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.     

逆向工程软件结合Micro_CT技术在牙体组织精细三维有限元模型建立中的应用

目的:探索逆向工程技术软件结合Micro_CT技术在牙体组织精细三维有限元模型建立中的应用,建立上颌第一前磨牙牙冠的精细三维有限元模型. 方法: 用Micro_CT对选取的完整人上颌第一前磨牙进行扫描,将获得的CT影像通过Mimics V8.1软件进行拟合,初步形成三维模型. 再将模型导入Geomagic 7软件中进行精修和细化,形成有限元分析软件可识别的实体三维模型,最后,将牙体组织的三维实体模型在Ansys 9.0软件中进行布尔运算,区分出釉质、牙本质及髓腔系统,并分别进行了网格划分. 结果: 建立了人上颌第一前磨牙牙冠的精细三维有限元模型,网格划分后的牙冠三维有限元模型:釉质具有154, 355个单元,牙本质具有256, 304个单元,共有410, 659个10节点四面体单元,模型具有非常高的精确度. 结论: 逆向工程软件结合Micro_CT技术是牙体组织精细三维有限元模型建立的有效途径.     

上颌尖牙及矫治器三维有限元模型的建立

目的:建立上颌尖牙的三维有限元模型,为分析上颌尖牙的生物力学性质提供数字模型.方法:螺旋CT扫描原始模型,运用Mimics软件对DICOM数据进行三维影像重建,将处理后的数据导人到PRO/E wildfire 2.0,建立尖牙牙体、牙周膜、牙槽骨以及矫治器的实体模型.采用MSC.Patran进行网格划分、参数设定,获得上颌尖牙的三维有限元模型.结果:建立了左侧上颌尖牙的三维有限元模型.建成的模型具有良好的形态,模型包括牙体、牙周膜、牙槽骨、托槽、弓丝、标尺.该模型采用四面体单元划分,共有节点36528个,组成219690个单元.结论:建立上颌尖牙的三维有限元模型,该模型结构完整,层次清晰,具有良好的几何相似性,可以满足对上颌尖牙进行各种力学分析的需要.     

Amira与UG及ALGOR软件联合建立下颌磨牙三维有限元模型

目的:建立人下颌D区567三维有限元模型. 方法:采用薄层CT扫描技术、医学影像三维重建软件Amira和Unigraphics NX造型软件以及有限元分析软件ALGOR相结合建立下颌567及其支持组织的三维有限元模型. 结果:建立了下颌D区567三维有限元模型,总节点为93 260个,六面单元数为167 111个. 结论:所建模型结构完整,空间结构测量准确度高,单元划分精细、能够较精确地模拟实体状态,为进一步的生物力学研究提供了基础.     

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.     

基于DICOM数据构建髋骨三维有限元模型

目的 探讨采用DICOM数据,结合交互式医学影像控制系统及CAE软件快速构建髋骨三维有限元模型的可行性及方法.方法 将CT扫描获得的髋骨原始DICOM数据输入Mimics软件重建三维实体模型,并经面网格优化后输入Ansys中分配单元属性、控制单元尺寸、划分体网格,并经赋材质后得到髋骨有限元模型.结果 有限元模型几何形态逼真,网格分布合理,疏密得当;最终包含80 958个单元、124 369个节点,1种单元类型,2种材料属性.结论 采用DICOM数据,结合交互式医学影像控制系统及CAE软件能快速高效地构建髋骨三维有限元模型,该方法可重复性强,模型质量容易控制,可推广用于其他部位有限元模型的构建.     

腰椎L4～L5活动节段有限元模型的建立与验证

目的:采用一种新型计算机辅助设计(CAD)方法精确建立腰椎L4～L5节段三维非线性有限元模型并进行充分验证.方法:采用改良的"非种子区域分割方法"提取腰椎CT图像数据中目标区域得到二值图像,用Marching Cubes方法由二值数据生成初始表面模型.采用反映腰椎生理曲度的"最佳切割平面"从初始表面模型获得非平行的切割轮廓线并建立"分段线性子空间",后者经仿射变换到"规则子空间"快速重构腰椎曲面,最后逆变换恢复腰椎原三维空间形状特征.将表面模型所有结点的坐标数据和三角面片信息导入ANSYS进行网格划分精确建立L4～L5节段三维非线性有限元模型,并进行加载验证.结果:所构建的L4～L5活动节段有限元模型包括94 794个Solid单元,1 196个Link单元,1 170个Shell单元,768个Target单元,464个Contact单元;同时包含了几何非线性、材料非线性与接触非线性3种非线性类型.不同载荷条件下L4～L5节段有限元模型的移位/旋转角度、椎间盘内压等预测结果与文献中相同载荷条件的试验生物力学结果相符合.结论:基于先进算法建立的腰椎L4～L5节段表面模型实现了二值图像提取、腰椎曲面重构的全数字化过程,具有极佳的仿真效果.     

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.     

