脊髓受压损伤机制的三维有限元分析

目的 建立胸腰段脊髓的三维有限元模型,通过生物力学实验研究爆裂骨折时脊髓损伤的机制。方法 利用有限元仿真技术,对爆裂骨折时脊髓受压情况进行仿真模拟,并通过与已经验证的模型及体内、体外实验结果相对比的方式对仿真结果进行检验。结果 在爆裂骨折初期,脊髓白质的应变高于灰质。随着骨碎片位移的增加,灰质的应变逐渐上升,最终在骨碎片位移达到峰值时,白质的应变高于灰质。结论 脊柱发生爆裂骨折时,脊髓损伤的严重程度取决于脊髓后部组织的受累情况。脊髓前角（运动功能区）和后角（感觉功能区）发生创伤的顺序也对脊髓损伤的程度有重要影响。临床上,可以通过评估脊髓运动功能区和感觉功能区发生损伤的严重程度,更加准确判断患者病情。对于脊髓损伤过程中应变分布的进一步研究,能够在应对脊髓损伤时采取更为有效的治疗与预防措施。     

脊髓及脊髓损伤的生物力学

脊髓及脊髓损伤的生物力学研究有助于我们认识损伤机制，理解损伤的临床病理结果，进一步指导预防、治疗。作者重点对脊髓(包括灰白质、脑脊液、齿状韧带、软膜、硬脊膜)的力学特性及脊髓损伤力学研究中的动物模型(包括撞击损伤模型、压迫损伤模型)和有限元模型进行了综述，并对近年脊髓损伤在细胞水平的生物力学研究作了简要介绍。     

颅脑有限元模型演化规律及其生物力学研究进展

交通事故中头颈部损伤因其较高的致命性,已成为最严重的损伤类型。有限元模型在创伤性脑损伤生物力学机理研究中得到日益广泛应用。回顾头颈部有限元模型的生物力学研究历史和现状,并阐述车辆碰撞交通事故中人体颅脑典型交通伤演化规律和生物力学研究进展,探索头颈部损伤安全防护的方法,以期为车辆碰撞事故中人体颅脑损伤生物力学研究和相应的汽车安全防护装置研制提供理论依据。     

有限元分析在口腔生物力学中的应用

背景：在口腔医学中存在着大量的生物力学问题,有限元法是对人体力学行为进行数值模拟的一种有效工具,其在口腔生物力学中的应用越来越广泛。 目的：综述有限元法在解决口腔正畸、口腔修复、口腔种植、口腔颌面外科等领域生物力学问题的研究进展。 方法：以“有限元分析;口腔;生物力学”为中文关键词,以“finite element analysis (FEA);oral cavity;biomechanics” 为英文关键词。采用计算机检索PubMed数据库、维普数据库1995-01/2011-10有关有限元分析法在口腔生物力学领域应用的文章。 结果与结论：有限元分析可以对口腔结构、形状、载荷和材料力学性能等进行应力分析,可获得模型任何部位的应力值和位移值,并借助计算机从而快速精确地求解,客观、准确、真实地反映应力的分布状况,为研究口腔医学中的有关基础性问题、解决口腔医学中的临床实际问题、发展口腔临床技术手段提供了力学基础,为进一步研究口腔疾病治疗方法提供参考和借鉴。 关键词：有限元分析;口腔;生物力学;牙槽;三维 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.13.033     

颞下颌关节三维有限元建模相关因素分析

颞下颌关节的生物力学研究对理解颞下颌关节病的发生、发展具有重要意义。有限元方法可以分析颞下颌关节各组织受到外力或者发生形变后组织内部的应力和应变情况,但其复杂而且细致的解剖结构导致构建有限元模型的研究总是耗时、昂贵和不可重复。为寻求一种更为快捷、精确的下颌骨三维有限元模型建立方法,提高颞下颌关节有限元建模精度,针对模型与实体几何相似性、生物力学环境仿真模拟等相关因素进行综述。     

