腰椎间盘摘除新型三维有限元模型研究

目的 建立腰椎L4/5运动节段椎间盘摘除的三维有限元模型,用于进一步的生物力学研究.方法 将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX建模形成正常中国男性L4/5运动节段的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转换成三维有限元模型.去除模型中L4～5椎间盘右后侧1/4的纤维环中部全层及约1/4的髓核单元,以模拟腰椎间盘摘除手术.结果 建立了L4/5运动节段椎间盘摘除的三维有限元模型.结论 通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以建立腰椎运动节段椎间盘摘除的三维有限元模型,用于脊柱生物力学的研究.     

腰椎运动节段新型有限元模型研究

目的建立成年男性腰椎L4/5运动节段有限元模型,用于进一步的生物力学研究.方法将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX建模建立正常中国男性L4/5运动节段的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转移成有限元模型.结果建立了正常中国男性L4/5运动节段有限元模型,模型总节点数为2 120个,包括1 728个Solid单元,592个Area单元,50个Link单元.结论通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以建立腰椎运动节段的有限元模型,用于脊柱生物力学的研究.     

利用CT图像和ADINA软件建立新型正常中国男性腰椎运动节段三维有限元模型

目的探讨多节段腰椎有限元模型的建立方法,为脊柱生物力学的研究提供条件。方法选取一正常男性自愿者L3～L5节段为研究对象,通过CT断层扫描、图像数字化分析及ADINA软件处理建立多节段腰椎有限元模型,并模拟力学作用进行模型真实性验证。结果建立了正常中国男性L3～L5运动节段三维有限元模型,模型总结点数为16 532个,包括12 130个Solid单元,208个Truss单元,16个planar单元。结论利用CT图像和ADINA软件建立新型腰椎运动节段三维有限元模型,为腰椎运动节段有限元模型的建立提供了一种简便、准确的方法,为探究腰椎多个运动节段三维有限元模型在各种应力应变状态下的生物力学特性创造了条件。     

非限制性人工椎间盘假体植入三维有限元模型的建立

目的:建立非限制性人工椎间盘假体(NAD)及腰椎L4~L5活动节段高精度三维有限元(FE)模型,拟为生物力学实验研究提供标准数学模型?方法:在Auto CAD中设计NAD假体,基于CT数据通过Mimics建立腰椎L4~L5节段三维模型,将NAD模型放置于L4~L5椎间盘,数据导入Abaqus采用有限元装配技术转换成有限元模型?观察NAD置换后FE模型的模拟单元?节点及构成组件?采用轴向负荷400 N以模拟L4~L5节段正常的中立位负荷,采用轴向负荷400 N及10 N?m模拟后伸负荷,验证所建立模型的科学性?结果:建立了非限制性人工椎间盘假体放置于腰椎L4~L5活动节段高精度三维有限元模型,包括:腰椎L4~L5活动节段FE模型34 123个节点及162 858个单元,其中椎体161 679个四面体单元,椎间盘?终板共1 053个六面体单元,韧带?关节囊?纤维共126个Link单元;NAD的FE模型1 583个节点及4 927个单元,其中终板共1 053个六面体单元,髓核3 724个六面体单元?力学测试显示中立位负荷及后伸负荷时所建立FE模型力学分布与现有结果一致?结论:通过计算机辅助设计可以自动化程度较高的方法建立高精度NAD假体有限元模型,Mimics通过基于阈值算法及参数化建模提供精确腰椎活动节段模型,两者可以基于有限元装配技术转换成有限元模型,该模型可用于脊柱生物力学的进一步研究?     

