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Mimics10.0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147167个节点,113898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。     

基于冷冻切片的人体腰椎三维有限元模型

目的利用上海交通大学生命质量与机械工程研究所自主开发的冷冻切片处理软件CryoSegmemation提取人体骨骼的边缘,利用逆向工程软件Imageware建立骨骼的面模型,在ANSYS中建立人体腰椎的三维有限元模型。方法利用第三军医大学的第一例男性冷冻切片数据进行图像处理,截面轮廓线信息处理。结果准确快速地建立了完全符合人体解剖特征的腰椎三维有限元模型。结论利用该研究所自主开发的冷冻切片软件和一些现有的商用软件可以准确、快速地建立人体腰椎的三维面模型、体模型及有限元模型,为航空、车辆、船舶、生物医学工程等不同的领域进行数值模拟计算和动力学仿真提供完全符合人体解剖学特征的原始模型。     

站立位下骨盆与骨折内固定稳定性分析

目的 构建骨盆与骨折内固定三维有限元模型并验证其有效性。方法 基于骨盆CT扫描图像,利用Mimics、 ANSYS ICEM、 Hypermesh 与ABAQUS软件构建骨盆三维有限元模型,并在S1椎体上垂直向下加载600 N均布载荷,模拟站立位时骨盆受力环境,验证骨盆模型的有效性;同时建立3种不同内固定形式的T型骨折模型,验证3种内固定方式的有效性。 结果 站立位时,应力与位移分布左右对称,应力主要集中在弓状线起点处、耻骨支以及髋臼后上方。骨盆位移分布类似于以骶骨为中心向外传导并逐渐减弱的波浪形,骶骨背侧的骶正中嵴位移最大,髂骨窝、股骨位移较小,并逐渐减小直至股骨,同时发现3种内固定都可增加骨折稳定性。 结论 利用六面体网格建立的三维有限元模型,能够准确模拟站立位时骨盆力学特性,为临床研究提供直观准确的依据。     

基于CT及逆向工程软件构建正常人体骨盆三维有限元模型

背景:骨盆是人体骨骼中形态及结构最复杂的部分,许多学者一直致力于其生物力学的研究。由于骨盆形状极其不规则,所附着肌肉及韧带解剖结构复杂,建立精确的包含主要肌肉及人韧带的骨盆有限元模型十分困难。目的:建立正常成年人骨盆的三维有限元模型,为后续骨盆的生物力学分析提供数字模型。方法:采集健康成年男性志愿者的骨盆CT数据,将DICOM格式的CT图像导入医学影像三维重建软件Mimics10.0进行图像的分割及三维重建,将导出文件导入逆向工程软件Geomagic studio 11中对图像进行曲面化处理,建立曲面模型,使其更加光顺,将生成的曲面模型导入有限元分析软件Ansys 14.0中进行有限元网格划分。结果与结论:建立了正常成年人骨盆的三维有限元模型,总单元数为818 294个,总节点数为149 290个。课题基于健康成年男性志愿者的骨盆CT图像建立骨盆有限元模型,所得的模型精确度高、逼真、具有良好的解剖及几何相似性,可为下一步骨盆的生物力学分析提供基础。     

侧向冲击载荷作用下髋护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响

目的利用三维有限元法研究髋部护具对人体股骨-骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下生物力学响应的影响。方法基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织,并在此基础上建立髋部护具和股骨-骨盆-软组织复合体系统的三维有限元模型;同时,在两个模型中构建刚体平面仿真地面。约束地面刚体,对两个模型均施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms。通过三维有限元分析计算获得两模型受侧向冲击载荷过程中应力、应变变化特性,对比分析髋部护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响。结果髋部护具使股骨-骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下的应力峰值出现时间提前4 ms以上,且应力应变水平出现大幅度降低;皮质骨上的应力峰值降低67.88%以上,松质骨上的峰值应力下降69.34%以上,松质骨上的压缩主应变峰值降低可达63%。结论在侧向冲击载荷作用下,髋部护具对股骨-骨盆复合体具有良好的保护作用,能够有效预防骨折的发生或降低骨折风险。     

