人工颈椎复合关节系统优化设计的研究

目的对人工颈椎复合关节系统进行优化设计研究。方法建立人工颈椎复合关节系统的三维模型,并对其进行网格划分,设置植骨孔特征尺寸的变化范围。模拟假体系统在体负载情况对模型进行优化设计分析。对不同尺寸特征的假体系统进行应力、应变分析,并评价系统安全因数。结果计算结果显示系统最大应力出现在植骨孔下方中间区域,最小安全系数出现在上方椎间盘假体和衬垫接触部分。随着植骨孔的扩大,最大应力逐渐增大,最小安全因数呈抛物线变化。结论综合考虑系统的稳定性和植骨需要,认为当植骨孔特征尺寸为3mm时,系统整体效果最优。     

PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换后椎体应力及关节突关节间压力有限元分析

目的:分析PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘对椎体的应力和关节间压力作用,了解节段间运动载荷传递方式及作用机制。方法:通过实体CT扫描方式建立颈4~5节段PrestigeTM-LP人工椎间盘置换有限元模型。生理载荷下前屈、后伸、左侧弯、左轴向旋转时测量颈5椎体应力和颈4-5关节突间压力变化。结果:运动加载后C5椎体应力均有不同程度增大,表现出与运动加载方向一致的应力偏移改变。相比于前屈,后伸时双侧关节突间压力明显增大。左侧弯时左侧关节突间压力增大,左轴向旋转时右侧关节突间压力明显增大。结论:采用有限元模型进行骨性结构的应力及压力分析具有形象及精确的优点。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换有效地起到椎体间应力传递和保留关节突关节间压力作用,具有接近正常颈椎的生物力学特性。     

颈椎三维运动对关节突关节压力的作用

背景:颈椎关节突关节压力变化是颈椎生理运动中的一个重要环节,但目前缺少对颈椎生理载荷下关节突间接触压力的直接测量研究。目的:通过测量颈椎三维运动中关节突关节压力的变化,探讨关节突对颈椎应力分布和运动协调的作用。方法:6具成年男性新鲜尸体颈椎标本(C2~C7)作为测试对象,将预制的压敏片置于C3~4、C4~5和C6~7左侧关节突关节内。标本先给予75N跟随载荷,再以持续加载模式加载力偶。屈伸和侧弯最大2.0N?m载荷,轴向旋转最大4.0N?m载荷,测量零力偶和最大力偶时的关节突关节内压力。结果与结论:零载荷时,C3~4、C4~5和C6~7左侧关节突分别承受75N跟随载荷的20.6%,20.0%,21.3%。在运动加载后,完整颈椎在后伸、左侧弯和右旋时均表现为左侧关节突间压力明显增大(P0.05);但前屈、右侧弯和左旋时左侧关节突间压力无明显改变。3个节段在各运动方向关节间压力变化无显著性差异(P0.05)。结果提示关节突关节内压力变化主要取决于关节突的角度和加载方向。颈椎关节突在传递分散颈椎应力和协调三维运动中发挥重要作用。     

基于有限元方法的不同球-窝设计参数的人工颈椎间盘生物力学分析

本文采用三维有限元方法评价不同球-窝曲率半径的ProDisc人工颈椎间盘在植入颈椎后的生物力学差异,为人工椎间盘的设计改进和临床应用提供生物力学参考依据。首先建立C5-C6节段的三维有限元模型并验证,同时建立曲率半径分别为4、5和6mm的人工颈椎间盘有限元模型并分别植入C5-C6节段,对所有置换模型都施加74N的轴向压缩预载荷和1.8Nm的前屈/后伸、左右侧弯和轴向旋转力矩,进行有限元计算。计算结果显示球窝结构的曲率半径会改变植入节段的屈伸关节活动度,而在其他载荷下差异不明显。增大曲率半径可改善聚乙烯内衬应力集中现象,但同时也会伴随小关节力、韧带张力增大的不良结果。因此,人工椎间盘的设计应综合考虑保留运动节段的关节活动度同时又不致小关节、韧带、聚乙烯等的应力过大,以免影响长期临床效果。     