3D Nurbs曲面建模法建立上颌前牙段及其牙周组织的有限元模型

目的:建立上颌前牙段及其牙周组织的高质量三维有限元模型.方法:应用薄层CT技术扫描得到的牙齿及牙周组织截面影像的DICOM数据,结合逆向工程软件Geomagic及CAD生成上颌前牙段及其牙周组织的iges曲面模型,利用Hypermesh划分网格并检查单元的质量,生成可分析的三维有限元实体模型.结果和结论:建立了上颌前牙段及其牙周组织(包括牙周膜、牙槽骨)的高质量三维有限元模型,包括640 396个单元,117 889个节点.这种新的建模方法简单易行,适合口腔牙体牙周等复杂组织的建模;所建模型相似性高,可供研究分析在各种不同正畸矫治力系统作用下,上颌前牙段单个牙齿或节段牙齿的生物力学规律.     

基于CT建立早期退变腰椎活动节段的三维有限元模型

目的:基于CT建立了脊柱L4-5活动节段早期退变的三维有限元模型,并对其进行力学性能测试.方法:选择1名39岁慢性下腰部疼痛的中国女性志愿者作为模拟对象,对其脊柱L4-5节段进行层厚0.75 mm的连续扫描,共获得CT断层图像138幅,获取用于建立三维模型的相关数据.将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过mimics 10.0软件建模形成L4-5运动节段的三维模型后,结合CAD软件CATIA对该活动节段进行数据优化,并形成实体模型.将模型数据导入有限元分析软件Patran转换成有限元模型.模拟中立位该节段的受力环境,将4个100N力以结点负荷形式分别施加于L4椎体旋转轴等距离的内前外后部椎体结点,以观察验证该模型的准确性.结果:建立了腰椎早期退变的L4-5节段的有限元模型,模型总节点数为27 130个,单元数113 834,其中包括Solid单元113 153个,Area 161个,Link单元520个,力学测试显示负荷在椎间盘分布不均,薄弱的纤维环后部受力增加.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,可以以自动化程度较高的方法建立腰椎早期退变活动节段的高精度三维有限元模型,用于脊柱生物力学的进一步研究.     

Three dimensional finite element analysis of acetabulum loaded by static stress and its biomechanical significance

Objective：To explore the mechanical behavior of acetabulum loaded by static stress and provide the mechanical basis for clinical analysis and judgement on acetabular mechanical distribution and effect of static stress. Methods：By means of computer simulation, acetabular three dimensional model was input into three dimensional finite element analysis software ANSYS7.0. The acetabular mechanical behavior was calculated and the main stress value, stress distribution and acetabular unit displacement in the direction of main stress were analyzed when anterior wall of acetabulum and acetabular crest were loaded by 1 000 N static stress. Results ：When acetabular anterior wall loaded by X direction and Z direction composition force, the stress passed along 4 directions： （1）from acetabular anterior wall to pubic symphysis along superior branch of pubis firstly, （2）from acetabular anterior wall to cacroiliac joint along pelvic ring, （3）in the acetabulum, （4）from the suffered point to ischium. When acetabular crest loaded by X direction and Y direction composition force, the stress transmitted to 4 directions： （1）from acetabular crest to ilium firstly, （2）from suffered point to cacroiliac joint along pelvic ring, （3） in the acetabulum , （4）along the pubic branch, but no stress transmitted to the ischium branch. Conclusion：Analyzing the stress distribution of acetabulum and units displacement when static stress loaded can provide internal fixation point for acetabular fracture treatment and help understand the stress distribution of acetabulum.     

Three-fin acetabular prosthesis for superior acetabular bone defects: a three-dimensional finite element analysis

Background  Given that three-dimensional finite element models have been successfully used to analyze biomechanics in orthopedics-related research, this study aimed to establish a finite element model of the pelvic bone and three-fin acetabular component and evaluate biomechanical changes in this model after implantation of a three-fin acetabular prosthesis in a superior segmental bone defect of the acetabulum.

Methods  In this study, three-dimensional finite element models of the pelvic bone and three-fin acetabular component were first established. The prosthesis model was characterized by three different conformational fins to facilitate and optimize the prosthetic design. The spongy and cortical bones were evaluated using a different modulus of elasticity in this established model.

Results  The maximum and minimum von Mises stresses on the fins of the acetabular component were 15.2 and 0.74, respectively. The maximum and minimum micromotion between the three-fin acetabular component and the acetabulum bone interface were 27 and 13 μm, respectively. A high primary stability and implied better clinical outcome were revealed.

Conclusion  Finite element analysis may be an optimal strategy for biomechanics-related research of prosthetic design for segmental acetabular bone defects.