上颌切牙区3种不同形式种植固定桥三维有限元模型的建立

背景:研究表明,三维有限元分析法是分析种植体周围骨界面生物力学分布的重要研究手段,精确的模型构建是三维有限元准确分析的基础,可为优化种植设计方案提供研究支持。目的:建立3种不同形式种植固定桥修复上颌切牙区的三维有限元模型,为研究其生物力学分布提供数学化模型。方法:利用CT扫描技术和Geomagic studio9.0软件、Mimics10.01软件的实体建模技术,结合ANSYS10.0有限元分析软件建立人上颌切牙区3种不同形式种植体支持固定桥的三维有限元模型。结果与结论:成功建立了三维有限元模型,总节点数为365173个,四面体总单元数为204854个。该模型获得上颌骨、上颌中切牙、侧切牙、种植体及瓷层的形态,具有良好的几何相似性。提示将CT扫描技术、数字图像处理技术与一系列计算机软件相结合,建立三维有限元模型的方法是行之有效的。     

基于"中国数字人"切片和CT数据重建下颌骨的对比研究

目的：探索快速重建人体下颌骨三维模型的方法，比较常用CT资料重建与切片资料重建骨组织的优劣差异。方法：获得虚拟人数据集，并取虚拟人数据中下颌骨部分的切片资料和CT资料分别进行软件的三维重建。结果：利用切片资料建立了较之CT资料更为精细准确的人体下颌骨三维模型。结论：采用应用软件重建方法快速可行，而且利用虚拟人的切片数据建立了高度精确的下颌骨三维模型。     

用三维重建和有限元方法对人体心脏进行力学分析

目的　建立人体心脏的三维几何模型和有限元网格模型，进行有限元仿真计算。方法　利用可视化人体心脏数据集，通过3D-DOCTOR软件和SOLIDWORKS软件重建心脏外形和内腔的三维结构数据，以STEP格式导入ABAQUS有限元软件形成网格模型。在有限元网格模型的基础上进行心脏自振频率、内腔血压等载荷情况下的力学性能分析。结果　建立了一个数字化心脏可视模型。能够反映心脏三维形状和内腔结构；得到了心脏内腔的大致容积；反映了心脏心肌不同区域的不同性质；得到了心脏3个方向的自振频率和振型，以及内腔血压下的应力分布。结论　建立了可视化三维心脏的几何和网格模型，反映了心脏的外形和内腔。利用有限元分析方法，能够为心脏的生物力学分析提供可视化的数值仿真平台。     

骶骨肿瘤切除术后骨盆三维有限元模型的建立及相关应力分析

目的研究骶骨肿瘤切除术后骨盆三维有限元模型的建立及相关应力分析。方法利用三维有限元分析软件ANSYS,建立正常骨盆模型和模拟骶骨肿瘤切除术后骨盆模型,并根据坐位承重情况,对比研究相关应力分布。结果成功建立正常骨盆模型和模拟骶骨肿瘤切除术后骨盆模型,并对其在坐位时承重情况进行加载分析,证明:(1) 完整骨盆受到外力后,力的传导沿腰椎→骶骨→双侧骶髂关节面→髂骨→坐骨支的传导途径,力的分布比较分散, 相应节点上受到的压强平均,最高压强局限;而骶骨肿瘤切除术后骨盆模型在受到外力后,由于丧失了大部分的骶骨,使得力的传导受限。(2)去掉骶骨后,骶髂关节周围和坐骨支处的节点受到的压强超过完整骨盆,即骨盆的稳定性降低,导致骨盆完整性的改变。结论建立骶骨肿瘤切除术后三维有限元模型并与完整骨盆模型对比,说明其稳定性发生变化。     