应用Mimics软件建立下颌骨双侧矢装劈开内固定后的有限元模型

背景：双侧升支矢状劈开截骨术是正颌外科常见的治疗方法之一,有限元法成为研究双侧升支矢状劈开内固定后生物力学的重要方法。 目的：快速建立下颌骨双侧矢装劈开内固定后有限元模型,寻求一种更为快捷、精确的矢装劈开内固定的三维有限元模型,为研究下颌骨矢装劈开内固定后生物力学打下基础。 方法：应用薄层CT ,Dicom 标准和Mimics 软件,结合MSC.Patran 三维有限元专用软件对CT 断层影像进行分析处理。 结果与结论：建立了精确的下颌骨双侧矢装劈开内固定后三维有限元模型。使用Dicom 标准和Mimics 软件获取三维模型,直接写入MSC.Patran 三维有限元软件,提高了建模效率。提示薄层CT、Dicom 标准的应用使得有限元模型的建立更为精确,同时Mimics 软件直接建立矢装劈开内固定三维模型,极大程度提高了建模效率,为生物力学分析打下基础。     

有限元法在腰椎生物力学应用中的研究进展和展望

本文基于有限元分析在脊柱生物力学应用中的背景和意义,回顾了有限元法在腰椎力学应用中的研究进展,并对其应用前景进行了展望。本文重点归纳整理了有限元法在腰椎本体建模、临床应用研究和职业损伤防护等方面的研究进展,得出有限元法在腰椎生物力学应用中的主要研究方向:建模过程的精细化、仿真方法的更优化、适用临床评估的多样化和人工腰椎间盘的临床化。最后结合最新的研究进展和热点方向,对有限元法在腰椎建模的自动化和个性化、新型术式的评估和分析、损伤机理和动态响应仿真等方面的应用前景进行了展望。本文通过对有限元法在腰椎生物力学领域中的应用研究进行回顾和展望,以期为临床腰椎问题提供更加全面系统的理论参考和实践指导。     

有限元分析法在口腔生物力学领域的应用

在口腔医学中存在着大量的生物力学问题,有限元法是对人体的力学行为进行数值模拟的一种有效工具,其在口腔生物力学中的应用越来越广泛。本文综述了有限元法在解决口腔生物力学问题中的研究进展,包括口腔正畸、口腔修复、口腔种植、口腔颌面外科等领域的力学性能评价。有限元法为研究口腔医学中的有关基础性问题、解决口腔医学中的临床实际问题、发展口腔临床技术手段提供了力学基础,为进一步研究口腔疾病治疗方法提供参考和借鉴。指出了有限元法在口腔生物力学中应用的不足以及三维模型重建和分析中需进一步改进和研究的问题。     

坐骨神经损伤的三维有限元分析

建立坐骨神经损伤三维有限元模型,以三维有限元分析软件计算吻合口处应力和位移,为坐骨神经损伤移植提供生物力学实验基础。建立5、10、15、20 mm坐骨神经损伤以自体神经移植三维有限元模型,分别对各受力模型施加10 N拉伸载荷,以有限元软件(PROE5.0)计算吻合口周围各测点的应力和位移值。在相同载荷作用下模拟坐骨神经损伤以自体神经5 mm移植组最大应力大于以自体神经移植10、15、20 mm移植组。在10 kf作用下,模拟坐骨神经损伤以自体神经20 mm移植模型组最大位移大于以自体神经15、10、5 mm移植组。以三维有限元法对坐骨经损伤模型进行数值计算是可行的。     

脑组织本构模型及其生物力学特性分析

在交通事故中,颅脑损伤因其高发率和高致命率成为最严重的损伤。颅脑有限元模型成为开展头部损伤研究的重要工具。模型中脑组织所应用的本构模型及材料属性是决定颅脑损伤预测结果的关键因素。本文旨在针对应用于模拟脑组织的本构模型和材料属性进行综述,从而深入理解脑组织生物力学特性,为颅脑损伤的有限元研究提供参考。     

基于病理切片延髓-上颈髓三维有限元模型的建立及其损伤生物力学分析

目的基于标本病理切片数据,建立延髓-上颈髓三维实体模型,通过有限元分析获得延髓-上颈髓受齿状突压迫情况下应力、应变水平,为临床研究提供参考。方法运用Mimics对切片数据进行处理,建立点云模型;运用Solid Works对点云模型进行定位、编辑、优化,建立三维实体模型;运用Hyper Mesh建立有限元模型并运用ANSYS进行有限元分析。结果建立具有明确灰质、白质界线以及白质纤维束质的延髓-上颈髓模型;得到不同压迫程度下白质和灰质的应力、应变水平以及应力-应变曲线。结论结合标本病理切片和逆向工程能够建立具有灰质、白质清晰形态和结构的三维延髓-上颈髓模型;延髓-上颈髓受压时灰质的应力水平都小于白质,20%左右压迫程度是白质的临界状态,当病情发展超过临界状态时,白质生物力学性能可能失效,由此引起灰质损伤。     

