骨盆及髋臼三维有限元模型单元选择及构建生物力学意义

目的:寻求骨盆及髋臼三维有限元模型构建中三维有限元模型单元的选择以及构建,为骨盆、髋臼生物力学研究及手术仿真模拟提供精确模型。方法:在获得的骨盆及髋臼三维CT图像数据矩阵中移动立方体,骨骼内部采用六面体单元,骨骼表面采用MarchingCube算法,建立四面体代替等值面,构建骨盆及髋臼三维有限元模型单元。结果:综合MarchingCube算法和传统方法构建三维有限元模型,所构建模型表面光滑连续,不仅能够分析骨骼表面应力应变分布,同时保留内部应力应变分布的特点。结论:结合传统三维有限元模型构建方法,在模型表面使用四面体单元,模型内部采用六面体单元,构建表面连续平滑的骨盆和髋臼有限元模型,不仅能够反应内部应力应变分布,而且能够模拟分析骨骼表面应力应变分布。     

骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及其临床意义

目的：对模仿站立及坐位两种状态对骨盆髋臼加载后进行三维有限元模型力学分析，观察相关力学参数变化。 方法：①湿髋臼标本模型来源于解放军第二军医大学解剖学教研室。髋臼：对一具成年湿骨盆尸体标本行CT扫描成像得到每层横截面图像，提取边界坐标，利用有限元分析软件ANSYS5．6构建髋臼三维模型，并划分为121 239个结点、112 491个单元。同时将骶髂关节和耻骨联合部位锁定，模仿站立位对髋臼加载，力的方向按股骨颈力线方向．大小为400N（约80kg体质量一半）。分析加载后髋臼的三维力场分布。②骨盆模型：2004-08从自愿者中随机选取正常成年男性，然后行CT扫描。CT扫描范围从第3腰椎至坐骨结节，将扫描后图像用ANSYS5．6软件构建正常骨盆模型，并划分为356 710个单元格。固定好正常骨盆模型的两侧坐骨结节，模仿坐位对骨盆加载，于腰椎上施加一竖直向下的力，大小为500N，方向与Z轴相反，通过有限元分析计算获取应力分布图像。 结果：①髋臼三维有限元模型模仿站立位加载后在耻骨支、坐骨支、方区部、骶髂关节部、髋臼后壁部有较高应力出现，单元结构所受到的平均等效应力为（11．578-23．437）MPa。②骨盆三维有限元模型模仿坐位加载后在骶髂关节及坐骨结节部有较高应力出现，单元结构所受到的平均等效应力为（15．734-20．286）MPa。 结论：实验结论提示，骨盆髋臼骨折的内固定应强调以满足术后早期卧床功能训练为目的的有效内固定，避免早期负重。     

骨盆及髋臼三维有限元模型材料属性设定及其生物力学意义

目的：寻求骨盆及髋臼三维有限元模型构建中有限元模型材料属性设定的方法，并探讨相关的生物力学意义。方法：实验于2002—01／2004—04在第二军医大学长海医院骨科实验室和同济大学生命科学与技术学院生物力学实验室完成。通过计算骨盆及髋臼三维CT扫描层面上不同CT值，采用经典理论公式分析骨密度及骨骼弹性模量，最终确定有限元模型材料属性。结果：对于有限元模型材料属性，当-↑Hu≤816时，ρα=1．9&;#215;10^-3 -↑Hu+0．105，当-↑Hu≥816时ρα=7．69&;#215;10^-4 -↑Hu+1．028；而模型弹性模量则由E=3790g^0.06ρ^3骨盆和髋臼三维有限元模型具体数值。结论：通过计算模型密度和弹性模量，进一步确定单元材料属性，对于建立接近实际的骨盆和髋臼三维有限元具有重要的意义。     

髋臼三维有限元分析及其生物力学意义

目的：寻求髋臼三维有限元模型构建的方法并探讨记忆生物力学的临床意义。方法：选择成年湿髋臼尸体标本行CT扫描成像得到髋臼每层横截面图像，提取边界坐标．利用有限元分折软件ANSYS5.6构建髋臼三雏有限元，三维十结点四面体实体单元进行网格划分。结果：所构建髋臼模型共划分为121 239个结点、112 491个单元。客观反映髋臼真宴解剖形态及生物力学行为。结论：构建的髋臼三维有限元模型．为髋臼骨折内固定的记忆力学研究提供可循模型.     

