Cam型髋关节撞击综合征关节软骨接触力学的有限元分析

目的 通过有限元方法探讨不同严重程度的Cam型髋关节撞击综合征(femoroacetabular impingement,FAI)关节软骨接触力学的变化。方法 建立正常髋关节及不同α角的 Cam型FAI髋关节三维有限元模型,计算行走、坐下、起立等日常活动下的关节软骨接触压力和应力。结果 完整步态周期加载过程中,不同α角的Cam型FAI软骨接触压力分布与正常髋关节接近,无高接触压力和Von Mises应力集中区域;坐下、起立加载过程中,Cam型FAI软骨接触压力均大于正常髋关节,且随α角的增加而增大,其接触区域主要位于髋臼缘前上方,局部出现过高压力和Von Mises应力集中。结论 Cam型FAI软骨接触力学变化的关键影响因素是运动方式,关节软骨过高的接触压力和Von Mises应力,可能是其引起软骨退变并最终导致骨性关节炎的力学原因。     

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...     

Bernese髋臼周围截骨术术前规划的有限元分析方法研究

建立了髋关节发育不良患者的三维有限元模型,并进行了计算机模拟Bernese髋臼周围截骨术,旋转截骨块建立了不同手术方案的术后模型。分析单足站立受力环境下,术前、术后髋关节周围软骨的受力变化,并与正常髋关节模型进行比较。本文将仿真计算的正常人髋关节受力情况与文献比较,验证了模型分析方法的有效性。分析结果表明,不同手术方案对髋臼软骨的应力环境都有所改善,表现为髋臼接触面的接触应力和von Mises应力明显减小,且接触面积有所增大,但改善程度有所差异,可以通过有限元分析方法进行术前规划,为临床手术提供一定的理论依据。     

上颌中切牙角度基台不同载荷的三维有限元优化分析

背景：口腔种植修复中,种植体中基台角度的优化设计对骨吸收有重要影响,同时患者的高用力也对骨质的吸收重建有着重要影响。 目的：利用Ansys Workbench 13.0软件对上颌骨前牙区进行优化设计模型,探讨中切牙角度基台不同载荷对皮质骨和松质骨应力大小的影响。 方法：建立圆柱状V形螺纹种植体的上颌骨骨块三维有限元模型,设定基台角度为0°,5°,10°,15°,20°、25°,30°,设定加载应力为90,105,120,135,150,165,180,195,210 N。在种植体上模拟中切牙咬合,在修复体正中进行颊舌向力学加载,观察基台角度和加载应力变化对颌骨Von Mises应力峰值的影响。 结果与结论：单因素影响下,以基台角度为变量逐渐增加时,在唇腭侧向加载中皮质骨和松质骨的Von Mises应力峰值增幅分别为60.63%和69.30%;以加载应力为变量逐渐增加时,在颊舌向加载中皮质骨和松质骨的Von Mises应力峰值增幅分别为68.74%和69.30%。在基台角度和加载应力交互作用下,当加载应力小于  150 N,同时基台角度小于25°时,对颌骨Von Mises应力峰值响应曲线的切线斜率位于-1至0之间。所以从力学分析看来,松质骨的应力大小更易受到基台角度和加载应力的影响,螺纹种植体最佳的基台角度设计应小于25°,咬合力应小于150 N。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程     

