEM软件生成体素网格模型、四面体网格模型和3个六面体网格模型(单元尺寸分别为2、1和0.5 mm),在Mimics中对网格文件进行材料赋值,将最终的有限元模型导入ABAQUS中进行力学行为分析。结果单元尺寸对5个模型总质量影响较小,5个模型沿相同路径上节点处Von Mises应力和节点位移整体变化趋势一致,但是各个节点处Von Mises应力误差较大,单元尺寸为0.5 mm的六面体网格模型与体素网格模型各节点处Von Mises应力值接近。结论基于CT灰度值进行材料赋值时,单元尺寸对模型的总质量和节点位移影响较小,但是单元尺寸的减小将导致模型中各材料含量和分布的改变,引起应力分布的变化。当模型单元尺寸与体素尺寸接近时,能较好反映股骨的质量分布和力学行为。     

压配型髋臼假体置换后骨性髋臼的微有限元分析

目的探讨压配型髋臼假体置换术后骨性髋臼皮质骨和松质骨的骨小梁应力分布模式及松质骨是否参与承载负荷。方法应用显微CT扫描骨性髋臼的骨小梁,建立骨性髋臼的三维微有限元模型。计算压配型髋臼假体置换后骨性髋臼骨小梁的应力和应变,分析骨性髋臼骨小梁应力、应变的生物力学特征。结果当压配型金属髋臼假体植入髋臼后,骨性髋臼外表面的最高应力区位于耻骨区,最高应力为1.389 MPa。在臼顶区,高应力区的面积最大。在骨性髋臼内部的松质骨,高应力区主要分布在臼顶区,分布区域相对较广。当施加1.372 k N载荷后,骨性髋臼外表面面积较大高应力区位于臼顶区域和耻骨区域,臼顶区的最高拉应力为0.604 MPa,耻骨区骨小梁出现微损伤。在骨性髋臼内部的松质骨,面积较大高应力区主要分布在臼顶区和耻骨区。结论高应力区沿着骨性髋臼外表面呈现3点式环形分布,集中分布于耻骨区、坐骨区、臼顶区;髋臼内部松质骨骨小梁通过形变导致应力分布更加均匀。髋臼松质骨具有承受载荷功能。     

不同材料属性赋予下椎体的静力学分析

背景:人体骨骼具有非线性强、骨质分布不均匀等特点,不同的弹性模量赋值导致静力学结果差异性大.目的:分析3种材料属性赋予方法在椎体数值模拟分析中的差异性.方法:基于逆向工程原理,通过图像分割建立腰椎L4、L5及椎间盘模型,对椎体模型赋予3种材料属性:①灰度值赋值:通过Mimics利用灰度值进行梯度赋值;②均质及灰度值混合...     

腰椎椎体有限元建模的最优单元尺寸和材料属性分布及建模方法

目的研究人体腰椎椎体有限元建模中有限元的单元尺寸和类型、松质骨材料属性分配方式以及皮质骨结构模拟方法对有限元结果的影响。方法基于定量CT扫描人体腰椎的影像,采用6种不同的单元尺寸(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm)、2种松质骨材料属性分配方法、2种松质骨非均匀材料属性分配梯度(150、300)、2种皮质骨结构建模方法,建立22个去除后部结构的腰椎L2段椎体有限元模型,计算获得22个有限元模型的最大位移、应变能、平均应力、轴向刚度,并对这些结果进行统计分析和验证。结果单元尺寸为0.5 mm时,10、150、300三种非均匀材料属性分配梯度下,模型的轴向刚度值出现明显差异;不同单元尺寸下,松质骨在150种非均匀材料属性分配梯度下,模型的平均应力波动变化平缓;利用最外层六面体单元模拟皮质骨结构方法,其平均应力大于利用在最外层添加蒙皮(skin)模拟皮质骨结构方法。结论在进行腰椎椎体有限元建模时,选取0.5 mm尺寸的六面体单元、为椎体松质骨分配150种非均匀材料属性、利用最外层六面体单元模拟椎体皮质骨结构的建模方法,建立的有限元模型更加合理和有效。研究结果为后续大批量、个体化腰椎椎体模型的建立奠定基础。     

