人体踝关节三维有限元模型的建立

目的建立正常人踝关节的三维有限元模型,作为该部位进一步有限元分析的基础.方法采用活体踝关节为标本,应用CT扫描技术及图形数字化方法获取踝关节的三维坐标,输入有限元分析软件,并通过确定材料特性参数和网格化,建立踝关节的三维有限元模型.结果建立的三维有限元模型几何形状与材料特性的还原性良好,可以满足有限元分析的需要 .结论采用CT扫描资料建立的三维有限元模型切实可靠,实体建模法将有限元模型的几何特征和边界条件的定义与有限元网格的生成分开进行,减少了模型生成的困难.     

踝关节骨折三维有限元模型的建立

目的　探讨建立踝关节骨折三维有限元模型的方法。方法　采用活体踝关节为标本 ,应用CT扫描技术及图形数字化方法获取踝关节骨折的三维坐标 ,输入有限元分析软件 ,并通过确定材料特性参数和网格化 ,建立踝关节骨折的三维有限元模型。结果　建立的三维有限元模型几何形状与材料特性的还原性良好 ,可以准确反映踝关节骨折的移位情况。结论　采用CT扫描资料建立的三维有限元模型切实可靠 ,有助于踝部移位骨折的正确诊断。     

体绘制分体建模法建立人体股骨有限元模型

背景：股骨三维有限元研究建模方法有很多种,而采用体绘制分体建模方法至目前为止尚未见报道。目的：采用体绘制分体建模方法建立正常人股骨三维有限元实体模型,分析该建模方法的优越性。方法：将CT原始图像进行去噪等预处理后,建立正常人股骨三维有限元模型,模型包括皮质骨、松质骨及髓腔3部分解剖结构。再将皮质骨分为3种材料、松质骨分为6种材料,骨髓为单一材料属性分体建模,并行有限元力学分析。结果：采用体绘制分体建模方法建立的人股骨三维有限元模型包括皮质骨、松质骨及髓腔解剖结构。结论：采用体绘制分体建模比整体建模单一划分材料更接近真实情况,更符合有限元分析的要求。     

股骨上段有限元几何模型的建立与分析

目的建立股骨骨结构三维有限元模型并对其进行分析以指导临床工作。方法在Mimics10.1中直接读取符合Dicom 3.0标准的股骨原始CT数据,经阈值设定、区域增长及形态学操作等生成股骨初始3D模型,后期结合有限元软件ANSYS12.1生成最终的三维有限元网格模型,然后在ANSYS12.1中分别对应用Mimics得到的模型进行分析。结果应用Mimics10.1和Ansys12.1软件建立股骨有限元模型,外形逼真、计算精确。结论 Mimics10.1软件能直接与Ansys12.1软件进行对接,并能根据CT值直接赋值使股骨上段三维有限元模型的建立更加快捷、精确。     

正常双腿站立位股骨上段应力分布的三维有限元分析

目的 用三维有限元方法分析双腿站立位时正常人体股骨上段的应力分布，验证该部位应力与结构的对应关系。方法 在建立股骨上段三维有限元模型的基础上，确定边界条件，加载负荷，用三维有限元分析软件计算并图示股骨上段应力分布。结果 股骨上段应力分布结构合理，验证了结构与功能的对应关系。结论 三维有限元分析与方法是一种简便实用的生物力学研究方法，可作为实验生物力学研究的验证和补充方法。     

个体化侧凸躯干骨和骨盆有限元模型的建立

目的 建立个体化青少年特发性脊柱侧凸(AIS)患者躯干骨(颈椎除外)和骨盆的三维有限元模型.方法 采用螺旋CT扫描AIS患者,共513层,经一系列图像软件处理,数据以IG-ES文件格式转入有限元分析软件ANSYS 8.0,建立AIS躯干骨(颈椎除外)和骨盆的三维几何模型,继而选择单元,赋予材料物理属性,划分网格,建成了有限元模型.根据临床实验的数据,对模型材料属性进行修正.修正后模型初步用来分析支具治疗的生物力学特点.结果 模型单元采用了4种单元类型,13种材料性质,共划分234338个单元,261095个结点,模型外观逼真,模型生物力学行为和真实情况相符合.模拟支具的的曲线变化与临床观察比较,误差为2.8%.结论 基于CT扫描数据,可以建立高仿真的形态和材料性质均个体化的侧凸躯干骨和骨盆的有限元模型.     