骨盆及髋臼三维有限元模型材料属性设定及其生物力学意义

目的:寻求骨盆及髋臼三维有限元模型构建中有限元模型材料属性设定的方法,并探讨相关的生物力学意义。方法:实验于2002-01/2004-04在第二军医大学长海医院骨科实验室和同济大学生命科学与技术学院生物力学实验室完成。通过计算骨盆及髋臼三维CT扫描层面上不同CT值,采用经典理论公式分析骨密度及骨骼弹性模量,最终确定有限元模型材料属性。结果:对于有限元模型材料属性,当Hu≤816时,ρα=1.9×10-3Hu+0.105,当Hu≥816时ρα=7.69×10-4Hu+1.028;而模型弹性模量则由E=3790ε0.06ρ3骨盆和髋臼三维有限元模型具体数值。结论:通过计算模型密度和弹性模量,进一步确定单元材料属性,对于建立接近实际的骨盆和髋臼三维有限元具有重要的意义。     

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.     

垂直载荷作用下骨盆的三维有限元分析

背景：目前对骨盆的力学分析还处于极其粗糙阶段，而有限元法因其具有不受样本量限制，实验误差小，重复性好等优点，正日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。 目的：建立正常骨盆的三维有限元模型，分析骨盆在垂直载荷作用下的应力／应变和位移分布。 设计、时间及地点：三维有限元分析，单一样本观察。于200703／09在南方医科大学生物力学实验室完成。 材料：健康成年男性志愿者1例进行PET—CT扫描，层厚1FfLrn，得N-维原始图像以DICOM格式输出。 方法：应用Mimics、Freeform、ANSYS等软件进行三维重建，并建立正常骨盆的有限元模型。模拟人体双腿直立位的生理姿势，对模型施加500N轴向载荷。具体方式为约束双侧靛臼，向骶骨椎体上表面垂直加压，压力均匀分布于各个结点。 主要观察指标：计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。 结果：垂直加载500N载荷于骶骨上表面时，应力经两侧骶骨翼、骶髂关节，斜向下方经过坐骨大切迹附近，髂骨中央弓状线，传导至两侧髋臼。骨盆前环即耻骨支和耻骨联合受力较小。应变集中在两侧骶髂关节，绝对值很小，前方的耻骨联合处应变极小，呵忽略不计。位移以骶骨背侧的骶正中嵴处最大。 结论：正常骨盆是一个非常稳定的力学结构。过大的垂直应力容易引起骶骨或骶髂关节受损导致骨盆的垂直稳定性下降；恢复骶骨至髋臼的连续性对应力传导非常重要。     

骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及其临床意义

目的:对模仿站立及坐位两种状态对骨盆髋臼加载后进行三维有限元模型力学分析,观察相关力学参数变化。方法:①湿髋臼标本模型来源于解放军第二军医大学解剖学教研室。髋臼:对一具成年湿骨盆尸体标本行CT扫描成像得到每层横截面图像,提取边界坐标,利用有限元分析软件ANSYS5.6构建髋臼三维模型,并划分为121239个结点、112491个单元。同时将骶髂关节和耻骨联合部位锁定,模仿站立位对髋臼加载,力的方向按股骨颈力线方向,大小为400N(约80kg体质量一半)。分析加载后髋臼的三维力场分布。②骨盆模型:2004-08从自愿者中随机选取正常成年男性,然后行CT扫描。CT扫描范围从第3腰椎至坐骨结节,将扫描后图像用ANSYS5.6软件构建正常骨盆模型,并划分为356710个单元格。固定好正常骨盆模型的两侧坐骨结节,模仿坐位对骨盆加载,于腰椎上施加一竖直向下的力,大小为500N,方向与Z轴相反,通过有限元分析计算获取应力分布图像。结果:①髋臼三维有限元模型模仿站立位加载后在耻骨支、坐骨支、方区部、骶髂关节部、髋臼后壁部有较高应力出现,单元结构所受到的平均等效应力为(11.578～23.437)MPa。②骨盆三维有限元模型模仿坐位加载后在骶髂关节及坐骨结节部有较高应力出现,单元结构所受到的平均等效应力为(15.734～20.286)MPa。结论:实验结论提示,骨盆髋臼骨折的内固定应强调以满足术后早期卧床功能训练为目的的有效内固定,避免早期负重。     