髋臼假体放置角度对髋臼周围应力分布的影响

目的研究全髋关节置换(total hip arthroplasty,THA)髋臼侧重建中不同髋臼假体安放角度对髋臼周围内外应力分布的影响,探索提高THA术后髋臼假体稳定性的方法。方法基于材料属性的非均匀赋值模型和由不同髋臼假体前倾角(15°,20°,25°)与外展角(40°,45°,50°)的9种组合方式构建包括正常髋模型在内的10种有限元模型,并以正常步行模式单支撑相中的髋关节最大接触力为载荷条件进行求解。以正常髋模型分析结果为对照,按照从定性到定量原则对比分析各模型的内外应力。结果当髋臼假体的放置角度与正常髋臼的解剖角度(前倾19°、外展46°)最接近时,髋臼周围的应力遮挡现象最明显。此外,当髋臼假体的外展角放置于45°,前倾角在15°~25°变化不会对模型整体应力分布造成较大的影响;而且在15°前倾角条件下,模型不仅在应力分布方面具有良好稳定性,同时在皮质骨和松质骨上应力遮挡现象相比于处于正常髋臼解剖角度时明显改善。结论对于髋臼的正常解剖形态未发生明显改变且需要接受THA手术的患者,应把髋臼假体放置在正常外展角45°,而前倾角应小于正常解剖前倾角5°左右并居于15°~20°之间。     

骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯的三维模型仿真分析

文题释义： 骨小梁结构：骨组织包括皮质骨和松质骨，松质骨由一系列小梁骨组成。骨小梁在人体内分布广，呈疏松多孔的网状结构，骨的这种结构使得骨能够承受来自各个方向的载荷，并将载荷分散化，减少集中载荷对骨的不良影响。 有限元分析：有限元分析是一种数值分析方法，它的根本思想是离散化。即利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，所以，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径。 背景：髋关节置换是治疗股骨头坏死、骨性关节炎、髋关节发育不良以及老年股骨颈骨折等髋关节疾病最有效的方法，因此有必要对髋关节置换的生物力学行为展开研究。 目的：采用有限元仿真的方法模拟髋关节置换后骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯模型的接触应力和米氏应力大小和分布情况，分析其对假体及髋关节的影响。 方法：通过3-Matic Research 11.0软件设计了2种不同结构的髋关节假体组件模型：骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯模型。并将设计好的模型经Hypermesh 14.0软件划分网格并赋予材料属性，最后导入有限元分析软件Abaqus 6.13软件中仿真分析，比较相同状态下2种髋臼杯的应力值和应力分布情况。 结果与结论：骨小梁结构髋臼杯的应力呈散点状分布，分布范围广。实体结构髋臼杯容易出现应力集中现象，应力分布集中在受力点附近。骨小梁结构髋臼杯相对于实体结构髋臼杯而言，应力分布范围更大，应力分布更均匀，从而可以减轻髋关节假体之间的磨损，降低髋关节假体发生无菌性松动的风险。 ORCID: 0000-0003-4612-6111(王晖) 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     

有限元分析髓芯减压并同种异体植骨治疗股骨头缺血性坏死的生物力学改变

目的:分析髓芯减压并同种异体植骨治疗早期股骨头缺血性坏死的临床应用。方法:选取收治的1例早期股骨头缺血坏死男性患者,入院后术前对患侧股骨头行多层螺旋CT扫描,然后将CT扫描的图片资料导入专业的有限元分析软件,建立股骨头缺血坏死的有限元模型,在有限元模型上模拟进行髓芯钻孔减压术,隧道植入骨块到软骨下骨约0~6 mm处,自体松质骨夯实。双足站立位为股骨头的模拟受力体位,髋关节的负荷条件为:外展肌合力M、髂胫束力T以及髋关节接触力J分别为1 060、1 721、1 621 N,选取90°、120°以及150°的坏死角度,分别计算未处理过的股骨头坏死模型的塌陷值、行单纯髓芯减压以及行髓芯减压加植骨时的塌陷值。结果:股骨头的正常骨质杨氏模量高于坏死骨的杨氏模量,正常骨质的横向变形系数低于坏死骨。行股骨头髓芯钻孔减压术后,股骨头的塌陷值显著增加,而减压隧道植入同种异体骨后,其塌陷值显著减低,但高于正常的股骨头。同时,由于股骨头坏死角度的增加,其塌陷值也明显增加。结论:髓芯钻孔减压并同种异体植骨术能有效增进坏死区的骨质修复,加强减压通道所致股骨头支撑结构的改变,防止股骨头关节面的塌陷。     

