应用Mimics软件辅助重建人体胸廓三维有限元模型的研究

目的建立人体胸廓三维有限元模型,为研究人体胸外按压的临床效果与机制提供生物力学仿真基础。方法获取1例20岁男性胸部CT扫描图像,将断层影像输入到Mimics10.1软件,利用Mimics软件的三维模型重建和有限元网格辅助划分功能,在Ansys软件中建立完整的人体胸廓三维有限元模型。结果完整重现了人体胸廓的复杂形态,建立了包括锁骨、肋骨、脊柱等结构在内的鲜明、直观的人体胸廓三维有限元模型,共1 158 085个节点、736 022个单元,并依据CT图像灰度值将胸廓模型从骨皮质到髓核区分为6种材料性质。结论利用Mimics软件辅助建立的人体胸廓三维有限元模型具有较高的真实性和精确度,能够满足人体胸廓生物力学分析的需要,为下一步人体胸廓有限元模型的分析提供了基础。     

髋臼后壁骨折的三维有限元模型构建与应力分析

目的通过构建髋臼三维有限元模型，探讨髋臼在后壁不同面积骨折情况下应力分布的变化。方法通过对髋骨大体标本进行CT扫描，获取断层图像，利用Mimics软件重建三维模型；然后将模型导入FreeForm软件进行修饰处理，再以IGES格式导入有限元软件Ansys对各组成部分进行力学参数赋值，建立髋臼三维有限元模型。依次按后壁1／3、2／3、3／3骨折面积将模型进行拆分，模拟双足直立位进行加载，分析臼顶负重区、髋臼前壁和剩余后壁在各骨折状态下应力分布大小及改变。结果建立了髋骨三维有限元模型，共69440个节点，45209个单元。加载分析显示髋臼后壁骨折使臼顶负重区应力依次增加20％、26％、33％，以垂直方向应力最为显著；前壁应力依次降低22％、30％、35％；剩余后壁应力依次增加39％、47％、54％。结论构建髋臼三维有限元模型进行加载分析是一种较好的生物力学测试方法，具有较高的仿真度。后壁骨折明显改变了髋臼各部分的应力大小与分布。     

定量骨水泥在椎体中的不同分布对改善骨质疏松椎体整体刚度的影响:有限元分析

目的应用有限元分析法探讨定量骨水泥在椎体内的不同分布对改善骨质疏松椎体整体刚度的影响。方法选取成年女性脊柱标本1具,建立L1椎体骨质疏松有限元模型。模拟椎体强化技术在L1椎体中注入骨水泥,根据骨水泥量及分布分为5组:A组(4.5 m L):骨水泥局限于椎体一侧;B组(4.5 m L):骨水泥集中于椎体中央,对称分布于椎体双侧的1/4;C组(4.5 m L):骨水泥位于椎体中间,对称弥散分布于椎体双侧的1/2;D组(4.5 m L):骨水泥位于椎体中间,对称弥散分布于椎体双侧的3/4;E组(9 m L):双侧骨水泥强化。分析轴向压缩加载状态下骨水泥填充前后椎体整体刚度的变化,并比较不同组别整体刚度的差异。结果各组椎体骨水泥强化后的整体刚度均显著高于骨水泥强化前(P0.05)。E组椎体整体刚度显著高于A、C和D组(P0.05),而B组和E组的整体刚度差异无统计学意义(P0.05);B组椎体整体刚度值分别比A、C和D组高出33.9%、27.2%和34.1%(P0.05);而A、C和D组之间的整体刚度值差异无统计学意义(P0.05)。结论当骨水泥量固定时,集中于椎体中央的骨水泥分布比局限于单侧椎体或均衡弥散于两侧对骨质疏松椎体整体刚度的改善程度更强。     

颈椎三维运动对关节突关节压力的作用

背景：颈椎关节突关节压力变化是颈椎生理运动中的一个重要环节,但目前缺少对颈椎生理载荷下关节突间接触压力的直接测量研究。 目的：通过测量颈椎三维运动中关节突关节压力的变化,探讨关节突对颈椎应力分布和运动协调的作用。 方法：6具成年男性新鲜尸体颈椎标本(C2~C7)作为测试对象,将预制的压敏片置于C3~4、C4~5和C6~7左侧关节突关节内。标本先给予75 N跟随载荷,再以持续加载模式加载力偶。屈伸和侧弯最大2.0 N•m载荷,轴向旋转最大4.0 N•m载荷,测量零力偶和最大力偶时的关节突关节内压力。 结果与结论：零载荷时,C3~4、C4~5和C6~7左侧关节突分别承受75 N跟随载荷的20.6%,20.0%,21.3%。在运动加载后,完整颈椎在后伸、左侧弯和右旋时均表现为左侧关节突间压力明显增大(P < 0.05);但前屈、右侧弯和左旋时左侧关节突间压力无明显改变。3个节段在各运动方向关节间压力变化无显著性差异(P > 0.05)。结果提示关节突关节内压力变化主要取决于关节突的角度和加载方向。颈椎关节突在传递分散颈椎应力和协调三维运动中发挥重要作用。     