     

髋臼骨缺损和带翼髋臼翻修假体三维计算机模型的建立

目的：构建髋臼骨缺损和带翼髋臼翻修假体模型三维模型。方法：根据成年人CT扫描数据，利用Unigraphics软件手工提取边界，重建骨盆和带翼髋臼翻修假体三维模型，并人工制造骨缺损。结果：建立了不同假体内与骨盆髋臼结合的三维模型。结论：下一步根据髋臼所受到的载荷，加载在髋臼的模型上，进行有限元分析。     

髋臼骨结核三维有限元模型建立及力学分析

目的：建立人体髋臼骨结核三维有限元模型,探讨其生物力学变化。方法：通过正常髋关节CT数据,利用Mimics软件和ANSYS有限元软件,建立正常髋关节及髋臼结核三维有限元模型,进行加载分析髋关节各主要部分峰值Von Mises应力变化。结果：通过加载分析结果显示,髋臼顶部、髋臼中心部、髋臼前部、髋臼后部骨结核与正常髋关节相比,髋臼软骨下骨峰值Von Mises应力依次增加84%、3%、21%、67%;髋臼软骨峰值Von Mises应力,依次增加31%、17%、20%、28%;股骨头软骨峰值Von Mises应力,依次增加30%、17%、6%、23%;股骨头软骨下峰值Von Mises应力,依次增加15%、7%、1%、11%。结论：髋臼骨结核可导致髋关节各部分生物应力分布改变。     

成人肘关节及前臂三维有限元模型的建立

目的建立成人肘关节及前臂三维有限元模型,为进一步进行生物力学研究打下基础。方法拍摄健康成人肘关节至腕关节薄层CT图像,将其导入Mimics、Hypermesh软件中建立肘关节及前臂三维有限元模型,用模型进行负荷加载实验并在LS—DYNA中运算,将结果与以往的实验数据进行对比验证模型的有效性。结果建立的肘关节及前臂三维有限元模型与实体解剖标本相似度高,通过模型有效性的验证能准确反映肘关节及前臂的生物力学特性。结论使用有限元法建立肘关节及前臂三维有限元模型进行生物力学研究是可行的。     

三维有限元方法建立下颌磨牙模型

目的:建立人类下颌第二前磨牙、第一磨牙、第二磨牙及其支持组织的三维有限元模型.方法:利用螺旋CT扫描的方法,采用图像处理和有限元分析软件建立567及其支持组织的三维有限元模型.结果:建立了包括了牙体、牙周膜、松质骨、皮质骨等组织三维有限元模型,受力分析结果与临床实际相符.结论:采用有限元方法建模,是一种简洁、有效、可靠且安全的方法.     

胸腰段三维有限元模型的建立

目的：研究建立胸腰段活动节段三维有限元的模型.方法：选取一具正常人体T10～S1节段标本为研究对象,通过CT扫描获取脊柱的二维图像,然后进行三维重建,转化为有限元几何模型.通过有限元方法,将脊柱几何模型网格化转变为T10～L3活动节段有限元模型,然后应用ANSYS6.0软件对模型在轴向载荷状态下进行应力分析.结果：建立T10～L3活动节段的有限元模型,并分析了轴向载荷下T12～L1节段不同组成部分的应力分布.结论：为胸腰段活动节段三维有限元模型的建立提供了一种简便、精确的方法,为分析和研究该模型在各种情况下的生物力学表现创造了条件.     

髋关节发育不良髋臼假体位置与稳定的三维有限元分析

目的：利用三维有限元仿真的方法,研究全髋关节置换术治疗成人髋关节发育不良时3种不同髋臼假体位置与髋臼假体初始稳定的相关性,为临床手术操作提供参考依据。方法采用专门的生物力学有限元网格划分器,从髋关节发育不良的CT扫描数据中,建立高度仿真的个性化髋骨三维有限元模型,并模拟在真臼位置安放髋臼假体的解剖位重建、将髋臼内壁打磨穿透内移的中心化重建、和在真性髋臼上方假臼高位重建3种常见的临床手术方案,模拟不同臼杯假体位置对全髋关节置换术后髋臼假体稳定的影响。结果髋臼假体在真臼位置安放的解剖重建,出现应力集中和大剪切应力的可能性最小,穿透内移安放的模拟应力分布略高于真臼重建,而在假体上移高位安放的模拟则出现预测应力大幅增加。结论成人髋关节发育不良全髋关节置换术中应尽可能在真臼位置重建和安放臼杯假体,以达到最优的应力分布和稳定性。     

利用螺旋CT技术建立单侧完全性唇腭裂上颌骨三维有限元模型

目的:探索快速建立单侧完全性唇腭裂上颌骨三维有限元模型的方法.方法:对单侧完全性唇腭裂患者头颅部进行多层螺旋CT扫描,利用Mimics软件直接将CT扫描样本得到的Dicom标准文件进行处理,并导入逆向工程软件Geomagic Studio来构建模型的表面,在此基础上用Ansys软件建立完整的单侧唇腭裂上颌骨三维有限元模型.结果:建立了由27 405个实体单元和26 876个节点组成的单侧完全性唇腭裂上颌骨有限元模型.结论:应用螺旋CT技术和联合使用Mimics软件、Geomgaic Studio软件对模型进行构建,并结合Ansys软件生成三维有限元计算模型,是一种快速有效地建立单侧完全性唇腭裂有限元模型的方法.