Stresses in the normal pelvis

This paper deals in the stresses in the hip bone as a result of the forces in the muscles and ligaments acting on it. The finite element method is employed and stresses during standing on one leg stance are presented. Goodman's type joint element is used to represent the thin layer of compact bone. The analysis predicts that the maximum stresses (of the order of 0.57M_B MPa) occur in the acetabulum region and the ilium is a region of comparatively low stresses. Possibly it is the first attempt to determine stresses theoretically.     

A three-dimensional finite element analysis of the human hip

Abstract

A three-dimensional hip model was created from the MRI scans of one human subject based on constructing the entire pelvis and femur. The ball and socket joint was modelled between the hip’s acetabulum and the femoral head to analyse the multiaxial loads applied in the hip joint. The three key ligaments that reinforce the external surface of the hip to help to stabilise the joint were also modelled which are the iliofemoral, the pubofemoral and ischiofemoral ligaments. Each of these ligaments wraps around the joint connection to form a seal over the synovial membrane, a line of attachment around the head of the femur. This model was tested for different loading and boundary conditions to analyse their sensitivities on the cortical and cancellous tissues of the human hip bones. The outcomes of a one-legged stance finite element analysis revealed that the maximum of 0.056?mm displacement occurred. The stress distribution varied across the model which the majority occurring in the cortical femur and dissipating through the cartilage. The maximum stress value occurring in the joint was 110.1?MPa, which appeared at the free end of the proximal femur. This developed finite element model was validated against the literature data to be used as an asset for further research in investigating new methods of total hip arthroplasty, to minimise the recurrence of dislocations and discomfort in the hip joint, as well as increasing the range of movement available to a patient after surgery.     

基于CT图像的长管骨有限元材料属性研究及实验验证

目的探讨经酒精处理的新鲜人体长管骨个性化材料属性定义的方法,以及骨骼材料数目对有限元结果的影响。方法利用断层扫描CT图片,在Mimics中建立股骨干三维实体模型,然后导入Hypermesh中分割成皮质骨、松质骨以及骨髓;根据相关经验公式分别赋于皮质骨和松质骨的材料参数,设置5组材料数目的不同仿真组;在Abaqus中进行线弹性阶段的压缩实验仿真,并进行体外验证实验。结果端部位移在0～1 mm时,松质骨材料数目为1种,皮质骨材料数目大于10种的整体力-位移有限元仿真结果与实测数据平均相对误差在10%左右;骨干的测量点变形量的有限元结果与实测数据相对误差为14.6%。在小位移下0～0.5 mm时1,种皮质骨材料的整体力-位移的仿真结果与实测数据误差为2.83%。结论 (1)利用CT图片灰度值,可以精确定义骨骼各成份的材料属性;(2)皮质骨材料数目设定对有限元仿真结果影响较大,将皮质骨设定10种即可满足有限元分析需要;(3)小变形时,1种材料的皮质骨就能满足分析要求。     