颈椎小关节切除前后的蠕变特性

背景：创伤和颈椎退变都会使颈椎丧稳定性,需手术治疗,有时需切除小关节,目前对单独切除小关节后的蠕变特性评价鲜有报道。 目的：比较正常颈椎标本和切除颈椎C5~6小关节的蠕变力学特性,确定小关节切除是否对蠕变力学特性造成影响。 方法：在日本岛津电子万能试验机上对正常和切除小关节标本进行蠕变实验,模拟人体温在(36.5±0.5) ℃的温度场下以5%/s的应变增加速度对标本施加应力,设定时间为7 200 s。采集100个数据采用三参数模型计算蠕变方程。 结果与结论：正常和小关节切除颈蠕变曲线是以指数关系变化的,在最初600 s应变变化较快,随时间延长应变缓慢上升,正常和小关节切除组7 200 s蠕变量差异显著(P < 0.05)。说明三参数模型计算简便,能很好的拟合蠕变曲线,通过这种理想化的方程,可以定量说明两组标本差异显著。 关键词：蠕变;正常;小关节切除;颈椎;曲线 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.04.007      

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。     

人工腰椎间盘植入后小关节应力分布的比较研究

目的:通过三维有限元的方法研究正常椎间盘、髓核摘除、人工腰椎间盘三组小关节的应力分布,探讨人工腰椎间盘植入小关节应力分布的影响.方法:利用有限元软件MSC.MARK,建立正常椎间盘、髓核摘除、人工腰椎间盘及L4～5运动节段的三维模型,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:在各种运动状态下髓核摘除组小关节的应力最大,人工腰椎间盘组的小关节应力比正常椎间盘高,但明显小于髓核摘除组,但在旋转状态下,人工腰椎间盘小关节的中心部位承受的应力最大.结论:人工腰椎间盘植入后与髓核摘除组相比可降低小关节的应力,但仍高于正常的腰椎间盘组;人工腰椎间盘组的抗旋转能力明显低于正常腰椎间盘组和髓核摘除术后组,由此可见,目前的人工腰椎间盘具有腰椎间盘大部分的力学功能,与真正的腰椎间盘仍有差别.     

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。     

颈椎拔伸旋转手法内在应力的实时监测

目的研究颈椎拔伸旋转手法内在应力的分布特点。方法应用有限元分析软件在颈椎CT片基础上逐步重建C3/4～C6/7颈椎模型并网格化。将颈椎拔伸旋转手法分解后的各项力学参数代入模型进行计算分析,即时显示手法作用时模型内在应力的变化。结果拔伸过程,模型应力集中的区域及大小呈由大减少再增大的趋势,应力主要在C3/4关节突关节;拇指向左推C4棘突过程中,C4棘突的左下部、根部、棘突左侧根部与椎弓根结合处先后出现应力集中,最大应力为9.627kPa;颈椎向右旋转40°的过程中,C3～6双侧关节突关节,C4～6的椎弓、棘突根部、二者结合处及椎体侧方等都先后出现应力集中,右侧C3/4关节突关节应力最大,为363.6kPa。颈椎快速返回中立位,模型应力集中的区域及大小均快速减少。结论颈椎拔伸旋转手法下的颈椎有其独特的应力变化规律。关节突关节在颈椎活动中承受主要应力。右旋40°时模型所受压力最大,但不会损伤正常颈椎骨性结构。     

颈椎间盘部分切除对钩椎关节轴向应力影响的实验研究

钩椎关节是正常成人颈椎３－７所特有的滑膜关节，正常情况下起着稳定颈椎的作用［１］。本研究通过测试颈椎功能单位在轴向载荷下．在椎间盘部分切除术前后，钩椎关节所承受的压应力变化，进行其生物力学方面的研究，旨在探讨钩椎关节的生理及病理情况下的临床意义。     

仿生人工关节囊研究(1)-力学仿真

我们建立了有仿生关节囊的人工关节简化的三维模型,用有限元数值方法,对所建模型在不同载荷、不同角位移、不同关节囊厚度情况下的受力状况进行了计算分析。结果表明:在仿生人工关节囊中,最大应力发生在关节囊与股骨/胫骨相接触区域。仿生关节囊厚度对关节囊应力大小和分布的影响与运动状态有关:在静止站立状态,最大应力数值随囊厚增加而减小;在行走步态,最大应力数值随囊厚增加而增大。在不同情况下,最大应力数值都在所选用的关节囊材料的强度极限(9.97 MPa)范围内。     