髋关节表面置换后股骨侧应力分布的有限元分析

目的通过有限元分析探讨髋关节表面置换后股骨侧的生物力学意义.方法采用有限元构建分析软件ANSYS workbench v10．0,通过对髋关节表面置换后股骨侧的结构进行拆分,分别将3部分构建后生成体积建立髋关节表面置换后股骨侧三维有限元模型,利用MSC patran2007计算软件,采用四面体10节点自由划分网格,共38147节点,187547单元,其中假体模型57446单元、水泥壳模型28265单元、股骨部分101836单元,分析髋关节表面置换后股骨侧的应力分布情况：结果所构建的三维有限元模型,逼真反映髋关节表面置换后股骨侧的真实几何形态及其生物力学。结论有限元模型的构建,可以为髋关节表面置换术的生物力学行为以及假体优化设计提供精确模型.     

股骨头坏死钽棒支撑植入术模拟及有限元模型的建立

目的：模拟股骨头坏死钽棒支撑植入术的手术操作流程,建立股骨头坏死钽棒支撑植入术的三维有限元模型,并模拟股骨轴向受力状态的应力分布。方法：成年女性ARCOII股骨头坏死1例,做骨盆的CT扫描,运用MIMICS15．0对骨盆进行三维重建,按手术需求采用Pro／Engineer5．0设计克氏针和钽棒三维模型,然后模拟钽棒支撑植入术的操作过程,接着利用ANSYS12．0对建立股骨头坏死钽棒支撑术的有限元模型。结果：重建了坏死区域的部位、形状和大小,模拟了钽棒支撑植入术的操作流程,建立了股骨头坏死钽棒支撑植入术有限元模型节点共129968个,单元共92426个。结论：为进行目的明确的定向研究和临床带教提供了高仿真性的数字模型;也为术前的手术模拟和生物力学分析提供了精度高的有限元模型。     

基于冰冻切片的人体骨盆有限元模型的建立与初步验证

 目的 建立基于冰冻切片的人体骨盆有限元模型,以用于研究骨盆非线性生物力学特性。方法 采用“中国数字虚拟人”第1例男性冰冻切片数据,运用切片图像处理软件CryoSegmentation提取出骨轮廓线,分别建立骨皮质、骨松质线模型和有限元模型。骨与软骨选用SOLID92四面体十节点单元,韧带采用2D索单元LINK10,分别赋予材料属性。结果 按骶髂关节为融合状态进行模型计算,应力主要集中部位是椎骨前面、骶髂关节面及周边、髂骨弓、坐骨大切迹、髋臼侧缘以及股骨颈;骶髂关节面应力主要集中在耳状面周缘,最大位移发生在L3;融合状态下各韧带所承拉力都较小。结论 基于冰冻切片的建模方法可获取更为精确的人体解剖结构信息,包含软组织条件的骨盆有限元模型的建立是基于CT和MRI有限元建模方法的重要补充。     

全颈椎三维有限元模型的建立

目的:建立全颈椎(C1～T1)三维有限元模型.方法:根据一健康成年男性志愿者的颈椎CT与CT重建片,采用断层CT扫描序列图像的自动重建方法,建立全颈椎(C1～T1)三维有限元模型.结果:本研究成功的建立了全颈椎三维有限元模型,它包括C1～T1共8个椎体,本模型高度模拟颈椎结构与材料特性,结构完整,空间结构的测量准确度高,单元划分精细,共有节点数166 979,单元数12 177.结论:所建立的全颈椎有限元模型可以用来进行颈椎生物力学实验.     