步态周期中髋关节软骨应力分布对弧形髋臼周围截骨手术的影响

目的 研究在完整步态周期受力环境下髋关节周围软骨的应力分布情况,探求弧形髋臼周围截骨术（curved periacetabular osteotomy, CPO）术中所截骨块的最佳矫正角度,为临床手术提供理论依据。方法 利用CT扫描获取1名髋关节发育不良（development dysplasia of hip, DDH）患者和1名健康志愿者骨盆及股骨近端DICOM数据,构建三维有限元模型。采用划分蒙罩的方法区分皮质骨和松质骨,并为有限元模型赋予材料属性。对DDH模型模拟CPO,调整外侧中心边缘角（lateral center edge angle, LCEA）和前方中心边缘角（anterior center edge angle, ACEA）,共得到100个不同的术后模型。根据完整步态周期中的髋关节受力情况为模型分别施加载荷,分析对比术前、术后和正常髋臼软骨的受力变化。结果 DDH模型模拟术后髋臼软骨在完整步态周期中脚跟落地相、开始单腿支撑相、单腿支撑中期相、单腿支撑结束相、双腿支撑相的最小接触应力峰值分别为5.273、6.128、7.463、6.347、6.582 MPa,分别比术前减少了2.159、2.724、2.249、2.164、2.119 MPa;术后头臼接触面积较术前明显增加,但仍小于正常志愿者。结论 利用有限元方法可以得到LCEA和ACEA的最佳矫正角度,对不同患者模拟CPO手术对提高手术精准度和手术效率具有重要意义。     

Finite Element Analysis of the Multiple Drilling Technique for Early Osteonecrosis of the Femoral Head

We used finite element (FE) method to investigate the effect of the drilling number and entry location of holes used in the multiple drilling technique on the stress and strain state in femur. Different three-dimensional FE models of a human hip joint with or without multiple drilling were fabricated using computed tomographic images obtained from the hip joint of a cadaver. The analysis technique was evaluated in a compression test using the cadaver specimen and FE analysis for the test using an FE model of the specimen. Von Mises stresses, principal stresses, and principal strains in the cancellous and cortical bone were calculated by using the different models, and changes in these values in relation to drilling number and entry hole locations were evaluated. Calculated peak values were much smaller than the yield strength, tensile strength, and yield strain of the cancellous and cortical bone for all cases of multiple drilling. Our results support that the multiple drilling technique for osteonecrosis of the femoral head is a stable operation technique.     

股骨下端松质骨横向与纵向的蠕变特性

比较股骨下端松质骨横向和纵向取样的蠕变特性,为临床提供股骨下端松质骨的生物力学参数。取10个股骨下端标本,每个标本加工成长20 mm,宽20 mm,高20 mm的试样一个,共10个试样进行纵向蠕变实验。蠕变实验的应力增加速度为0.01 MPa/s,设定实验时间为7 200 s,采集100个实验数据。股骨下端松质骨纵向试样7 200 s蠕变量为0.26%,横向试样7 200 s蠕变量为0.33%。蠕变曲线是以指数关系变化的。股骨下端松质骨横向7 200 s蠕变量大于纵向。股骨下端松质骨横向和纵向具有不同的蠕变特性,其为各向异性粘弹性材料。     

Stress Analysis and Shape Design of a Femoral Hip Prosthesis

Objective: To study the stress distribution of the femoral hip prosthesis after the hip joint replacement. Methods: After the hip joint replacement, when the femur and prosthesis are considered as concentric cylinders with perfectly banded interface, a relatively perfect theoretical model of simulating the interfacial stress transfer is established. Results: The maximum interfacial shear stress occured at Z=0. At the cross-section of the femoral neck, interfacial shear stress decreased exponentially with the increases of the Z. Shear stress became very small at Z＞0.1 m, which meant that the shear stress at the far end of the femoral hip prosthesis was very small. In order to avoid the stress concentration and femoral hip prosthesis sinking, interfacial stress must remain constant and balanced with the pressure load at Z=0. The radius of the femoral hip prosthesis changed with interfacial shear stress. The maximum value of the radius occured at Z=0, then it decreased at m. Specially, a=18.2 mm at Z=10 mm, a=5.36 mm at Z=98 mm, these are ideal radius. Conclusion: A theoretical model of simulating the interfacial stress is established when the femur and prosthesis are considered as concentric cylinders. The distributions of the interfacial shear and radial stresses with the axial positions are obtained. A theoretical reference for the design of the prosthesis is provided.