髋臼三维有限元分析及其生物力学意义

目的寻求髋臼三维有限元模型构建的方法并探讨记忆生物力学的临床意义。方法选择成年湿髋臼尸体标本行CT扫描成像得到髋臼每层横截面图像,提取边界坐标,利用有限元分析软件ANSYS5.6构建髋臼三维有限元,三维十结点四面体实体单元进行网格划分。结果所构建髋臼模型共划分为121239个结点、112491个单元,客观反映髋臼真实解剖形态及生物力学行为。结论构建的髋臼三维有限元模型,为髋臼骨折内固定的记忆力学研究提供可循模型。     

不同结构松质骨填充植入股骨头负重区缺损的有限元分析

目的:应用三维有限元分析法比较松质骨粒和结构性松质骨块植骨重建股骨头负重区缺损对股骨近段应力分布的影响。方法:实验于2005-06/2006-03在解放军总医院骨科研究所完成。采用Taddei的基于连续CT断层构建的人股骨三维有限元模型,在ANSYS5.7分析软件中划分52350个四面体单元,模拟单腿站立时髋臼在股骨头表面负重区施加的面载荷,合力指向股骨头形心,与股骨干长轴的夹角成25°,大小2100N,分别在正常状态时、股骨头负重区缺损时及原位松质骨植入、异位松质骨植入和松质骨粒植入时计算股骨近段的应力分布。结果:①正常股骨近段的应力峰值集中在股骨颈上下方,股骨头表面的应力峰值为2.12MPa,深部应力高于表面应力峰值为6.37MPa。②负重区缺损模型下,股骨头表面应力增高,峰值达10.39MPa,股骨头内部应力低于表面。③在松质骨粒植入后,表面应力有所下降,但仍然高于内部,应力峰值达8.55MPa。④异位结构性松质骨植入后表面应力峰值为2.43MPa,与正常时差别不大;而原位松质骨块植入后的应力曲线几乎与正常应力曲线重合。结论:结构性松质骨块的植入对恢复股骨头表面及内部的应力水平要优于松质骨粒。     

髋臼三维记忆内固定系统治疗髋臼后壁骨折的有限元分析

目的:探讨髋臼三维记忆内固定系统治疗髋臼后壁骨折及其产生的动态记忆应力促进骨愈合的生物力学基础。方法:实验于2006-01在长海医院进行。利用计算机仿真三维有限元技术,对髋臼记忆内固定系统固定髋臼后壁骨折的生物力学行为进行模拟,BaⅡ型三维有限元模型共划分7946个单元,2520个结点;BbI型三维有限元结构共划分1787个单元,623个结点,单元采用TET4单元;髋臼有限元模型共划分5783个单元,节点数为9863,单元采用10节点四面体三维单元。结果:①变形最大在加压部,BaⅡ型所受最大压应力和张应力分别为228MPa和-24.5MPa,其维持纵向的动态记忆持骨力196N;BbI型所受压应力和张应力分别为108MPa和-4.5kPa,其维持轴向的动态记忆加压力为125.05N,二者皆远小于其极限应力及疲劳极限。②被固定髋臼后壁骨块应力分布均匀,各节点所受应力主要为接近生理载荷的正应力,无论在后壁骨折的上、下及内侧骨折面,骨折断层的应力分布表现为记忆导向孔附近应力较大,为垂直骨折面的压应力(最大压应力7.00MPa),近髋臼窝边缘处骨折面表现为张应力。结论:髋臼记忆内固定系统有良好的耐疲劳与重复使用性,其固定后产生的动态记忆加压应力场,有利于固定髋臼后壁骨折的稳定、预防废用段的发生并促进骨折愈合。     

静载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力学意义

目的：探讨骨盆受到静力载荷作用后的力学行为特征，为临床分析及判断骨盆力学分布、静载荷影响提供力学基础。方法：实验于2002—01／2004—04在第二军医大学长海医院骨科实验室和同济大学牛命科学与技术学院生物力学实验室完成采用计算机仿真模拟方法，将所构建骨盆三维实体模犁导入三维有限元分析软件ANSYS7．0，分别计算单侧髂前上棘和单侧髂骨正后方静载荷作用下骨盆的力学行为表现，静载荷为8000N，分析主直力值，应力分布情况以及主应力方向上骨盆单元的位移。结果：单侧髂前上棘侧方加载下，应力沿着受力点与骶髂关节连线方向传导，没有应力沿着髋臼或者耻骨、坐骨传导；单侧髂骨后方静载荷加载时．应力沿着髂骨纵行方向、髂骨与骶髂关节部位连线方向、同侧耻骨上支传导。结论：分析静载荷作用下骨盆各部位应力分布以及骨盆各个单元在应力作用下的位移变化．有助于临床上进行骨盆损伤内固定力点的选择。     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景：由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。目的：以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布。方法：获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS。再根据解剖部位建立骨盆主要韧带。对S1椎体上终板施加600N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。结果与结论：垂直加载600N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节。此时的坐骨结节处承受较大压应力。有限元模型在静载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反应骨盆特有的力学结构特性,模型的准确性较高。计算结果与文献中报道的结果相近,建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具及满足临床研究的需要。     