颅腔三维模型的建立及其变形的有限元方法分析

目的建立真实的人体颅腔三维模型,通过有限元方法分析人体颅腔随颅内压(ICP)变化的应变规律。方法以1例成年健康男性的颅腔CT扫描图像为基础,利用逆向工程软件Mimics 13.0建立人体颅腔三维模型,并通过ANSYS软件模拟临床ICP变化范围2.0～6.0kPa,分析三维颅腔表面的变形情况。结果利用Mimics软件建立了与真实人体颅腔几何结构和材料属性均高度相似的三维颅腔有限元模型,该模型相较于其他简化模型和普通计算机辅助设计(CAD)建模软件建立的模型具有细节更逼真、材料属性更贴切的特点,更具有普遍应用的价值。而且通过ANSYS有限元模拟分析,随着ICP的增高,颅腔表面应变呈上升趋势,在2.0～6.0kPa ICP变化范围内,颅腔表面应变范围为1.27～3.67με。随ICP变化,人体颅腔表面的应变规律和范围与前期研究的计算结果基本一致。结论建立的真实人体颅腔三维模型和模拟颅腔随ICP变化的变形规律具有较高的可信度,为临床研究颅腔变形提供了可靠的数据依据。     

脊柱侧凸三维有限元模型的建立及其意义

目的建立胸腰段脊柱侧凸的三维有限元模型。方法螺旋CT扫描脊柱侧凸患者T6椎体上缘至L1椎体下缘,所得图片经Photoshop处理后导入Simpleware软件,采用实体建模方法构建出每一椎体及椎间盘的实体模型,经过逆向工程软件Geomagic光滑、组装后导入有限元分析软件ABAQUS,进行网格划分建成脊柱侧凸的有限元模型。结果所建模型共划分了232315个单元,356830个节点,模型结构完整,单元划分精细,外观逼真,几何相似性好,能精确测量一定载荷下的应力和位移分布。结论本研究所建有限元模型有助于脊柱侧凸的生物力学研究,对于脊柱侧凸的治疗及个性化矫形支具的设计具有指导意义。     

上颌骨种植体与天然牙三维有限元模型的建立

探讨获得种植体与天然牙在上颌骨复合体三维影像以建立三维有限元模型的方法。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。结果表明: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。说明采用螺旋CT扫描技术及ANSYS软件,建立上颌骨种植体模型切实可行,结果令人满意。     

Finite element analysis of the middle ear transfer functions and related pathologies

With developments in software and micro-measurement technology, a three-dimensional middle ear finite element (FE) model can now be more easily constructed to study sound transfer function. Many FE models of the middle ear have been constructed to date, and each has its own particular advantages and disadvantages. In this article, we review the latest developments and technologies in the field of the FE models of the middle ear, and the use of FE in the study of middle ear pathology. Proposals are made for future developments in the field of finite element analysis of middle ear transfer function.     

不同位置植入SMH人工腰椎间盘对小关节应力分布的影响

目的:通过三维有限元方法研究正常椎间盘、SMH人工腰椎间盘前置、中置和后置四组模型中小关节的应力分布情况,探讨不同位置植入SMH人工腰椎间盘对小关节应力分布的影响。方法:建立正常腰椎间盘、人工SMH腰椎间盘前置、中置和后置的三维模型,然后模拟腰椎节段的运动,进行小关节应力分布的比较研究。结果:与正常L4/5椎间盘模型相比,除SMH人工腰椎间盘前置模型前屈时比正常模型小关节应力小外,其余运动时SMH人工腰椎间盘前置、中置和后置模型中小关节的应力均高于正常腰椎间盘组,但后置SMH人工腰椎间盘组则相对较小。结论:SMH人工腰椎间盘后置可以更好地预防小关节的退变;人工椎间盘植入位置的不同对人工腰椎间盘术远期疗效的预测具一定的作用。     

下颌颏部骨折内固定的三维有限元模型及边界约束的建立

通过Pro／E和ANSYS建立下颌骨颏部骨折内固定的三维有限元模型，并模拟了各种功能状态下的边界约束。使用计算机图像处理软件对CT扫描图像进行预处理，然后采用自编程序获取下颌骨解剖结构的三维坐标数据，用ANSYS建立下颌骨的三维有限元模型。采用数值化建模软件Pro／E建立小型接骨板-螺钉固定体系统的实体模型。模拟下颌骨颏部正中骨折坚强内固定治疗，建立该内固定治疗的有限元模型。通过改变各组咀嚼肌力的大小，进行了三种咬合状态的边界约束。获得了形态逼真、相似性好的下颌颏部骨折内固定后的三维有限元模型，并模拟了各功能状态下的边界约束，为后期的生物力学分析奠定了基础。     

An experimentally validated micromechanical model of a rat vertebra under compressive loading

