基于AnyBody脑卒中患者手部抓握训练的肌肉力学特性分析

目的建立手部抓握的骨骼肌生物力学模型并进行逆向动力学仿真,得到不同受力时手部抓握过程各参与肌肉的最大肌肉力。方法选择1名志愿者对其手部进行CT扫描,将得到的手部CT数据导入Mimics软件进行三维重建,获得各节骨模型,通过Geomagic Studio重新调整模型坐标后导入AnyBody软件,建立手部骨骼运动学模型。添加参与各手指屈曲的相关肌肉,建立手部骨骼肌模型。使用该模型进行手部抓握的逆向动力学仿真。结果分别在各远节指骨上施加5～30 N不同外力后,得到各肌肉在整个运动过程中的最大肌肉力。随着力的增加,各肌肉最大肌肉力也呈线性趋势增大,如拇长屈肌的最大肌肉力从18.49 N增加到110.93 N;且在外力5 N时,手指抓握过程中拇短屈肌、拇长屈肌、拇收肌、小指短屈肌的最大肌肉力分别为7.70、18.49、9.49、8.39 N,指浅屈肌、指深屈肌在各手指运动过程的肌肉力远大于其他肌肉,对手部抓握起主要作用。结论参与手部抓握各肌肉在不同阻力时的最大肌肉力,以及主要肌肉的肌肉力与关节角度的关系,可为评价脑卒中患者手部康复效果提供指导及参考,也可为康复设备制造提供一定的理论依据。     

肱骨远端三维有限元模型的建立及生物力学分析

背景：采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学分析得到了广泛应用,但是关于肱骨远端的有限元分析较少,且所建模型粗糙,方法繁琐。 目的：建立肱骨远端的三维有限元模型,并模拟不同受力状态下的应力分布及应变特征。 方法：通过对正常成年男性肘关节的多排螺旋CT扫描,获得连续断层图片,导入Mimics医学建模软件生成实体模型后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS 10.0,进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型。约束边界条件,模拟肱骨远端轴向受力,得出肱骨远端有限元模型上的应力分布与应变结果。 结果与结论：建立的肱骨远端有限元模型总单元数为6 292,总节点数为10 232。肱骨远端在轴向载荷状态下的应力集中主要位于内、外侧柱区域。提示建立的有限元模型精确度高,符合肱骨远端的临床特点,较好地模拟了肱骨远端的生物力学特性。     

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。     

有限元法分析不同截肢术后胫腓骨远端的应力和位移变化

建立小腿传统截肢和骨肌肉成形切断术两种手术的动物模型,在Simpleware 6.0和Abaqus 6.12软件中建立两种实体模型和有限元模型。通过模拟生理条件下应力做加载,进行有限元分析,计算表明在相同的负载条件下,骨肌肉成形切断术残端胫腓骨的相对位移在对抗屈曲、伸直、压缩载荷时比传统截肢术明显减少;胫腓上联合的相对位移在对抗屈曲、伸直、外展载荷时比传统截肢术明显减少,而对抗内收载荷时则明显增加。骨肌肉成形切断术残端在对抗屈曲、伸直、外展、压缩和旋转载荷时腓骨承受的应力比传统截肢术明显增加,而胫腓上联合的应力比传统截肢术明显降低。因此,骨肌肉成形切断术利用腓骨骨桥增加腓骨承受力并稳定上胫腓联合,消除腓骨在受力时存在的不稳定,具有良好的生物力学效果。     

人体膝关节股胫关节运动特性分析

目的　分析人体正常膝关节和人工膝关节高屈曲活动下股胫关节的运动,为膝关节运动特性研究、假体设计提供参考。 方法　选取健康志愿者,利用CT和MRI扫描数据建立正常全膝关节三维有限元模型以及TKA术后有限元模型,采取三束股四头肌肌力非同步变力加载,模拟人体下蹲运动,以分析股胫关节的相对运动特性,并检索相关研究结果以便对比分析。 结果　获得正常膝关节以及TKA术后人体下蹲过程中股骨相对胫骨的三维相对运动数据,结果表明,TKA术前、后股胫关节相对运动的总体趋势相近,同时在前后位移、远近位移、内外位移、内收外展和内外旋等最大值方面存在差异;同时通过对比分析TKA前后股胫关节相对运动以及相关文献数据,发现结果存在不同程度差异。 结论　究其原因,正常膝关节相对运动差异主要在于股胫关节各个运动方向上和不同屈曲度时约束程度的改变;人工膝关节相对运动差异主要来源于膝关节型面和结构的改变;同时与坐标系的定义、在体和离体的差异、负荷加载的差异相关。本研究针对人体正常膝关节和TKA术后膝关节股胫关节运动进行有限元仿真分析,对膝关节运动特性研究具有一定的参考价值。     