腭部种植支抗三维有限元模型的建立

目的：建立含腭部种植体(支抗种植体)的上领骨三维有限元模型，为进一步研究腭部种植体加强磨牙支抗的生物力学特征打下基础。方法：采用螺旋CT断层扫描、计算机图像处理、计算机辅助设计和有限元软件处理。建立含腭部种植体的上领骨三维有限元模型。结果：建立了符合生物力学研究需要的腭部种植支抗的三维有限元模型。结论螺旋CT扫描、图像数字化处理及CAD技术提供了一种准确可靠的建立三维有限元模型的方法。本实验有限元模型的建立为上领骨种植体的生物力学研究提供了一个平台。     

胫骨上端三维有限元模型的建立

目的 建立胫骨上端的三维有限元模型，以期为膝关节三维有限元的建立和研究，提供方法学和研究平台。方法 根据螺旋CT扫描图像，利用Ansvs有限元软件的由下向上的点、线、面、体的建模原则，对胫骨上端的三维有限元模型进行重建.结果 建立了胫骨上端的三维有限元模型。结论 本研究所建立的胫骨上端的三维有限元模型，能逼真地反应胫骨上端的真实几何结构。     

腰椎滑脱后路融合术式有限元模型的建立

目的建立腰椎滑脱L4，5后路不同融合术式的三维有限元模型，用于进一步的生物力学研究。方法根据1名成年女性腰椎滑脱志愿者的腰椎CT序列扫描图像和椎弓根螺钉、融合器的几何尺寸，借助Ansys9．0软件，用直接法建立L4椎体滑脱有限元模型，间接法建立椎弓根螺钉系统及融合器模型，然后根据临床术式组合成不同后路融合模型。结果通过直接法和间接法搭配使用，成功建立了腰椎滑脱不同后路融合术式的三维有限元模型，包括椎弓根螺钉内固定＋后外侧植骨融合、椎弓根螺钉内固定＋双枚融合器植入及椎弓根螺钉内固定＋单枚融合器植入模型等，这些模型高度模拟腰椎滑脱后路融合术式的结构与材料特性，结构完整，单元划分精细。结论所建立的腰椎滑脱后路不同融合术式的有限元模型准确可靠，可用来进行生物力学实验研究。     

股骨及髋臼纵向撞击伤的计算机模拟生物力学研究

目的建立具有生物力学特性的股骨及大部分骨盆三维有限元模型,探讨股骨远端发生撞击时响应过程及股骨各部和髋臼损伤的生物力学基础。方法采用GE多层螺旋CT对1例健康志愿者进行从骨盆上缘到胫骨平台部的CT扫描,三维影像重建,数据转换,运用自编程序与vtk软件相结合的方法,模仿刚体撞击股骨远端。分析在撞击时股骨干、股骨转子部、股骨颈和髋臼等部位的应力改变。结果当着力点位于股骨远端时,应力沿股骨干、股骨转子部、股骨颈向髋臼传导,并产生不同强度。前三部位应力达到峰值时间接近,髋臼应力发生延迟。结论股骨及髋臼纵向撞击伤的三维有限元模型可研究现实中难以反复再现的撞击状态;撞击中骨横截面积的变化和应力传导方向的改变会产生应力集中和梯度差,这可能是撞击伤的生物力学机制之一。     

有限元法分析后内侧骨折对近端股骨的力学影响

[目的]研究后内侧骨折对近端股骨的生物力学影响。[方法]利用CT扫描图像建立高度仿真的完整近端股骨的三维有限元模型,并在此基础上建立累及小粗隆和内侧皮质的后内侧骨折模型,并对模型进行有限元分析。[结果]后内侧骨折后股骨最大应力出现在骨折缺损的前内侧。单独小粗隆骨折后股骨颈上下、内外侧皮质应力无明显变化;骨折累及1/2内侧皮质后,内侧皮质最大等效应力显著升高约47%,外侧皮质应力升高约12%;内侧皮质完全累及时,内侧皮质应力升高约247%,外侧升高约66%。[结论]不同大小的后内侧骨折块对近端股骨的应力大小及分布影响不同。从力学角度考虑,用动力髋螺钉治疗粗隆间骨折时,可根据后内侧骨折块大小作适当处理。     