多间隙微创前路椎间孔减压术对颈椎稳定性的影响

背景临床上颈椎钩突关节增生经常是多节段存在,由于多间隙病变复杂,手术方案的制定需要考虑多种因素。临床医生发现,即使是采用微创前路椎间孔减压术治疗两节段的神经根型颈椎病,减压充分后也不一定都需要行椎间融合术。目的本文对两个节段的钩突进行部分切除后,研究对颈椎稳定性的影响。方法依据健康志愿者的影像学资料,采用Mimics13.1、Solid Works2012软件建立三维几何模型,ANSYS15.0软件进行网格划分和网格优化,赋值各类组织的材料属性,建立颈椎(C2-C7)三维有限元模型,通过有限元分析技术研究部分切除单侧两个钩突后对颈椎稳定性和邻近节段椎体应力的影响。结果采用文中所述切除方法进行左侧钩突部分切除后,当切除双节段(60+60模型)时,各个工况下的最大位移相对于前3种切除方式均有明显的增大,而且各个工况下的最大应力相对于前3种切除方式均有显著增大。结论随着切除节段的增多和切除范围的增大,节段之间的活动度增大,局部应力增大,给颈椎带来一定的影响,导致颈椎不稳,加速颈椎的退变。因此在制定手术方案时,要严格掌握手术适应证,除非有明确的神经根、脊髓受压的指征,否则不可盲目扩大切除范围。     

自就位个性化钛网连接体的优化设计

目的 对3D打印自就位钛网主体与两端定位翼的连接处进行优化,包括定位翼厚度、宽度以及连接处构型。分析优化改进前后仿真模型的结构性能,最终获得最优设计的新型自就位钛网。 方法 基于 SolidWorks 软件,构建自就位钛网仿真模型,优化、改进尺寸参数。 采用仿真软件 ANSYS Workbench 对连接处厚度和宽度进行多目标 优化设计。 并在连接处设计间断连接构型,获得优化后的自就位钛网。 结果 当对新型自就位钛网嵴顶外表面施加 40 N 载荷,连接处最大应变未超过钛网的断裂应变,且应力与变形皆在可接受范围内。 当对一侧定位翼的游离端施加 10 N 的 45°弯折力时,连接处最大应变超过了钛网的断裂应变,且裂纹集中于连接线处。 虚拟模型的仿真结果与力学性能验证试验的结果基本一致。 结论 通过优化自就位个性化钛网连接体的尺寸以及构型,实现手术中摆放、按压个性化钛网时,连接体不发生折断和较大位移。 术后对定位翼游离端简单弯折,即可实现连接体沿连接线整齐断裂分离,并且断面光滑平整。 本研究对自就位个性化钛网连接处尺寸及构型进行的优化取得了较为理想的临床效果。     

个性化人工髋关节的多代理设计系统

本文在介绍代理的基本概念与个性化人工髋关节设计过程的基础上，提出一种基于联邦制多代理机制的个性化人工髋关节多代理设计系统。定义了三个代理：个性化人工髋关节柄部直径优化代理，股骨－假体的平面应力分析代理，全髋置换中假体－髋臼杯运动学代理。并重点对髋关节股骨一假体的平面应力分析代理模块进行了说明。     

Modeling intervertebral articulation: The rotule à doigt mechanical joint (RAD) in birds and mammals

The vertebrate skeleton is composed of articulated bones. Most of the articulations are classically described using mechanical joints, except the intervertebral joint. The aim of this study was to identify a joint model with the same mechanical features as the cervical joints. On the neck vertebrae, six articular surfaces participate in the joint: the cranial part of the centrum and the facets of the two prezygapophyses of a vertebra articulate on the caudal part of the centrum and the two articular facets of the postzygapophyses of the previous vertebra. We used the intervertebral joints of the birds neck to identify the mechanical joint representing intervertebral linkage. This link was described in the literature as a joint allowing two or three rotations and no translation. These features correspond to the rotule à doigt (RAD) joint, a ball and socket joint with a pin. We compared the RAD joint to the postaxial intervertebral joints of the avian neck and found it a suitable model to determine the geometrical features involved in the joint mobility. The difference in the angles of virtual axes linking the geometrical center of the centrum to the zygapophysis surfaces determines the mean dorsoventral flexion of the joint. It also helps to limit longitudinal rotation. The orientation of the zygapophysis surfaces determines the range of motion in both dorsoventral and lateral flexion. The overall system prevents dislocation. The model was validated on 13 joints of a vulture neck and 11 joints of a swallow neck and on one joint (C6–C7) in each of three mammal species: the wolf (Canis lupus), mole (Talpa europaea), and human (Homo sapiens). The RAD mechanical joint was found in all vertebral articulations. This validation of the model on different species shows that the RAD intervertebral joint model makes it possible to extract the parameters that guide and limit the mobility of the cervical spine from the complex shape of the vertebrae and to compare them in interspecific studies.     

