齿槽型人工髋关节骨应力分布的三维有限元分析

基于人体股骨CT数据,结合髋关节解剖形态学,建立了齿槽型人工髋关节置换医学装配模型,运用三维有限元分析(3D-FEA)方法,选择1.5倍体重(70 kg)生理载荷条件,计算分析了人工髋关节柄三角区表面不同齿槽结构及分布对周围骨应力的影响。结果表明:关节柄三角区齿槽结构改变了关节柄/骨界面的应力传导,有利于降低股骨近端的应力遮挡效应。凸齿结构的效果优于凹齿,近端1/3凸齿分布的关节柄对降低骨的应力遮挡效果最佳,更有利于减轻股骨近端骨质疏松,能有效提高人工髋关节的使用寿命。     

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     

正常步态下髋臼底接触面积与压力分布的三维有限元分析

背景：认识髋关节的正常压力分布特点,将有助于进一步了解正常髋关节的力学机制与异常载荷下关节软骨的病理学行为。 目的：运用三维有限元的方法,分析正常步态过程中头臼间接触面积和应力分布情况。 方法：应用CT扫描技术和计算机图像处理系统,建立髋臼的三维有限元模型,利用髋臼模型模拟髋臼在完整步态过程中连续32个位相时的受力状况,并对各位相时接触面积进行计算。 结果与结论：获得了髋臼在32个位相时的应力峰值分布呈双峰形,在起步位相时达到峰值(4.2 MPa),支撑期接触面积明显高于跨步期。始终接触部位集中在髋臼顶部,偏内侧,而髋臼前角与后角始终没有应力传导。髋臼软骨在不同位相的应力分布明显不同,支撑期应力增高区分布在臼顶区,而跨步期应力增高区在臼软骨的内侧缘。结果显示髋臼的接触应力增高区及接触面的分布对临床研究有重要意义,可提示导致髋臼骨性关节炎的好发因素。     

复合材料与金属材料髋关节假体应力分布的三维有限元分析

目的对钛合金、碳纤维增强聚砜(CFR/PSF)复合材料、CoCrMo合金和小锈钢假体的性能进行对比,研究复合材料与金属材料髋关节假体应力分布情况。方法采用ANSYS软件对髋关节假体进行了静态三维有限元分析,对比了不同材料的假体表面的应力分布情况,分析了正应力和剪切应力对假体的影响。结果假体的下半部和柄颈结合处受力较大,为假体的关键部位。结论钛合金和碳纤维增强聚砜(CFR/PSF)复合材料假体要比CoCrMo合金和不锈钢假体具有更好的应力分布,其临床应用效果将会更加理想。     

人体腰椎间盘的三维有限元分析

本文报道了应用三维有限元方法对腰椎间盘应力分布的分析结果。正常椎间盘纤维环在人体直立位、前屈位和后伸位时应力明显集中于后侧与后外侧,平均应力水平以后伸位时最高(P<0.01)。当椎间盘退变后,纤维环的平均应力水平比正常时显著降低(P<0.01)。这些结果具有一定的临床意义。作者认为,腰椎间盘突出症的发生与其局部应力异常增高有关,而椎间盘的退变又将增大腰椎其余部分的承载。作者还就腰椎屈伸活动对于椎间盘的作用进行了讨论。     

髋臼内陷技术对成人DDH全髋关节置换术髋臼杯生物力学影响的有限元分析

目的 探讨髋臼内陷技术对成人发育性髋关节发育不良（developmental dysplasia of the hip,DDH）髋关节置换术后髋臼假体的生物力学效应。方法 获取1名成人单侧DDH患者双侧髋关节CT图像数据,进一步构建患侧半骨盆有限元模型,在此基础上,建立臼杯不同内陷水平的有限元模型,对比分析原位组和不同水平内移组之间的生物力学差异。结果 在模拟拔出试验中,原位组最大抗拔出载荷强度为1 166 N;相比原位组,4 mm和8 mm内移组抗拔出载荷强度分别增加了45.8%和57.1%;原位组髋臼假体在步态周期站立位相载荷工况下的臼杯-骨界面最大微动为166.4 μm,内移4 mm及8 mm组相对原位组分别减少了46.2%和62.1%。对于臼杯植入后髋臼周围即刻应力分布,不同组别之间的差异并不显著;而在步态周期站立位相载荷工况下,原位组髋臼周围平均应力及峰值应力均最小,平均应力随内移程度的增加而增大,内移4 mm组峰值应力最高。结论 相较原位植入假体,髋臼内陷技术可以提高假体初始稳定性,稳定性和内移程度成正比。但内移程度不足导致骨覆盖面积不足时,臼杯-骨界面边缘应力显著增加,可能会导致假体相关并发症风险的升高。     