胫骨中段骨折螺钉数量的生物力学实验☆

背景：接骨板固定常用于胫腓骨骨折的治疗,主张使用长钢板低密度螺钉固定,但目前对于胫骨中段骨折应用螺钉多少问题看法不一,且缺少生物力学依据。 目的：观察胫骨中段骨折用有限接触型动力加压接骨板内固定时螺钉数量对骨折生物力学的影响。 设计、时间及地点：随机分组设计,对比观察,于2008-07/09在南方医科大学人体解剖学生物力学实验室完成。 材料：选取新鲜20~40岁成人尸体胫骨标本45根,长度30~38 cm,平均34 cm。 方法：45根尸体胫骨标本随机抽签法分为3组,每组15根,分别作以下3种状态下的实验。测定完整的新鲜人胫骨在扭转、三点弯曲、压缩等状态下的应力-应变指标,确定垂直压缩应力为0~1 000 N,扭转角度为0°~3°,三点弯曲应力为0~400 N。然后制成中段斜行无缺损骨折模型,以14孔不锈钢AO有限接触型动力加压接骨板固定,分别使用6,10,14枚螺丝钉,测定扭转、三点弯曲、压缩等应力-应变指标,进行统计学分析。 主要观察指标：6枚,10枚和14枚螺丝钉固定不同压缩力垂直压缩时竖直方向应变及侧方应变值,不同扭转角度扭转时平均扭矩及不同加载应力三点弯曲压缩竖直方向应变。 结果：6,10,14枚螺丝钉固定垂直压缩时竖直方向应变值两两比较差异无显著性意义(P > 0.05)。6,10,14枚螺丝钉固定侧方应变值两两比较差异无显著性意义(P > 0.05)。6,10,14枚螺丝钉固定扭矩两两比较差异无显著性意义(P > 0.05)。6,10,14枚螺丝钉固定三点弯曲竖直方向应变值分别为0.149±0.098,0.139±0.003,0.258±0.001,6枚螺丝钉和10枚螺丝钉相比,差异无显著性意义(P > 0.05),14枚螺丝钉和其他两种情况相比,差异有显著性意义(P < 0.01)。 结论：材质相同、厚度相同、宽度相同、长度相同的钢板,使用不同数量螺钉(6,10,14枚),抗垂直压缩稳定性、抗扭转稳定性无明显差异,抗弯曲稳定性14枚螺丝钉反而较差。     

双钢板夹持内固定治疗Ruedi—AllgowerⅢ型Pilon骨折的三维有限元分析

目的 探讨双钢板夹持内固定治疗Ruedi—AllgowerⅢ型Pilon骨折的生物力学性能,为临床应用提供科学依据。方法 应用三维有限元方法模拟Ruedi—AllgowerⅢ型Pilon骨折,分别应用双钢板、胫骨远端内侧解剖板、胫骨远端外侧解剖板固定骨折,对模型施以500N的垂直轴向载荷,计算固定后骨折块间及钢板的最大位移,并将加载下的骨应力分布同正常胫骨加载下的应力分布进行比较。结果 3种固定中,双钢板固定最牢固,双钢板在加载下的应力分布与正常胫骨相似。结论 采用双钢板夹持内固定治疗Ruedi—AllgowerⅢ型Pilon骨折,固定牢固,在力学性能上,能保证骨折以最佳方式愈合。     

应用快速成型技术制作新生儿骨盆和股骨模型

目的探讨快速成型技术制作新生儿骨盆和股骨模型的可能性和准确性。方法应用64排螺旋CT获得新生儿骨盆和股骨薄层断面图像,经计算机图像处理得到骨盆和股骨分层信息,利用快速成型技术制作骨盆和股骨实体模型,并检测方法的可行性和所得模型的准确性。结果应用快速成型技术成功地制作了新生儿骨盆和股骨实体模型,且两者之间具有良好的相似性。结论快速成型技术制作新生儿骨盆和股骨模型方法可靠,所得模型准确性良好。     

利用Mimics和Freeform建立下颈椎三维非线性有限元模型

目的建立具有详细解剖结构的下颈椎三维非线性有限元模型并验证其有效性。方法对健康成年男性志愿者进行CT扫描,获得C4-7,节段的断层图片,将数据保存为Dicom格式,导入Mimics9．1软件进行三维几何模型重建,形成三维图像,利用Freeform软件进行模型修改和表面划分,以IGES格式转入有限元软件Ansys9．0完成有限元模型建模。下颈椎韧带以非线性的弹性元素建模,韧带的起止点及横截面积根据文献确定,关节突关节定义为有摩擦系数、表面滑动接触关系。在C4施加40N的预载荷,在1．8N·m的力矩作用下使模型产生前屈、后伸、侧屈、旋转运动,将实验结果与Moroney等实验结果对比进行验证。结果建立了具有详细解剖结构的下颈椎三维非线性有限元模型。整个模型共有145570个节点,96645个单元,模型在各种工况下的平均刚度与Moroney等的结果基本吻合。结论利用Mimics和Freeform建立的下颈椎模型在一定条件下是有效的,可以进行临床和实验研究。     

双钢板夹持内固定治疗Rüedi-Allg(o)werⅢ型Pilon骨折的三维有限元分析

目的 探讨双钢板夹持内固定治疗Rüedi-Allg(o)werⅢ型Pilon骨折的生物力学性能,为临床应用提供科学依据.方法 应用三维有限元方法模拟Rüedi-Allg(o)werⅢ型Pilon骨折,分别应用双钢板、胫骨远端内侧解剖板、胫骨远端外侧解剖板固定骨折,对模型施以500 N的垂直轴向载荷,计算固定后骨折块间及钢板的最大位移,并将加载下的骨应力分布同正常胫骨加载下的应力分布进行比较.结果 3种固定中,双钢板固定最牢固,双钢板在加载下的应力分布与正常胫骨相似.结论 采用双钢板夹持内固定治疗Rüedi-Allg(o)werⅢ型Pilon骨折,固定牢固,在力学性能上,能保证骨折以最佳方式愈合.