三维有限元法分析钽棒置入治疗个体化股骨头坏死的力学效能北大核心

背景:研究报道股骨头前外侧柱对保髋的疗效起到关键性的作用,而中日友好医院分型(CJFH分型)强调前外侧柱的重要性,目前此分型中L型钽棒置入治疗的三维有限元研究不多。目的:以钽棒置入术为例,建立正常、坏死和L型坏死区前外侧柱钽棒置入的髋关节仿真的三维有限元模型,并进行有限元分析及力学效能对比,探讨前外侧柱的完整性对保髋疗效的重要性,为CJFH分型的治疗提供生物力学依据。方法:股骨头坏死的CJFH分型中L1、L2、L3型的坏死髋关节三维模型和正常髋关节三维模型选用团队已经做好的模型。在此基础上建立钽棒置入坏死股骨头的三维有限元模型,进行有限元分析。观察正常股骨头、坏死股骨头和钽棒置入坏死股骨头皮质骨壳应力分布及最大Mises应力值,对比并进行统计分析。结果与结论:(1)L型坏死股骨头负重区皮质骨壳的最大Mises应力均较正常股骨头升高,其中L1型升高21.76%,L2型升高31.02%,L3型升高42.79%;(2)钽棒置入术后股骨头负重区皮质骨壳的最大Mises应力较术前下降,其中L1型下降13.38%,L2型下降8.81%,L3型下降11.45%;(3)表明当股骨头发生坏死时,因坏死骨承载应力下降,导致股骨头皮质骨壳应力集中,所以坏死较正常的最大应力大,而分型程度越高,皮质骨壳所要承载的应力集中就越大;钽棒置入后承载了一部分应力,分型程度越低,纠正越明显;(4)结果表明,钽棒置入术纠正了坏死股骨头皮质骨壳部分应力,钽棒在一定程度范围内可以进行塌陷预防及起到支撑软骨下骨的生物力学作用;坏死股骨头外侧柱的完整性影响保髋疗效,可能外侧柱的存留越多,保髋疗效越好,而CJFH分型程度越高,塌陷风险越高,保髋疗效也越差。     

髋臼发育不良性髋关节的三维有限元非线性接触压力分析

目的 从生物力学角度探讨髋臼覆盖程度(CE角)在髋臼发育不良引起的髋关节继发性骨关节炎中的作用。方法 建立正常、髋臼发育不良及髋臼过渡覆盖的髋关节三维有限元模型,应用非线性接触压力分析方法,观察髋臼发育不良性髋关节的关节软骨接触压力及软骨下骨应力分布。结果在所有的模型中,接触压力及应力均发生在股骨头最上部及与其相对应的髋臼顶穹部。在髋臼发育不良的模型中,另有过度不正常的接触压力发生在髋臼的后上缘区域。随着CE角的减小,接触压力和峰应力明显增高,接触面积下降。当CE角大于30°,压力分布类型及接触压力和峰应力改变不明显。结论髋臼覆盖程度降低所导致的生物力学改变在髋关节继发性骨关节炎中起重要作用。     

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。     

正常步态周期中髋臼周围区域的应力分布及其在THA髋臼重建中的指导

目的 研究健康成人步态周期中髋臼周围内外应力分布基本规律,探求这些规律对全髋关节置换（total hip arthroplasty, THA）髋臼侧重建的临床指导作用。方法 采用CT 扫描获取1名男性和1名女性健康中年志愿者骨盆与股骨近端数据并构建三维模型。通过基于CT值计算材料弹性模量的非均匀材料赋值方案及其收敛性分析为各个有限元网格单元独立赋值。根据正常步态行走中髋关节接触力在步态周期中的动态变化施加载荷条件。以模型内外节点的Von Mises应力为标准进行结果判断。结果 在正常步行中,从男、女志愿者髋骨外表面看,应力主要从髋臼后上方沿髂翼后外侧经坐骨大切迹传递至耳状面,应力最大值出现在坐骨大切迹附近;从男、女志愿者髋臼上、中、下3个剖面看,应力在髋臼后上方的骨皮质与骨松质均有分布,而在髋臼的前柱与后柱,应力则主要分布于骨皮质上。结论 根据健康成人髋臼周围正常步态应力传递与分布规律,选择更合适大小的髋臼假体以及更精确地控制髋臼假体的安放位置有助于获得更符合正常步态应力分布的髋臼重建方案。     

步态周期下髋臼生物力学特征

目的 研究正常步态周期下髋臼周围区域应力分布规律,并进一步探究髋臼各柱的生物力线和骨皮质厚薄 形态分布。 方法 通过人体逆向动力学分析获取人体步态周期 8 个典型阶段的肌肉及髋关节载荷,应用三维重建 技术构建髋关节三维模型,以所得载荷作为加载边界条件进行有限元分析及拓扑优化。 结果 步态周期支撑相下 髋关节载荷较大,中柱应变能占总应变能 55% ~69% ,髋臼顶部应力较大;摆动相下髋关节载荷减小,中柱应变能所占 百分比减小。 髋关节不同的运动角度影响肌肉力,进而影响髋关节上应力分布规律。 所获得髋臼各柱的生物力线分 布与解剖学所提出的生物力线及骨小梁排布基本吻合,与拓扑优化结果中骨皮质较厚区域相对应。 结论 通过数值 模拟方法可以确定髋臼各柱的生物力线和骨皮质厚薄形态分布,为骨折治疗内固定装置的合理放置提供理论指导。     