Chiari骨盆截骨术中外展肌张力对股骨头软骨生物力学影响的三维有限元分析

目的　探讨Chiari骨盆截骨术中外展肌力负荷对股骨头软骨的生物力学影响。方法　建立Chiari骨盆截骨术的髋关节三维有限元模型，应用非线性接触压力分析方法，观察不同的外展肌力负荷条件下关节软骨接触压力及软骨下骨应力分布。结果　Chiari术后关节软骨的接触压力和股骨头软骨下骨应力明显降低，接触面积明显增加。随着外展肌力负荷的降低，接触压力的重新分布更加明显。对应于原髋臼软骨的压力逐渐降低，新髋臼软骨的压力逐渐升高。股骨头软骨下骨应力也进一步降低。而术后关节软骨的接触面积改变不大。结论　外展肌力负荷所引起的生物力学改变在Chiari骨盆截骨术中起重要作用。     

本期专题:髋关节置换的三维有限元分析CSCD

1人工股骨头置换治疗骨质疏松股骨转子间不稳定骨折的有限元应力分析,2011年15卷35期6496页。2骨折髋支撑关节治疗股骨颈骨折的有限元力学分析,2010年14卷13期2462页。3骨质疏松股骨三维有限元模型的建立,2010年14卷9期1545页。     

振动对骨重建影响的三维有限元分析

目的观察不同振动频率刺激下股骨表观密度的变化情况,从而确定何种振动参数能对骨骼系统产生最有益影响。方法先获得兔股骨扫描图像,再利用UG软件对图像进行三维重建得到股骨的实体模型,最后导入ANSYS软件中,利用ANSYS软件布尔操作中的减操作,得到带有空腔的兔股骨生物力学模型。结果通过有限元仿真分析,发现添加振动激励后骨骼的应力分布和骨密度发生了变化,股骨部分部位骨密度增加。结论有限元分析不但为分析振动对骨重建的动物和人体实验打下基础,还为进一步深入了解骨骼结构与力学环境之间的关系、为进一步研究对抗航天失重引起的骨丢失和治疗骨质疏松症提供了帮助。     

一体化小腿假肢的三维有限元应力分析

建立一体化小腿假肢和残肢的三维模型，应用有限元分析方法，计算此模型在模拟Mid—Stance步态时相的载荷作用下各节点的应力，从而得到此模型内外表面的应力分布，为一体化假肢设计的CAD＼CAM系统提供理论依据。计算结果表明，接受腔的应力值较小，假腿的应力值较大，高应力区出现在假腿下端及接受腔与假腿的交界区域。     

利用有限元方法对髋臼弧形截骨术进行术前规划

目的 对已截骨的髋臼块进行不同角度旋转,以模拟手术中髋臼块需调节的不同角度,通过分析髋关节周围软骨接触应力以及接触面积确定最佳角度,为髋臼截骨提供个体化方案.方法 建立髋关节发育不良(development dysplasia of hip,DDH)和正常有限元模型,探讨发育不良髋臼形态特征以及应力集中原因.对DDH模...     

各向异性松质骨弹性性能有限元分析

骨质疏松会导致松质骨细化从而降低松质骨力学性能。为了评估椎体松质骨的力学特性,文中采用有限元参数化建模,利用十四面体模型模拟棒状小梁骨的微结构,对各向异性松质骨的弹性性能进行了计算分析。通过控制输入参数Tb.Th、Tb.Sp、E0模拟不同骨质疏松程度的松质骨。计算结果表明,松质骨模量与骨体积分数呈平方律关系;随着各向异性比的增加,松质骨纵、横向模量间的比值呈线性增加,而横向两个模量保持基本一致。结果说明该微结构模型较好地反映了松质骨的横观各向同性性质,并能较好地反映受载松质骨的应力分布。     

接骨板不同螺钉布局下骨愈合过程有限元分析

目的探究螺钉布局方式对骨愈合的影响,为相关的骨折治疗提供基础。方法采用有限元方法研究不同螺钉布局方式下骨愈合过程;采用骨折块应变理论(interfragmentary strain theory,IFS)模拟骨痂的生长变化过程;利用Python语言对ABAQUS进行二次开发,使得迭代过程中骨痂所划分的每个单元都根据IFS理论更新弹性模量,从而模拟骨折愈合过程。结果不同数量螺钉对骨愈合过程的影响小于不同接骨板工作长度对骨愈合过程的影响;稳定固定的前提下,接骨板工作长度一定时,螺钉数量变化对接骨板或螺钉的应力影响较小;接骨板工作长度不同,对接骨板及螺钉的应力影响较大,且工作长度变化对螺钉上应力变化的影响大于对接骨板的影响。结论相较于螺钉数量,对于接骨板工作的长度应着重考虑,应当遵循在保证内固定系统稳定的前提下,减少接骨板上的螺钉数量,并对接骨板工作长度的选择进行恰当的选择。     

支架-骨粒-可吸收骨水泥式腰椎间融合术的有限元分析

目的 采用有限元分析方法研究镍钛记忆合金支架-自体骨粒-可吸收骨水泥式腰椎间融合术的生物力学性能.方法 依次建立正常L3～5节段有限元模型(M0)、盒状融合器模拟植入的L4～5椎间融合术模型(M1)、镍钛记忆合金支架模拟植入的L4～5椎间融合术模型(M2)以及镍钛记忆合金支架模拟植入复合骨粒-可吸收骨水泥混凝物浇注植骨...     