基于DICOM数据快速构建髋臼三维有限元模型

目的:为了能够提高髋臼组织有限元分析研究的水平,拟探讨利用多层螺旋CT获取髋臼骨扫描的DICOM数据,进而快速地建立高精度的髋臼骨三维有限元模型的方法。方法:2006-01采用上海长海医院多层螺旋CT对标准成年男性自愿者行髋臼CT扫描成像得到髋臼每层横截面图像,应用DICOM数据和Mimics软件行三维重建,结合有限元分析软件PATRAN2005R2构建髋臼三维有限元模型,同时在该模型上模拟单腿站立位时受力分布,对比国内外的实验结果进行检验。结果:利用所得数据建立了髋臼三维有限元模型,共19348节点,113028个单元,完整重现了髋臼复杂的形态,得到了皮质骨、松质骨、软骨等结构鲜明、直观的印象;单腿站立位的应力分析显示与以往实验结果基本相符。结论:运用Mimics软件提供了更为简单有效的建模方法,基于DICOM数据的三维有限元模型几何形状较准确,分析结果可信,所建立的髋臼三维有限元模型可以模拟髋臼生物力学实验。     

髋臼发育不良者全髋置换中置入不同直径髋臼杯的力学分析

背景：成人髋臼发育不良髋臼小而浅,臼内有大量骨痂和瘢痕组织等都为人工髋关节置换臼杯安装带来极大困难。臼杯安装后局部的力学变化关系到置换后假体松动的发生及使用寿命。 目的：利用三维有限元力学分析方法,对髋关节发育不良患者采用不同直径臼杯置入,观察对髋臼假体-骨界面间应力分布情况的影响。 方法：选取髋关节发育不良患者的骨盆为试验对象,用螺旋 CT 做全长连续扫描,然后利用计算机仿真技术对 CT 图像进行三维重建,建立髋关节发育不良骨盆模型。在计算机环境中对重建模型进行不同直径臼杯置入的模拟手术,利用有限元分析软件对重建模型进行有限元网格化及力学分析。 结果与结论：对于髋臼发育不良的病例,选择小直径臼杯可应对髋臼浅平、骨床骨量不足的缺陷而达到较好的臼杯骨床包容,但臼杯直径小致接触面小使单位面积应力升高;另一方面,大直径臼杯置入扩大磨锉髋臼骨床可引起髋内壁破损突破,导致应力（包括压应力及剪切力）增大及集中。由此推断,髋臼发育不良全髋关节置换时应在保证骨床包容的前提下选择较大直径的臼杯,有利于应力的良好分布,但应尽量避免或减少扩大磨锉髋臼骨床所致髋臼内壁的穿破。     

肱骨远端三维有限元模型的建立及生物力学分析

背景：采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学分析得到了广泛应用,但是关于肱骨远端的有限元分析较少,且所建模型粗糙,方法繁琐。目的：建立肱骨远端的三维有限元模型,并模拟不同受力状态下的应力分布及应变特征。方法：通过对正常成年男性肘关节的多排螺旋CT扫描,获得连续断层图片,导入Mimics医学建模软件生成实体模型后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS10.0,进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型。约束边界条件,模拟肱骨远端轴向受力,得出肱骨远端有限元模型上的应力分布与应变结果。结果与结论：建立的肱骨远端有限元模型总单元数为6292,总节点数为10232。肱骨远端在轴向载荷状态下的应力集中主要位于内、外侧柱区域。提示建立的有限元模型精确度高,符合肱骨远端的临床特点,较好地模拟了肱骨远端的生物力学特性。     

