第95百分位中国人头部颅脑相对位移的有限元评估

目的构建第95百分位中国人头部有限元模型,分别参照4种不同类型的颅脑相对位移试验对其进行有效性验证,并评估颅骨与脑组织之间的相对位移,同时探讨脑组织的剪应变分布。方法比较试验与仿真中的颅脑相对位移曲线,并结合动物试验和物理试验中所得出的结论,探讨较高剪应变出现的位置。结果仿真所得的颅脑相对位移曲线与试验结果基本吻合,由于脑组织总是恢复到初始状态,曲线总是出现波峰和波谷。较高剪应变出现在大脑颞叶、胼胝体和脑表面的位置,与动物试验和物理试验中所得出的结论较为相符。结论第95百分位中国人头部有限元模型具有良好的生物仿真度。由于头部的旋转运动,脑表面和脑组织深处都会出现较高的剪应变,从而导致损伤,故本文的研究结果为开展在交通事故中头部损伤机理的研究提供了科学的理论依据。     

中脑水管处脑脊液循环的计算流体力学分析

目的:建立脑室系统的三维有限元模型,对脑脊液进行流固耦合流体力学分析。方法:以正常受检者的颅脑MR图像为数据源,在Mirnics 14.0中建立包括整个脑室系统的三维数字化模型,再导入到Ansys 13.0软件中进行有限元模型的建立,并模拟流固耦合条件下中脑导水管处脑脊液的流体力学变化。结果:得到了真实的脑室系统三维数字模型及正常中脑水管的有限元模型,进行有限元计算得出了一系列的可视化流体数据。结论:针对脑脊液物理特性的流固耦合研究更符合实际生理,为脑脊液循环计算流体力学研究提供了比较准确的模拟方法 。     

肺部肿瘤运动的数值模拟

目的模拟肺部肿瘤在呼吸作用下的运动,探索有限元分析方法模拟肺的变形和肺部肿瘤运动的可行性。方法利用四维CT影像获得病人从吸气开始到结束各相位的图像,以计算机辅助设计表面重建方法提取吸气过程中的肺表面形态。根据吸气开始时刻表面建立有限元模型。根据各相位表面与吸气开始时刻表面的差异,提取位移载荷。将位移载荷施加到模型表面,通过有限元计算,模拟肿瘤在呼吸过程中的运动和变形。结果数值模拟表明,肺变形的误差在2 mm以内,肿瘤位移和变形的误差在1 mm以内。肿瘤在弹性模量为50 kPa时,模拟的位移和变形精度更高。结论采用有限元法可实现肺部和肺内肿瘤运动模拟,本研究为基于数值模拟的肺部肿瘤非射线追踪方法提供了依据。     

两种钛合金-骨界面的力学生物学研究

目的研究两种钛合金-骨界面的力学及生物学特性,从力学生物学的角度探讨不同钛合金-骨界面对骨细胞生物学行为的影响。方法通过建立钛合金内植物与骨相互作用的力学模型,分析材料属性变化对钛合金-骨界面力学性能变化的影响。通过动物体内实验,运用Micro-CT分析技术及组织切片观察不同钛合金-骨界面骨细胞生物学行为。结果钛合金-骨界面力学模型的理论推导和分析提示:TAV-骨界面的相对位移约是Ti2448-骨界面的相对位移的1.8倍。动物实验结果提示:Ti2448-骨界面周围骨质骨矿含量及骨质量均优于TAV-骨界面周围骨质。结论对于钛合金-骨界面而言,相对位移可能是力影响骨细胞功能的作用因素,较小的相对位移更有利于界面骨细胞的增殖,通过降低材料弹性模量,能够有效减低钛合金-骨界面相对位移,是实现钛合金-骨界面的更好愈合的可行方案。     