髓腔改变对股骨近端假体-骨界面应力的影响

目的 建立股骨近端假体-骨界面应力有限元分析模型.并对中国成年人股骨近端正常受力、翻修过程中扩髓条件下进行静态有限元分析.方法 运用逆向工程与有限元的理论.对CT图像采用了滤波、边界提取、二值化等方法进行处理,所得数据用CAD软件经过曲线重构、曲面重构、实体重构,加工出股骨应力模型.将不同载荷施加与假体-骨界面,改变股骨骨皮质的厚度、假体长度等参数,进行静态模拟应力分析.结果 建立起以国人股骨为基础的有效的假体-骨界面应力分布规律三维有限元模型.股骨的受力主要集中在小转子和大转子之间的股骨距分布区域,并且随着载荷的增加而递增;假体增粗至原来的120%时,股骨最大应力已经接近极限应力值.结论 构建的解剖型股骨假体-骨界面三维有限元模型,几何相似性好.模拟应力分析结果提示接受关节置换的患者应该尽量避免登山等接近加载量极限的活动;对于髓腔骨缺损严重的翻修患者提倡应用骨移植材料.谨慎采用增粗假体固定.     

上胫腓关节三维有限元模型的建立及对两型关节脱位的生物力学分析

背景：上胫腓关节是一个容易让人忽视的关节,临床上许多膝部的顽疾是由上胫腓关节的外伤或病变引起,研究其生物力学很重要。目前,新型高效的有限元研究方法尚未应用于上胫腓关节脱位的生物力学研究中。 目的：通过正常人的上胫腓关节CT扫描图像,建立两型（水平型和倾斜型）上胫腓关节的三维有限元模型,分析躯体受到由远端向近端的纵向作用力下,上胫腓关节处的应力分布,提供对活体上胫腓关节评估的新方法。 方法：选择2名（水平型和倾斜型各1名）均无上胫腓关节及膝关节外伤史的正常健康志愿者,进行64排CT扫描其上胫腓关节,运用逆向工程原理,通过三维有限元建模软件建立两型三维有限元模型。以上胫腓关节最常受力--沿纵轴受力,分别在两型三维有限元模型上进行力学加载,研究上胫腓关节处的应力分布,记录胫骨和腓骨出现明显相对位移（脱位）的作用力大小。 结果：成功建立了两型上胫腓关节的三维有限元模型,其加载后的应力主要分布于两型上胫腓关节的腓骨内侧部分及腓骨头中部偏外上的区域,沿纵轴作用力引起两型关节脱位的作用力为：倾斜型关节1250 N,水平型关节1850 N。 结论：倾斜型上胫腓关节较水平型上胫腓关节更易发生脱位,与文献的结果相一致。研究所用的两型上胫腓关节的三维有限元模型具有有效性,可作为力学分析的基础模型。     

Curved beam model of the proximal femur for estimating stress using dual-energy x-ray absorptiometry derived structural geometry

The investigation of individual differences in hip strength requires a method to measure structural geometry in vivo and a valid analytical approach to calculate mechanical stress. We developed a method for deriving structural geometry of the femur from the proximal shaft through the femoral neck, using data from dual energy x-ray absorptiometry. The geometric properties are employed in a two-dimensional curved beam model of the proximal femur to estimate stresses on the lateral and medial bone surfaces. Stresses calculated by this method are compared with those from the conventional flexure formula and with results produced from a cadaver femur with use of three-dimensional finite element analysis of computed tomography data. Loading conditions simulating a one-legged stance and a fall on the greater trochanter are employed. Stresses calculated by curved beam theory are in much better agreement with three-dimensional finite element analysis than are those for which the conventional straight beam formula was used. In simulation of a fall on the greater trochanter, all three methods show peaks of stress at the femoral neck but only the curved beam and finite element analysis methods show an additional peak at the medial intertrochanteric margin. Both neck and trochanter regions correspond to common failure sites for hip fractures in the elderly. The curved beam treatment of hip structure derived from dual-energy x-ray absorptiometry provides an approach for the in vivo engineering analysis of hip structure that is not practical by other methods.     

活体人工髋关节假体植入位置的有限元分析

目的建立人工髋关节置换术后的三维有限元模型,分析假体和股骨的力学分布,为研究活体内假体及评估手术实施情况提供新的方法。方法选择1例生物型人工髋关节假体置换后志愿者,64排CT扫描髋关节,通过三维建模软件建立三维有限元模型,模拟单肢负重站立状态下的受力,分析假体和股骨的应力分布;实际植入位置为实验组,对假体植入的角度进行-10°、-5°、+5°、+10°的模拟作为对照组,研究相应位置的应力变化情况,并与实际手术情况进行对比。结果患者人工股骨头假体置换术后CT扫描图像建立的三维有限元模型,经受力比较发现并非为最佳植入位置。结论活体人工髋关节模型的应力分布是假体置换后的应力传导真实反映。人工髋关节活体建模可以对手术结果进行更为合理、可靠的分析。