正常髋部与佩戴保护支具髋部的有限元对比分析（英文）

背景：有限元法因其具有不受样本量限制,实验误差小,重复性好等优点而成为防滑倒生物力学研究的重要手段。目的：建立正常骨盆以及佩戴护具骨盆的三维有限元模型,分析滑倒过程中骨盆各部位的应力、应变和位移分布,验证护具的有效性。方法：以中国数字人原始资料应用Abaqus 6.51软件构建正常骨盆以及佩戴护具骨盆的三维有限元模型,固定约束地面刚体,对整个骨盆模型加载2 m/s的速度载荷,程序运算后观测骨盆模型佩戴护具前后的应力、应变及位移随时间的变化规律和分布云图。结果与结论：与未佩戴护具比较,佩戴护具时滑倒过程中骨盆与地面的接触力、骨盆与地面产生最大接触力时松质骨最大压缩应变、大转子以及股骨颈周围应变最大值、大转子和股骨颈附近的最大von-Mises应力值、大转子和股骨颈处的平均应力值等均明显减小。提示髋部保护支具对大转子具有保护作用,能有效降低人体滑倒时转子间骨折的发生率。     

足部有限元模型的构建与验证

背景：目前国内所建的足部模型大部分是采用自动划分网格的四面体有限元模型，虽然四面体网格自动剖分技术给三维实体的有限元网格自动剖分带来了极大的方便，但力学性能较差。目的：基于CT图片构建六面体网格足部有限元模型。方法：选取中国正常男性人体足部的CT数据，利用Mimics软件对足部几何模型进行重构，运用NURBS曲面的节点插入算法，对足部儿何模型进行了细化，构建了具有较高生物仿真度的人体足部有限元模型，利用Pam-crash软件对模型进行了碰撞仿真分析。结果与结论：仿真结果与尸体实验结果基本一致，证明模型可信。实验基于CT图片构建的六面体网格足部有限元模型，添加了足底肌肉、肌腱、皮肤等结构，更真实的反映了足部解剖学结构特征，进而提高了有限元模型的质量，更能有效地研究足部损伤机制，从而为提高汽车安全性设计提供参考依据。     

静载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力学意义

目的:探讨骨盆受到静力载荷作用后的力学行为特征,为临床分析及判断骨盆力学分布、静载荷影响提供力学基础。方法:实验于2002-01/2004-04在第二军医大学长海医院骨科实验室和同济大学生命科学与技术学院生物力学实验室完成。采用计算机仿真模拟方法,将所构建骨盆三维实体模型导入三维有限元分析软件ANSYS7.0,分别计算单侧髂前上棘和单侧髂骨正后方静载荷作用下骨盆的力学行为表现,静载荷为8000N,分析主应力值、应力分布情况以及主应力方向上骨盆单元的位移。结果:单侧髂前上棘侧方加载下,应力沿着受力点与骶髂关节连线方向传导,没有应力沿着髋臼或者耻骨、坐骨传导;单侧髂骨后方静载荷加载时,应力沿着髂骨纵行方向、髂骨与骶髂关节部位连线方向、同侧耻骨上支传导。结论:分析静载荷作用下骨盆各部位应力分布以及骨盆各个单元在应力作用下的位移变化,有助于临床上进行骨盆损伤内固定力点的选择以及进一步明确骨盆内在应力值分布。     

组配式人工半骨盆假体置换后骨盆站立位生物力学有限元分析

背景：目前关于骨盆生物力学有限元分析主要是针对正常和外伤后的骨盆,缺乏对EnnekingⅡ区的恶性肿瘤切除、组配式人工半骨盆假体重建骨盆环缺损后骨盆生物力学模型进行三维有限元分析。目的：观察正常骨盆及半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后患者站立体位下应力分布。方法：采用CT薄层扫描采集1例半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后17个月患者的骨盆原始数字影像和通信标准数据,将数据导入Mimics8.1软件建立三维实体模型,再将实体模型导入Abaqus6.7-1分析软件,分别以正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后的骨盆,建立三维有限元模型,并分别对双脚站立、患侧单脚站立两种静力状态下进行生物力学加载并对结果进行分析。结果与结论：在正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后骨盆2种有限元模型中,不同站立体位相同载荷下健侧骨盆应力值接近;患侧组配式半骨盆假体不同站立体位时应力最大值均出现在髋臼杯上方CS脊柱内固定器与髋臼杯连接部内侧,所受最大应力均远低于其疲劳强度;组配式半骨盆假体重建后骨盆站立位时应力的分布规律与正常骨盆基本一致。说明：①组配式人工半骨盆假体置换对健侧骨盆影响较小。②站立体位下组配式人工半骨盆假体安全性好。③组配式人工半骨盆假体重建后的骨盆符合人体正常生物力学规律,具有良好的生物力学相容性基础。