In recent years, finite element analysis (FEA) has been increasingly applied to examine and predict the mechanical behaviour of craniofacial and other bony structures. Traditional methods used to determine material properties and validate finite element models (FEMs) have met with variable success, and can be time‐consuming. An implicit assumption underlying many FE studies is that relatively high localized stress/strain magnitudes identified in FEMs are likely to predict material failure. Here we present a new approach that may offer some advantages over previous approaches. Recently developed technology now allows us to both image and conduct mechanical tests on samples in situ using a materials testing stage (MTS) fitted inside the microCT scanner. Thus, micro‐finite element models can be created and validated using both quantitative and qualitative means. In this study, a rat vertebra was tested under compressive loading until failure using an MTS. MicroCT imaging of the vertebra before mechanical testing was used to create a high resolution finite element model of the vertebra. Load‐displacement data recorded during the test were used to calculate the effective Young’s modulus of the bone (found to be 128 MPa). The microCT image of the compressed vertebra was used to assess the predictive qualities of the FE model. The model showed the highest stress concentrations in the areas that failed during the test. Clearly, our analyses do not directly address biomechanics of the craniofacial region; however, the methodology adopted here could easily be applied to examine the properties and behaviour of specific craniofacial structures, or whole craniofacial regions of small vertebrates. Experimentally validated micro‐FE analyses are a powerful method in the study of materials with complex microstructures such as bone.     

3-D finite element analysis of the influence of synovial condition in sacroiliac joint on the load transmission in human pelvic system

The anterior part of the sacroiliac joint (SIJ) is a synovial joint, with little gliding and rotary movement between the contact surfaces of SIJ during locomotion. Due to its complex structure, especially when considering the surrounding ligaments, it is difficult to construct an accurate three-dimensional (3-D) finite element model for the human pelvis. Most of the pelvic models in the previous studies were simplified with either SIJ fusing together or without the sacral bone. However, the influence of those simplifications on the load transmission in human pelvis has not been studied, so the reliability of those studies remains unclear. In this study, two 3-D pelvic models were constructed: an SIJ fusing model and an SIJ contacting model. In the SIJ fusing model, the SIJ interfaces were fused together. In the SIJ contacting model, the SIJ interfaces were just in contact with each other without fusion. Compared with the SIJ contacting model, the SIJ fusing model have smaller movements in the SIJ. The stress distribution area in the SIJ fusing model on sacroiliac cartilages was also different. Those differences contributed to the decline of tensile force in the SIJ surrounding ligaments and the re-distribution of stress in the pelvic bones. In addition, the SIJ fusing model was far less sensitive to the increase in modulus of the sacroiliac cartilages, and decrease in stiffness of the ligaments surrounding the SIJ. The presence of synovia in the SIJ had greater influence on the load transmission in the human pelvic system. Therefore, the effect of the presence of synovia should not be neglected when the biomechanical behavior of human pelvis is being studied, especially for those studies related to clinical applications.     

Three-Dimensional Finite Element Models of the Human Pubic Symphysis with Viscohyperelastic Soft Tissues

Three-dimensional finite element (FE) models of human pubic symphyses were constructed from computed tomography image data of one male and one female cadaver pelvis. The pubic bones, interpubic fibrocartilaginous disc and four pubic ligaments were segmented semi-automatically and meshed with hexahedral elements using automatic mesh generation schemes. A two-term viscoelastic Prony series, determined by curve fitting results of compressive creep experiments, was used to model the rate-dependent effects of the interpubic disc and the pubic ligaments. Three-parameter Mooney-Rivlin material coefficients were calculated for the discs using a heuristic FE approach based on average experimental joint compression data. Similarly, a transversely isotropic hyperelastic material model was applied to the ligaments to capture average tensile responses. Linear elastic isotropic properties were assigned to bone. The applicability of the resulting models was tested in bending simulations in four directions and in tensile tests of varying load rates. The model-predicted results correlated reasonably with the joint bending stiffnesses and rate-dependent tensile responses measured in experiments, supporting the validity of the estimated material coefficients and overall modeling approach. This study represents an important and necessary step in the eventual development of biofidelic pelvis models to investigate symphysis response under high-energy impact conditions, such as motor vehicle collisions.