L5新型自稳定人工椎体生物力学性能的有限元分析

目的:采用有限元分析评估L5椎体次全切术后置入新型自稳定人工椎体的力学性能以及对周围组织的影响,为腰骶段脊柱结核等疾病的治疗提供新的选择。方法:提取1名健康志愿者腰骶段CT薄层扫描数据进行三维重建,构建腰骶段(L3-S1)脊柱生理组有限元模型并进行有效性验证。将L5椎体及邻近椎间盘切除后,分别置入新型自稳定人工椎体和钛笼联合侧前方钉棒固定,构建新型假体组和钛笼组有限元模型。对所有模型的S1椎体下表面进行全部自由度约束,在L3椎体上表面给予400N的轴向载荷模拟生理压缩,然后再在L3椎体上表面施加8Nm的弯矩载荷,模拟腰椎前屈、背伸、左右侧弯及左右扭转六种运动,统计分析在不同运动方向上三组模型L4～S1的活动度及L4下终板和S1上终板的最大Von mise应力。结果:新型假体组和钛笼组L4～S1在前屈、背伸、侧弯、扭转方向上的活动度分别为0.38°～0.56°与0.53°～1.41°,较生理组(4.48°～10.12°)同部位活动动度明显减小。新型假体组和钛笼组L4下终板与S1上终板在前屈、背伸、左右侧弯、左右扭转方向上的最大Von Mises应力较生理组均明显增大,新型假体组在上述方向上终板的最大Von Mises应力较钛笼组明显减小。结论:自稳定人工椎体可以较好地重建手术部位的即刻稳定性,有效降低手术部位邻近终板的局部应力,理论上可以降低术后假体的下沉率,但其长期稳定性、抗疲劳性等力学性能尚需进一步研究。     

A Mortar Spectral Element Method for Full-Potential Electronic Structure Calculations

In this paper, we propose an efficient mortar spectral element approximation scheme for full-potential electronic structure calculations. As a subsequent work of [24], the paper adopts a similar domain decomposition that the computational domain is first decomposed into a number of cuboid subdomains satisfying each nucleus is located in the center of one cube, in which a small ball element centered at the site of the nucleus is attached, and the remainder of the cube is further partitioned into six curvilinear hexahedrons. Specially designed Sobolev-orthogonal basis is adopted in each ball. Classic conforming spectral element approximations using mapped Jacobi polynomials are implemented on the curvilinear hexahedrons and the cuboid elements without nuclei. A mortar technique is applied to patch the different discretizations. Numerical experiments are carried out to demonstrate the efficiency of our scheme, especially the spectral convergence rates of the ground state approximations. Essentially the algorithm can be extended to general eigenvalue problems with the Coulomb singularities.     

Adaptive Order WENO Reconstructions for the Semi-Lagrangian Finite Difference Scheme for Advection Problem

We present a new conservative semi-Lagrangian finite difference weighted essentially non-oscillatory scheme with adaptive order. This is an extension of the conservative semi-Lagrangian (SL) finite difference WENO scheme in [Qiu and Shu, JCP, 230 (4) (2011), pp. 863-889], in which linear weights in SL WENO framework were shown not to exist for variable coefficient problems. Hence, the order of accuracy is not optimal from reconstruction stencils. In this paper, we incorporate a recent WENO adaptive order (AO) technique [Balsara et al., JCP, 326 (2016), pp. 780-804] to the SL WENO framework. The new scheme can achieve an optimal high order of accuracy, while maintaining the properties of mass conservation and non-oscillatory capture of solutions from the original SL WENO. The positivity-preserving limiter is further applied to ensure the positivity of solutions. Finally, the scheme is applied to high dimensional problems by a fourth-order dimensional splitting. We demonstrate the effectiveness of the new scheme by extensive numerical tests on linear advection equations, the Vlasov-Poisson system, the guiding center Vlasov model as well as the incompressible Euler equations.     

骨圈对椎弓根钉系统负载影响的三维有限元分析

目的：探讨单枚人体皮质骨圈(allograft fusion cage，AFC)斜植融合术中椎弓根钉系统受力分布，并对临床常见断钉原理进行分析，为临床应用提供理论依据。方法：采用二三维有限元方法(finite element method，FEM)，对放置及不放置AFC的脊柱Steffee钢板固定效果进行评估。结果：未放置AFC时Steffee钢板所受最大应力约为放置AFC状态下的4．8倍；椎弓根钉与螺帽交界处所受应力为最大，尤其上位螺钉与靠近椎体侧螺帽交界处是应力值最大点，未放置AFC时椎弓根钉最大应力点约为放置AFC状态下的5．0倍。结论：螺钉与钢板交界区是容易发生断钉的区域，尤其上位螺钉与靠近椎体侧螺帽交界处是最易断钉的部位；椎弓根钉系统放置AFC会明显增强融合节段稳定性，减少断钉等并发症。     