前路钢板置入固定治疗骶髂关节脱位的三维有限元分析

背景：已有文献报道骶髂关节损伤及固定的生物力学研究,但多是在尸体标本或人工骨模型上模拟骶髂关节损伤。 目的：利用三维有限元方法对骶髂关节脱位前路钢板内固定的垂直稳定性进行分析。 方法：在完整骨盆三维有限元模型的基础上,建立一侧骶髂关节脱位后前路钢板内固定模型。对模型施加500 N轴向载荷,经计算得到应力、应变及位移云图,并与完整骨盆的同一工况进行比较分析。 结果与结论：在内固定系统处出现了应力集中现象,尤其以靠近骶髂关节的螺钉周围应力最大,远远大于完整骨盆同一工况下的最大应力。应变以健侧骶髂关节最大,内固定侧骶髂关节无应变。位移以损伤侧骶髂关节处最大,约为完整骨盆的2倍。提示前路钢板内固定治疗骶髂关节脱位,骨盆在垂直方向上稳定性较差,且钢板螺钉处出现了应力集中现象。     

The influence of geometry on the stress distribution in joints — a finite element analysis

The incongruity of human joints is a phenomenon which has long been recognized, and recent CT-osteoabsorptiometric findings suggest that this incongruity influences the distribution of stress in joints during their normal physiological use. The finite element method (FEM) was therefore applied to five different geometric configurations consistent with the anatomy of articular surfaces, and a program with variable contact areas (Marc) was used to calculate the stress distribution for loads of 100 to 6 900 N. The assumption of congruity between head and socket results in a “bell-shaped” distribution of stress with a maximum value of 61.5 N/mm² in the depths of the socket, decreasing towards zero at its edges. In the model with a flatter socket the von Mises stresses are higher (max. 101.3 N/mm²); with a deeper socket, lower (max. 53.0 N/mm²). If the diameter of the head is greater, the stresses build up from the periphery of the socket and move towards its depths as the load increases. The combination of an oversized head and a deeper socket results in the most satisfactory stress distribution (max. 43.2 N/mm²). These results extend previous photoelastic findings with incongruous joint surfaces. The calculated mechanical conditions show a relationship to the location of osteoarthritic changes, and are reflected by the distribution pattern of subchondral bone density. A more satisfactory stress distribution is found with functionally advantageous, incongruous joint surfaces (oversized head and deepened socket) than in the congruous joint, and a better nutritive situation for the articular cartilage seems likely. The geometry of the joint is therefore a physiologically important and quantifiable factor contributing to an optimized transmission of forces in joints.     

睡姿和枕高对颈椎应力影响的三维有限元分析

背景：目前睡姿和枕高的研究主要集中在临床方面,多采用统计调查、测量及影像学相结合的方法。但采用三维有限元法分析睡姿和枕高对颈椎应力影响的研究至今鲜见报道。 目的：采用数学仿真的方法探讨睡姿及枕高对颈椎应力的影响。 方法：以正常人体头颈CT图像为原始数据,依次经过Mimics 10.0、Geomagic Studio 11.0及Hypermesh 10.0软件建立全颈椎的三维有限元模型,利用Abaqus 6.10软件仿真分析仰卧状态与侧卧状态不同枕高下颈椎的应力特性。 结果与结论：睡姿和枕高对颈椎应力均有影响。枕高相同时,仰卧位椎间盘应力的最大值大于侧卧位。同样睡姿下,颈椎椎体及椎间盘的应力值均随枕高的增加而增大。从颈椎应力的生物力学角度看,侧卧比仰卧更有利于颈椎的健康,且仰卧位枕高应低于侧卧位。     

新型钛合金人工腰椎间盘的生物力学研究

目的研制一种新型钛合金人工腰椎间盘并评价其生物力学特点。方法设计一种新型两部件球窝关节人工腰椎间盘,使用新型低弹性模量钛合金(50GPa)制造,应用生物材料试验机分别进行压缩刚度、扭转刚度、疲劳强度生物力学检测。结果新型钛合金人工腰椎间盘具有前屈、后伸、左右侧弯功能。压缩刚度为不锈钢的1/3,约为50～66.7GPa;扭转刚度为388.54N·m/(°);经过1×107次反复压缩疲劳测试,并未发生明显的变形及损坏。比较测试前、100、200、500、1000万次疲劳测试后压缩刚度没有统计学差异。结论新型钛合金人工腰椎间盘符合人体力学要求。