基于不同应变判定准则模拟皮质骨断裂的准确性

文题释义：基于等效应变断裂模拟：即在大鼠股骨皮质骨断裂模拟过程中，应用皮质骨有限元模型在外部载荷作用下所产生的等效应变数值，与皮质骨组织的失效应变进行对比，当等效应变数值大于皮质骨组织失效应变时，有限元模型内的单元便发生失效，直至失效单元达到一定数量，模型便发生整体失效，此过程为基于等效应变的断裂模拟。 基于主应变断裂模拟：即在大鼠股骨皮质骨断裂模拟过程中，应用皮质骨有限元模型在外部载荷作用下所产生的主应变数值，与皮质骨组织的失效应变进行对比，当主应变数值大于皮质骨组织失效应变时，有限元模型内的单元便发生失效，直至失效单元达到一定数量，模型便发生整体失效，此过程为基于主应变的断裂模拟。 背景：由于意外碰撞等外力因素所产生的皮质骨裂纹是引起骨折的重要原因之一，要防止此类骨折发生，首先需弄清不同载荷作用下皮质骨裂纹的产生与扩展机制。由于实验分析对样本具有破坏性，难以同时了解骨结构在断裂前后的内部力学状态，找到一种能够准确模拟皮质骨从裂纹产生、扩展，直至断裂过程的有限元方法就显得尤为重要。当前模拟方法主要应用主应变或等效应变判定模型单元力学状态，继而进行断裂模拟，却鲜有关于这2种应变进行模拟准确性的探究。 目的：验证应用主应变与等效应变进行皮质骨断裂模拟的准确程度。 方法：结合实验与仿真分析，应用主应变与等效应变进行皮质骨断裂模拟，将仿真与实验结果进行对比，确定应用哪种应变进行模拟更加准确。 结果与结论：①应用主应变模拟的皮质骨断裂时间要明显晚于应用等效应变；②通过与实验对比发现，相比主应变，应用等效应变进行仿真所得结果与实验值更为接近；③因此，应用等效应变进行皮质骨断裂模拟相对更加准确。 ORCID: 0000-0003-0313-1359(王伟军) 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     

种植义齿相对位置对食物嵌塞影响的有限元分析

背景:种植义齿是一种固位、支持、稳定功能都很出色的牙修复体,但其种植后的塞牙现象是困扰广大牙列缺损患者的一个普遍现象。目的:应用有限元分析法针对食物嵌塞这一问题进行生物力学数值模拟分析,给出种植义齿的相对宽度、相对高度、相对角度对食物嵌塞影响的定量关系。方法:为研究种植义齿相对牙齿在不同宽度、高度、角度情况下对食物嵌塞的影响,设计了义齿上部结构不同宽度组(分5个亚组:5.6,5.7,5.8,5.9,6.0 mm)、义齿上部结构不同高度组(分5个亚组:6.6,6.8,7.0,7.2,7.4 mm)、义齿不同种植角度组(分5个亚组:92°、91°、90°、89°、88°)、自然牙牙冠不同宽度组(分5个亚组:5.6,5.7,5.8,5.9,6.0 mm)、自然牙牙冠不同高度组(分5个亚组:6.6,6.8,7.0,7.2,7.4 mm)、自然牙不同生长角度组(分5个亚组:92°、91°、90°、89°、88°)4颗牙齿局部牙列模型,每个亚组通过改变第3个牙齿部件的相对位置来设计,其余条件相同。对所有牙列模型进行食物嵌塞数值模拟,并分析牙齿受力形变情况,比较各组间受力前后牙间隙宽度曲线。结果与结论:①随着种植义齿上部结构宽度的增加,义齿受力后水平总位移缓慢减少;当上部结构宽度为5.9-6.0 mm间时,自然牙受力变形后牙间隙迅速减小,此时种植义齿对食物嵌塞的影响趋近于自然牙情况下的食物嵌塞状况;②当义齿上部结构高度低于邻牙时,随着该义齿上部结构高度的增加,受力后牙间隙先增大后减小;当义齿低于邻牙且高度在6.8-7.0 mm之间时,受力后牙间隙迅速减小;③义齿受力前后水平总位移随着种植角度的增加缓慢减小;④结果表明为减小食物嵌塞现象,种植义齿与邻牙间隙应小于0.05 mm,种植义齿上部结构高度应低于邻牙0.2 mm左右,种植角度应约等于90°。     