基于螺旋CT构建人体骨盆三维有限元模型

目的 利用作者所在研究所自行开发的两种图像处理软件GETCT和MedGraphics，构建骨盆三维有限元模型。方法 CT图像处理、截面轮廓线信息处理、数字有限元分析。结果 准确快速的建立了人体骨盆的三维有限元模型。结论 利用上述两种软件以及一些现有的软件可以准确，快速地构建人体骨盆的三维有限元模型，并进行计算。有限元分析结果表明该方法可用于构建骨盆有限元模型。     

复杂受力下股骨应力分析

目的对人体在行走时身体发生扭曲、跌倒等情况下股骨可能发生在弯矩和压力复合荷载作用下的受力问题进行研究,为人工股骨头置换的设计和手术提供指导。方法应用大型通用有限元软件ANSYS进行受力分析,根据人体股骨的实际尺寸,采用plate42单元建立平面模型,将股骨头传递的关节力的作用点向外偏移为0mm、5mm、10mm、15mm,模拟股骨头受弯矩作用的情况下股骨应力分布。结果得出了在弯压复合荷载下股骨的变形、应力云图、股骨颈和股骨干上端的截面应力。结论股骨颈存在较大的应力集中现象,股骨颈外侧承受较大的拉应力,股骨颈内侧承受较大的压应力,股骨干在垂直方向上外侧为拉应力,内侧为压应力。随着弯矩的增加股骨的应力有明显增加。     

海绵质骨螺旋钉拔出试验之生物力学分析

评估螺旋钉设计优劣的简便方法之一为拔出试验。虽然比较用之海绵质骨试件可取自相同部位，自同一方向植入螺旋钉，并具有相同基准。然而因各处海绵质骨骼结构不尽相同，至今尚未有人探讨如使用不同之海绵质骨结构，例如近似等向性之杆状结构，或是板与杆组合之有强列方向排列者，对于螺旋钉拔出之最大力量有多大影响？采用牛股骨远端部位及牛颈椎Ｃ２～Ｃ６作为不同结构特性之试体。并各由两相互垂直之方向旋入螺旋钉，来做拔出试验。最后并建立一三维有限元素模型，用以研究螺纹周围之变形模式及其预测拔出最大力量的准确性。模型分析中以应变能密度准则作为破坏之参考标准。     

正畸力作用下上颌尖牙生物组织应力的三维有限元分析

建立了包括牙齿、牙周膜、牙髓、牙槽骨的上颌尖牙三维有限元模型 ,对不同加力方式下牙周组织的应力分布进行对比研究。目的是用较为先进和准确的双螺旋 CT法建立尖牙的三维有限元应力分析模型 ,为正畸治疗提供更为准确的数据并为模拟尖牙在正畸力作用下移动过程的模拟初态建立更为精确的模型。     

踏跳瞬间足后部骨骼的三维有限元分析

目的建立足部三维有限元模型,对足后部骨骼在踏跳中的应力分布进行分析。方法应用CT扫描和CAD/CAM软件处理,建立足后部骨骼三维模型。通过对背跃式跳高踏跳的足底压力测量和逆向肌肉力量计算,确定载荷约束条件,并进行有限元计算。结果获得了踏跳瞬间,跟骨、距骨、舟骨等易损伤部位的生物力学响应和应力分布,发现跟骨后距关节,距骨背面均为应力集中处。结论本研究建立的模型可用于足后部骨骼生物力学研究,为踏跳中的运动损伤力学机理提供数据。     

髋关节外固定器对股骨头压力影响的三维有限元分析

目的从三维有限元分析的角度,探讨髋关节外固定器对股骨头压力的影响。方法建立正常的髋关节三维有限元模型、安装单轴髋关节外固定器(A型)髋关节三维有限元模型、安装双轴髋关节外固定器(B型)的髋关节三维有限元模型,应用接触压力分析的方法,观察并分析髋关节双足站立位、单腿站立髋关节中立位股骨头的峰值压力,并进行统计学分析。结果髋关节外固定器均能减少股骨头的接触压力(P<0．05),髋关节外固定器在双腿站立时减少最明显,B型髋关节外固定器组较A型髋关节外固定器的股骨头接触压力减小。结论髋关节外固定器可减少股骨头的压力,可辅助治疗髋关节疾病。