The Establishment and Development of Finite Element Model of Human Cervical Vertebra and Its Application Example

The incidence rate of cervical spondylosis is high, and due to the complicacy of cervical vertebra structure, irregularity of shapes and non-uniformity of components, sometimes it＇ s difficult to achieve planned objectives by experiments in vitro through stress and strain analysis. Besides, the biomechanical factors are of vital significance in the cause of spinal disorders. In this paper the author makes a summary of the present modeling of human cervical vertebra and describes the major methods of establishing the finite element model of human cervical vertebra through several self-constructed models. With the advance of computer technology, the finite element methods have been rapidly developed in cervical vertebra biomechanical researches and have became a major approach for biomechanical researches to simulate more and more clinical conditions.     

儿童头部有限元模型研究进展

头部损伤是导致儿童死亡与伤残的重要原因,对儿童头部损伤生物力学的深入研究意义重大。近年来,通过构建真实的儿童头部有限元模型来研究儿童头部损伤的方法日益成熟,逐步代替了尸体实验、动物实验以及物理实验。对儿童头部有限元模型的年龄特点、构建方法、模型应用以及发展趋势等进行较为全面的综述,并对该领域还有待研究的内容以及未来的发展方向做出展望。     

Finite-element models of the human head

A review is presented of the existing finite-element (FE) models for the biomechanics of human head injury. Finite element analysis can be an important tool in describing the injury biomechanics of the human head. Complex geometric and material properties pose challenges to FE modelling. Various assumptions and simplifications are made in model development that require experimental validation. More recent models incorporate anatomic details with higher precision. The cervical vertebral column and spinal cord are included. Model results have been more qualitative than quantitative owing to the lack of adequate experimental validation. Advances include transient stress distribution in the brain tissue, frequency responses, effects of boundary conditions, pressure release mechanism of the foramen magnum and the spinal cord, verification of rotation and cavitation theories of brain injury, and protective effects of helmets. These theoretical results provide a basic understanding of the internal biomechanical responses of the head under various dynamic loading conditions. Basic experimental research is still needed to determine more accurate material properties and injury tolerance criteria, so that FE models can fully exercise their analytical and predictive power for the study and prevention of human head injury.     

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     

胸腰段椎体压缩性骨折三维有限元模型的建立及其意义

目的:建立胸腰段骨质疏松性椎体压缩性骨折的三维有限元模型.方法:螺旋CT扫描骨质疏松性椎体压缩性骨折患者的胸11椎体上缘-腰1椎体下缘,所得数据经Photoshop处理后转入Pro/Engineer软件,采用实体建模的方法重建出三维立体几何图像,再利用自由造型模型系统对图像进行修改,通过铺面形成椎体三维图形,转入有限元软件进行网格划分,建成三维有限元分析模型.结果:所建模型外观逼真,几何相似性好.结论:为脊柱胸腰段三维有限元模型的建立提供了一种简便,精确的方法,为分析和研究该模型在各种受力情况下的生物力学表现创造了条件.     

颅脑有限元模型的研究进展及应用

有限元法(finite element method,FEM)是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种数值分析方法,同时也是一种比较先进的生物力学研究方法。FEM早期应用于工程科学技术领域,近几年来,生物医学工程领域已经广泛应用FEM进行脑方面的研究。随着交通、运输业的发展,颅脑损伤发生的概率越来越高,严重威胁着人类的身体健康。通过建立颅脑有限元模型,可以很好地研究颅脑损伤的生物力学机制。总结颅脑有限元模型的建立、发展和应用,并对未来的研究方向进行展望。     