基于弓丝预应力分析的正畸有限元仿真

利用CT扫描的牙齿数据,使用逆向工程软件Mimics和CAD软件Catia,建立了具有较高精度的包含正畸托槽、牙弓、牙周膜和颌骨在内的可以进行布尔运算的实体模型;基于高等机构学的理论,将弓丝装配过程等效为托槽移动的过程,分析求得该等效过程中托槽运动的参数,利用所得参数对等效过程进行有限元仿真,以获得弓丝初始预应力及弓丝作用在每颗牙齿上的初始力和力矩;将牙齿和牙槽骨建模为刚性接触体,牙周膜为弹性体,施加分析获得的初始力系,进行接触分析,得到正畸临床状态下整个上牙颌牙周膜的应力大小和分布.通过对矫治器和牙弓、槽骨联合建模,并使用空间螺旋坐标系,本方法可以获得临床状态下的正畸矫治力和牙周组织响应,为正畸理论研究和临床实践提供指导.     

髓内钉与锁定钢板治疗肱骨近端骨折的有限元分析

背景：髓内钉及锁定钢板治疗肱骨近端骨折在临床中应用广泛，但其内固定方式选择尚未达成共识。目的：通过有限元分析比较髓内钉与锁定钢板治疗两部分及三部分肱骨近端骨折的生物力学稳定性。方法：收集1名志愿者肱骨CT数据，导入Minics 21.0、Geomagic Wrap、SoildWork 2017及Abaqus 2021中，建立两种内固定方式治疗两部分及三部分骨折的有限元模型，分别为A组(髓内钉固定两部分骨折)、B组(锁定钢板固定两部分骨折)、C组(髓内钉固定三部分骨折)、D组(锁定钢板固定三部分骨折)，对比分析肱骨及内固定物的应力分布、位移程度及其最大值。结果与结论：(1)A组模型中肱骨的最大应力及最大位移值最小，D组模型中肱骨的最大应力及最大位移值最大，锁定钢板组应力主要集中在肱骨头内侧下方及螺钉孔区域，而髓内钉组应力主要集中在骨折线周围及肱骨外科颈外侧下方区域，两者位移分布无明显差异，主要集中在肱骨远端；(2)A组模型中髓内钉的最大应力值最小，D组模型中锁定钢板的最大应力值最大，两种内固定的最大应力均主要集中在肱骨距螺钉及与内固定连接处，锁定钢板的应力云图分布集中，而髓内钉的应力云图...     

肱骨骨折重建及三维有限元分析

本文以肱骨横截面CT图像为解剖学基础,提取骨端面的几何形状,进行三维重建,建立肱骨的三维有限元模型。对于骨折断面与肱骨轴线成30°、45°、90°的情况,运用国际上通用的大型有限元分析程序ANSYS5.6进行计算,分析肱骨在轴向受压时的应力分布及大小,并应用骨重建理论分析所提供的力学环境讨论它对肱骨骨折愈合的影响,为肱骨骨折治疗提供理论依据。     

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。     

基于三维有限元仿真模拟的踝骨损伤生物力学分析

采用核磁共振扫描仪和Autodesk三维建模软件构建的踝骨实体模型,导入美国ANSYS生产的大型通用有限元分析软件中,获取踝骨三维仿真有限元数字模型,分析不同载荷下踝骨损伤生物力学的三维有限元模型,通过踝骨位移云图、踝骨应力分布云图以及踝骨应变分布云图,分析踝骨整体的位移变化,判断踝骨的受损位置和踝关节的形变量,得到踝骨在不同荷载下的等效应力、等效弹性应变和总形变情况。实验结果表明,静止中立位踝骨各组成骨发生位移会随着踝骨受到载荷力的增加而增加;内翻位踝骨受到大于1 600 N荷载容易发生骨折;不同踝骨屈服角度下,踝骨中立位随牵引力增加,距骨前移距离最大,且踝骨发生背屈屈服时的距骨位移略大于跖屈屈服。