唇侧植骨不同种植修复体的三维有限元分析

目的分析植骨和修复体对种植修复体内部结构及周围骨组织应力分布的影响。方法建立由两种唇侧骨质牙槽骨模型支持且分别为钴铬合金烤瓷冠与二氧化锆全瓷冠修复的上颌中切牙种植修复体模型,对其进行力学加载,分析植骨与修复体对植体内部各结构与植体-骨界面应力分布的影响。结果植骨组中固位螺丝唇侧体部处及种植体唇侧骨组织中应力远低于非植骨组,但植骨组种植体颈部处的应力则高于非植骨组。相同骨质条件下,二氧化锆全瓷冠组在固位螺丝唇侧体部处的应力大于钴铬合金烤瓷冠组。结论修复体对种植修复体内部结构及周围骨组织应力分布的影响不大,但植骨影响的唇侧骨质差异可影响固位螺丝体部及植体-骨界面处的应力集中状况。     

有限元分析在冠脉支架设计中的应用

使用有限元方法对支架加工过程中的压握和临床使用中的扩张、扩张回弹进行了数值模拟,并对支架在血管脉动载荷下的疲劳寿命进行了评价,同时采用实验验证了有限元分析的合理性.结果 表明,有限元分析可以作为支架性能分析的有效手段,为支架设计和优化提供指导依据.     

Finite Element Analysis of a Screw with Cellular Structure and Bone Thread for Direct Bone Anchoring of Prostheses

Biomedical Engineering - The results of static modeling of an osseointegrated bone screw with various ratios of the thread and the cellular structure on the outer surface are presented. The goal of...     

有限元分析腰椎传统椎弓根钉道和改良皮质骨钉道的生物力学性能

目的 通过有限元分析传统椎弓根钉道(traditional trajectory, TT)和改良皮质骨钉道(modified cortical bone trajectory, MCBT)在骨质疏松椎体上的力学性能。方法 建立L4椎体三维模型,在椎体两侧分别模拟置入椎弓根螺钉(pedicle screw, PS)(直径6.0 mm,长45 mm)和MCBT螺钉(直径4.5 mm,长40 mm)。比较螺钉在两种钉道上、下、左、右4种工况下载荷位移比和螺钉抗拔出力,评价在骨质疏松条件下螺钉和椎体之间的稳定性。结果 MCBT螺钉抗拔出力比PS提高13.1%。MCBT螺钉在上、下、左工况下载荷位移比相比PS分别提高57.1%、32.3%、31.6%,MCBT螺钉在右工况下载荷位移比虽高于PS,但不具有统计学差异。在轴向旋转和侧屈工况下,MCBT组椎体载荷位移比明显高于TT组;在前屈工况下,MCBT组椎体载荷位移比低于TT组;在后伸工况下,MCBT组椎体载荷位移比虽高于TT组,但不具有统计学差异。结论 MCBT在抗拔出力、螺钉稳定性、椎体轴向旋转和侧屈的稳定性优于TT,但在椎体前屈和后伸稳定性弱...     

Trabecular Level Analysis of Bone Cement Augmentation: A Comparative Experimental and Finite Element Study

The representation of cement-augmented bone in finite element (FE) models of vertebrae following vertebroplasty remains a challenge, and the methods of the model validation are limited. The aim of this study was to create specimen-specific FE models of cement-augmented synthetic bone at the microscopic level, and to develop a new methodology to validate these models. An open cell polyurethane foam was used reduce drying effects and because of its similar structure to osteoporotic trabecular bone. Cylindrical specimens of the foam were augmented with PMMA cement. Each specimen was loaded to three levels of compression inside a micro-computed tomography (μCT) scanner and imaged both before compression and in each of the loaded states. Micro-FE models were generated from the unloaded μCT images and displacements applied to match measurements taken from the images. A morphological comparison between the FE-predicted trabecular deformations and the corresponding experimental measurements was developed to validate the accuracy of the FE model. The predicted deformation was found to be accurate (less than 12% error) in the elastic region. This method can now be used to evaluate real bone and different types of bone cements for different clinical situations.