三维有限元方法构建足部健康骨骼与常见疾病模型及生物力学分析

文题释义： 有限元分析：利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟,还利用简单而又相互作用的元素,即单元,用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的近似解,然后推导求解这个域总的满足条件,从而得到问题的解。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。 DICOM：即医学数字成像和通信,是医学图像和相关信息的国际标准(ISO 12052)。它定义了能满足临床需要的可用于数据交换的医学图像格式。DICOM被广泛应用于放射医疗、心血管成像以及放射诊疗诊断设备(X射线、CT、核磁共振、超声等),并且在其他医学领域得到越来越深入广泛的应用。在数以万计的医学成像设备中,DICOM是部署最为广泛的医疗信息标准之一。当前大约有百亿级符合DICOM标准的医学图像用于临床使用。 背景：在创伤骨科方面,三维有限元分析不仅仅作为骨折内固定治疗过程中生物力学评估和内固定器材设计、优化的常规手段,近年来也为创伤骨科基础与临床研究开拓新的方向。 目的：对足部正常骨骼、扁平足、马蹄足、足部骨折病例进行三维建模及生物力学分析。 方法：选取健康受试者以及扁平足、马蹄足、足部骨折患者进行足部CT检查,根据检查数据利用计算机三维成像技术进行三维有限元建模及生物力学分析,根据分析结果得到足部健康骨骼、扁平足、马蹄足及足部骨折应力分布图以及应力值等数据,并对数据结果进行分析。该研究获得福建医科大学附属闽东医院伦理批准。 结果与结论：建立足部正常骨骼、扁平足、马蹄足、足部骨折模型并进行生物力学分析,扁平足患者跖骨、跗骨应力值较正常明显增加,马蹄内翻足的应力主要集中于踝关节周围,尤其是在距骨关节面。单纯跖骨骨折对于足跗骨区域应力变化影响较小,Lisfranc损伤患者的足跗骨区应力较正常足部增加较明显。该研究以足部三维有限元建模和生物力学分析将计算机技术与临床实际相结合,为人体足部生物力学研究提供参考,通过应力分析将多种足部情况的力学信息数值化,为足部的临床治疗提供了重要的力学依据。 ORCID: 0000-0002-7688-6990(何晓宇) 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     

不同脊髓损伤模型大鼠行为学及形态学的变化

背景：在脊髓全断模型中有切割伤模型、切除伤模型,为了更好地选择脊髓损伤修复研究的全断动物模型,有必要对这两种模型进行比较及探讨。 目的：分析不同脊髓损伤模型的行为学及病理变化,选择适用于再生研究及治疗的脊髓损伤动物模型。 方法：将160只SD大鼠随机均分为2组,分别制作切割型脊髓损伤模型与切除型脊髓损伤模型,术后1,2,4,8,10,20,30,50周内进行后肢行为学BBB评分及组织化学、免疫组织化学染色,观察损伤区残余纤维情况;术后4,10,26,52周分别在大鼠脑皮质运动区与颈髓注射BDA-FITC示踪剂,观察损伤区残余纤维的连续性。 结果与结论：切割脊髓损伤模型组大鼠术后2-50周双后肢的BBB得分明显高于切除脊髓损伤模型组(P < 0.05);切割脊髓损伤模型组在损伤区残存大量组织和神经丝、胶质纤维酸性蛋白纤维,而切除脊髓损伤模型几乎没有残存纤维;不论是切割脊髓损伤模型还是切除脊髓损伤模型,皮质脊髓束均不能通过损伤区,终止于损伤区的头端;在切割脊髓损伤模型中,脊髓固有束重新进入尾侧端的宿主脊髓组织中,而在切除脊髓损伤模型中脊髓固有束终止于损伤区的头端。表明切除脊髓损伤模型更适用于脊髓损伤后再生效果及治疗手段或药物的筛选与评价。 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      

基于有限元-神经元模型的大鼠硬膜外脊髓电刺激仿真研究

临床研究证实,硬膜外脊髓电刺激（ESCS）能促进脊髓损伤后的运动功能恢复,但基本神经机制则需通过动物实验进行研究。在建立大鼠ESCS有限元-神经元组合模型的基础上,仿真L2节段单阴极刺激条件下脊髓组织内的电势分布,确定L1到S2节段背根、腹根纤维和不同深度背柱纤维激活阈值的变化规律,分析纤维位置和刺激脉宽对神经纤维激活阈值的影响。仿真结果发现,距电极最近的背根纤维激活阈值最低为041 V,浅层背柱纤维的激活阈值略高为047 V,最近腹根纤维的激活阈值最高为078 V,减小电极-纤维距离有利于脊髓纤维的选择性激活;不同深度背柱纤维的激活阈值随刺激脉宽增加而减小,但脉宽过大导致背柱纤维激活阈值的降幅变小,过长的脉宽使得激活阈值的降幅趋缓,合理选择刺激脉宽有利于激活深层背柱纤维,增加脊髓组织的激活区域,提高ESCS对于深层背柱纤维的募集能力。该仿真结果可为动物实验研究中合理选择刺激参数、提高刺激选择性能提供理论指导。