胸腰段骨质疏松三维有限元模型的建立及临床应用

目的:探讨利用螺旋CT建立骨质疏松腰椎三维有限元模型的高度数字化方法,为腰椎骨质疏松的生物力学试验提供标准模型。方法:一个有代表性的健康成年男性志愿者,范围从T11～L2,先行X线检查以排除可见的脊椎病变及损害。经螺旋CT沿横断面0.699mm层厚扫描,以jpg格式输出其断面图像并转入微机保存。利用三维重建软件Mimics建立T11～L2段正常脊柱骨性结构的三维模型,再经过自由造型系统进行表面光滑化处理及对0.699mm层厚引起的数据丢失予以修补。利用有限元软件Patran的前处理功能,在脊柱模型骨性结构的基础上,补充建立终板、椎间盘、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带等结构。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行智能有限元网格划分。结果:①正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分结果:利用三维重建软件Mimics和有限元软件Patran成功进行正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分。完整的脊柱胸腰段三维有限元模型包括共276580个四面体单元,8532个六面体单元,673个杆单元,总计共95219个结点。建立的模型负荷正常椎体的几何特性;②骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立:利用有限元软件Patran的前处理功能,对不同组织的物理特性进行定义,皮质骨、终板、后部结构模量减少33%,松质骨减少66%,同时考虑髓核脱水,弹性模量增加1倍,符合真实的生物力学要求,真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性,成功建立骨质疏松腰椎三维有限元模型。结论:建立的骨质疏松腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本,是理想的研究骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型,可应用于骨质疏松腰椎后凸成形术的评估。     

脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析

［摘要］ 目的建立正常脊柱腰段三维有限元模型,为生物力学研究及腰椎损伤研究提供可靠模型。 方法采集1名健康成年男性脊柱腰段CT和MRI断层影像数据,应用Mimics软件依据CT数据对全部腰椎骨及骶骨上部进行三维模型重建,依据MRI数据对L1~L5椎间盘髓核进行三维模型重建。将椎骨与髓核进行空间配准,在此基础上建立椎间盘、关节囊和韧带的三维模型。在Ansys中划分网格并定义材料属性,对模型施加运动性载荷模拟脊柱腰段处于前屈、后伸、侧弯和扭转等运动工况下的生物力学特征,验证模型的有效性。 结果建立了完整的脊柱腰段三维有限元模型,包含椎骨、椎间盘、骶骨上端、韧带、关节囊等重要结构,总节点数为104 190个、总单元数为339 165个。模型通过有效性验证,运动工况下的角位移范围和椎间盘的应力分布特点符合腰椎的生物力学特性。 结论本研究建立的三维有限元模型仿真度高,可用于脊柱腰段的生物力学研究以及模拟疾病和手术对腰椎生物力学的影响。     

标准步态下骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义

目的:构建包含骨盆肌肉及头臼作用力的标准步态下骨盆三维有限元模型.方法:选择标准成年男性志愿者行骨盆CT扫描成像得到骨盆每层横截面图像,运用Mimics软件行三维重建,利用有限元分析软件PATRAN 2005R2构建髋臼三维有限元模型,并将标准步态中肌肉收缩力及头臼作用力也设计到该模型中.结果:所构建髋臼模型共划分为113 028个结点、137 524个单元,模型模拟了骨盆皮质骨、松质骨、关节软骨以及股骨头结构的材料特性. 所建模型结构完整,空间结构测量准确度高,单元划分精细,重点突出,尤其肌肉及头臼作用力加载模拟形象、逼真,客观反映髋臼真实解剖形态结构和生物力学特点.结论:构建的髋臼三维有限元模型为正常髋臼或异常髋臼力学研究提供可循模型.     

A finite element analysis of the pelvic reconstruction using fibular transplantation fixed with four different rod-screw systems after typeⅠresection

Background The pelvis often needs to be reconstructed after bone tumor resection. A major challenge here for the orthopedic surgeons is to choose a method that gives the best performance which depends upon its biomechanical properties. In this study, a 3-dimensional finite element analysis （FEA） was used to analyze the biomechanical properties of reconstructed pelvis using fibula transplant fixed by four commonly used rod-screw systems.
Methods A total pelvic finite-element model including the lumbar-sacral spine and proximal femur was constructed based on the geometry of CT image from a healthy volunteer. Three-dimensional finite element models of different implants including fibula, rod and screw were simulated using ways of solid modeling. Then various reconstructed finite element models were assembled with different finite element implant model and type Ⅰ resected pelvic finite element model. The load of 500 N was imposed vertically onto the superior surface of L3 vertebral body, and the pelvis was fixed in bilateral leg standing positions. FEA was performed to account for the stress distribution on the bones and implants. The pelvis displacement of the different rod-screw fixation methods and the maximum equivalent stress （max EQV） on all nodes and element were figured out to evaluate the advantages and disadvantages of different reconstructive methods.
Results Stress concentration in the fibula transplant was extremely high in the reconstructed pelvis, but could be substantially decreased by internal fixation, which partially transferred the stress from the fibula to the rod-screw systems. High stress concentration was also found in the implants, especially in the connection sites between screw arid rod. Among the four methods of fixation, a double rod system with L5-S1 pedicle and ilium screws （L5-S1 HR） produced the best performance： least stress concentrations and least total displacement.
Conclusion According to the stability and stress concentration, the method of L5-S1 HR fixation     