建立正常人C_(2～7)的三维有限元模型

背景:随着计算机技术的发展,颈椎生物力学研究不再局限于动物或人体尸体实验,计算机模型可以进行更准确的生物力学研究。目的:在已有研究的基础上,建立人体C2～7三维有限元模型,以期为颈椎前路分节段减压融合的生物力学研究提供参考数据。方法:选择1名28岁健康男性志愿者为观察对象,无明显的颈椎病史,扫描前先拍摄颈椎正侧位、斜位、过伸过屈位X射线片以排除颈椎病变。首先根据志愿者CT扫描图片,采用计算机辅助设计数据处理技术,输入相关的材料特性,构建C2～7三维有限元模型。模型重建采用先进的Geomagics系统,可以准确模拟颈椎结构,有限元部分则采用广泛使用的ANSYS系统。其次在1.8N?m作用力下,观察节段运动与力-位移反应,并与国外的实验结果对比,在前屈、后伸、侧弯和旋转等4种工况(载荷状态)下对模型进行验证。结果与结论:整个模型包括C2～7六个椎体、C2/3～6/7五个椎间盘以及后部结构与主要韧带,共有23348个节点和215749个单元。在模拟外力的作用下,模型前屈、后伸、侧弯和旋转工况下的颈椎活动度与以往实验模型结果数据基本吻合。提示所建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验,进行生物力学分析。     

颅脑撞击伤时脑组织内动态应力场的数值模拟

为探索颅脑撞击伤的力学机理,采用数值模拟的方法对撞击过程中颅脑内应力场的形成和发展进行了数值模拟。撞击载荷垂直撞击头颅的过程可以描述为一个平面二维问题,通过二维有限差分法（FDM）进行数值模拟和分析。该结果可为研究颅脑撞击伤的致伤机理及其救治和防护提供重要的理论依据。     

实体肿瘤血管任意方向生成的二维数值模拟

目的　二维数值生成实体肿瘤任意方向生长的血管网，为研究实体肿瘤内血液动力学、药物输运以及抗血管生成提供更趋真实的微血管网络结构。方法　将新生血管芽尖的内皮细胞迁移方向由先前模型的上、下、左、右四个方向扩展为任意方向，建立相应的二维离散模型，数值模拟实体肿瘤微脉管系统的生成过程，比较模拟结果与相关实验数据的符合程度。结果　对盲肠肿瘤微血管网进行数值模拟，与改进前的模型和其他模型比较，本模型生成的肿瘤微血管网结构特征，如血管的走向、扭曲、分叉与融合等，更接近生理实际，与实验观测图像的相似度更高。结论　该模型可模拟实体肿瘤的微血管网生成，为肿瘤内血液微循环、药物传递以及抗血管生成的理论研究提供较为接近实际的微血管网络结构。     

儿童肱骨三维有限元建模及验证

背景：有限元数值模拟力学实验方法是对人体进行生物力学结构研究的有效手段。 目的：建立正常6岁健康儿童肱骨的三维有限元模型。 方法：使用某6岁儿童志愿者的人体CT数据,导入到Mimics 10.01软件中,应用阈值分割的方法进行肱骨三维重建。运用Geomagic Studio 12.0对模型表面进行表面优化处理及曲面片的划分,然后使用TrueGrid软件进行网格划分,最后对其进行材料属性赋值,完成有限元模型的构建。施加边界条件及约束,模拟肱骨的三点弯曲试验,输出模拟结果。 结果与结论：建立完成的肱骨有限元模型包括3 024个节点,8节点六面体单元1 875个,实验分别加载0.01 m/s和3 m/s的动态载荷,肱骨中部均发生断裂,载荷-位移曲线与尸体试验结果近似。模拟结果显示,儿童肱骨的有限元模型仿真结果与尸体试验结果较为接近,有限元仿真法可以很好的模拟人体骨骼的物理特性。