构建Cam型髋关节撞击综合征有限元模型及力学分析

背景:Cam型髋关节撞击综合征可使关节承受力学过载并最终导致髋关节骨关节炎,然而其诱发骨关节炎的相关力学机制仍不清楚。目的:运用三维有限元的方法,分析Cam型髋关节撞击综合征的关节内力学环境,进一步了解其病理力学特点。方法:采用正常髋关节CT数据,利用Mimics和Hypermesh软件准确构建正常髋关节和Cam型髋关节撞击综合征三维有限元模型。在LS-DYNA软件中,模拟坐下、起立时的力学加载条件,对正常髋关节和Cam型髋关节撞击综合征髋关节的软骨接触力学进行分析。结果与结论:基于CT数据准确构建了包含关节软骨的正常髋关节和Cam型髋关节撞击综合征髋关节三维有限元力学分析模型。坐下、起立加载过程中,正常髋关节在最大屈髋位时峰值接触压力分别为4.43,4.59 MPa;而Cam型髋关节撞击综合征髋关节分别为14.96,14.86 MPa,髋臼缘前上方出现过高压力和应力集中。提示髋臼软骨过高的接触压力可能是Cam型髋关节撞击综合征导致骨关节炎的力学机制。     

Modes of Inheritance of Errors of Refraction

Eighteen families in which both parents had refractions within the range of +4·0 D to −4·0 D and axial lengths seen in emmetropia (22·3-26·0 mm) showed coefficients of correlation of the order 0·5 indicative of polygenic inheritance. Such coefficients were seen for axial length (0·407) and for the cornea (0·487), but not for the lens (which is known to be yoked to the axial length). No such coefficients were seen in 19 families in which one of the parents had axial length outside the emmetropic range (nine families with long axes and 10 with short axes).

The pattern of polygenic inheritance for emmetropia (completely correlated optical components) and errors of refraction up to 4·0 D (inadequately correlated components: correlation ametropia) follows that seen in stature and other measurable characters. In contrast the high refractive errors with their abnormal axial lengths (component ametropia) are—like the extremes in stature—pathological anomalies with monofactorial inheritance.

     

Level of functioning of siblings and parents of probands of varying degrees of retardation

A further analysis of already published data supports the position that retardates of low ability level less frequently have retarded siblings, retarded parents, and parents low in occupational level than do retardates higher in ability level. The analysis supports the position that there are two types of retarded individuals, persons retarded as a result of gene or chromosomal anomalies, brain injury, etc., who more frequently occur in the lower-level retardate group, and persons whose retardation represents polygenic segregation, who more frequently occur in the higher-level group.     

局部注射辛伐他汀对骨质疏松大鼠股骨髁骨小梁的改建效应

背景：局部注射具有成骨作用的辛伐他汀,可显著增加骨质疏松大鼠股骨颈及股骨髁部的骨密度及力学强度,分析局部注射辛伐他汀对股骨髁骨小梁的影响。 目的：进一步研究骨质疏松大鼠股骨内局部注射辛伐他汀对股骨髁骨小梁的影响。为将辛伐他汀应用于临床骨质疏松局部治疗提供实验基础。 方法：18只雌性SD大鼠双侧卵巢切除后3个月,制备大鼠骨质疏松模型。实验大鼠随机数字表法均分为3组,分别在实验大鼠的右侧股骨髓腔内单次注射辛伐他汀溶液5 mg、10 mg,对照组单纯注射空白载体。分别在注射后1个月处死大鼠并取材。Micro-CT扫描并定量分析骨组织形态变化。 结果与结论：给药后1个月,Micro-CT扫描结果显示,辛伐他汀治疗组的骨微结构参数如骨皮质厚度、骨小梁密度及连接率明显优于对照组。说明疏松骨骼单次注射小剂量辛伐他汀可显著促进股骨髁部骨小梁改建,改善骨骼微结构,可为强化局部、防治骨质疏松骨折的新选择进一步提供实验基础。