腕关节有限元骨性建模及力学分析

目的：探讨基于CT影像数据的腕关节有限元模型构建、受力分析,以期为开展腕关节生物力学有限元分析的研究提供参考。方法：选取1名29岁成年健康男性志愿者,对其右尺桡骨远端到近端指骨进行CT扫描,将所得图像导入Mimics 10.01中,建立腕关节三维有限元模型,将赋予材料属性的模型导入ANSYS10.0中,模拟体外生物力学试验,观测在轴向压力情况下腕关节各结构的应力分布。结果：成功建立了包括桡、尺骨远端,腕骨,掌骨,近端指骨,三角纤维软骨复合体等结构的三维有限元模型,计算并获得了掌骨受轴向压力下各腕骨的应力分布图。结论：在目前的个人计算机平台上依据CT影像资料,利用医学图像处理软件和三维重建软件可以准确、快捷地构建腕关节的三维有限元模型,并可根据模型计算轴向压力下的应力分布,为腕部有限元分析及整个虚拟手的构建提供了技术支持。     

下颌固定义齿三维有限元模型的建立

目的：建立后牙三单位固定桥的三维有限元模型。方法：薄层CT扫描技术与Ansys软件相结合对38层层厚为1mm的CT断层影像进行分析处理。结果：所构建的三维有限元模型具有良好的几何相似性，共有单元605140个，节点106265个，可以按照不同的研究要求进行删除、旋转、切割和添加。结论：薄层CT扫描技术与Ansys软件相结合建立的三维有限元模型能较精确地模拟实际情况，为进一步的生物力学研究提供基础。     

人体髋关节三维有限元模型的建立及其生物力学意义

目的:构建正常人体髋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:采用活体髋关节为标本,应用CT扫描技术及图形数字化方法获取髋关节的三维坐标,输入有限元分析软件,并通过确定材料特性参数和网格化,建立髋关节的三维有限元模型.结果:所构建髋关节三维有限元模型客观反映髋关节真实解剖形态及其生物力学行为,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.所构建的髋关节三维有限元模型,可以为髋关节力学行为以及骨折内固定、髋关节成型术的力学基础研究提供精确模型.     

螺旋CT扫描建立成人股骨头坏死三维有限元模型

目的:通过螺旋CT扫描获取相关数据,建立成人股骨头坏死的三维有限元模型,为分析股骨头坏死后的力学改变及治疗方法的评价打下基础。方法:采用健康成人股骨上段为研究对象,应用螺旋CT扫描技术,获取股骨上段三维坐标,结合松质骨、皮质骨的材料特性参数,输入通用三维有限元分析软件ANSYS8.0中,建立正常成人股骨上段三维有限元模型,并在此基础上建立具有不同大小、方向、深浅坏死区的成人股骨头坏死模型。结果:建立的模型在几何形状、材料特性方面贴近真实情况,坏死区的设计能够全面覆盖临床常见的类型,可以满足临床进一步分析的需要。结论:采用螺旋CT扫描资料建立三维有限元模型,几何模拟、材料模拟、更加接近于自然情况,简便、高效,为进一步的分析提供一个理想的平台。