PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换后椎体应力及关节突关节间压力有限元分析

目的:分析PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘对椎体的应力和关节间压力作用,了解节段间运动载荷传递方式及作用机制。方法:通过实体CT扫描方式建立颈4~5节段PrestigeTM-LP人工椎间盘置换有限元模型。生理载荷下前屈、后伸、左侧弯、左轴向旋转时测量颈5椎体应力和颈4-5关节突间压力变化。结果:运动加载后C5椎体应力均有不同程度增大,表现出与运动加载方向一致的应力偏移改变。相比于前屈,后伸时双侧关节突间压力明显增大。左侧弯时左侧关节突间压力增大,左轴向旋转时右侧关节突间压力明显增大。结论:采用有限元模型进行骨性结构的应力及压力分析具有形象及精确的优点。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换有效地起到椎体间应力传递和保留关节突关节间压力作用,具有接近正常颈椎的生物力学特性。     

人体胸廓三维有限元模型的建立及应力分析研究

目的建立人体胸廓有限元计算机模型,并对模型进行模拟胸部按压应力分析以验证其有效性,为探讨心肺复苏时胸外按压的机制及临床效果提供生物力学研究的新思路。方法采用螺旋CT对一成年男性新鲜尸体标本进行胸部扫描,在此基础上建立完整人体胸廓的三维有限元模型。对模型进行垂直方向模拟按压加载,分析胸廓各部位的位移及应力分布。结果建立了包括锁骨、肋骨、脊柱等结构的人体胸廓的三维有限元模型,共356562个节点、215808个单元,并依据CT图像灰度值将模型区分为6种材料性质。垂直方向按压加载,向下移位最大部位是胸骨,而应力集中部位是肋骨最后部。结论重建的人体胸廓具有非常精确的组织结构信息,能够为人体胸廓按压提供生物力学仿真基础。     

胫骨中段骨折钢板螺钉固定的有限元分析

目的 通过有限元分析探讨有限接触型动力加压钢板(LC-DCP)不同螺钉固定数目及位置对胫骨中段骨折的生物力学影响.方法获取正常胫骨CT薄层扫描图像,利用三维重建软件Mimics10.01及有限元分析软件Ansys 10.0建立正常胫骨有限元模型,并在此基础上制成胫骨中段斜形无缺损骨折模型,以14孔LC-DCP固定,根据螺钉固定数目及位置不同分为5组:A组固定第1、2、3、12、13、14孔,B组固定第1、4、7、8、11、14孔,C组固定第1、3、6、9、12、14孔,D组固定第1、2、7、8、13、14孔,E组第1～14孔全部固定.各模型压缩载荷为1000 N,扭转力矩为5 N·m.结果 A组螺钉受力以第3、12孔为大.B组螺钉压缩时受力均以第1孔为最大,第4孔次之;扭转时以第7、8孔为大.C组螺钉压缩时受力均以第1孔为最大,第3孔次之;扭转时受力以第6、9孔为大.D、E组螺钉压缩时受力均以第1孔为最大,第2孔次之;扭转时受力以第7、8孔为大.结论应用LC-DCP固定治疗胫骨中段骨折时以6枚螺钉固定14孔长钢板为妥,且以固定第1、2、7、8、13、14孔为最佳.

Abstract：

Objectives To determine biomechanical performances of limited contact-dynamic compression plate (LC-DCP) fixation with screws in different number and position for treatment of fractures of tibial shaft. Methods CT scan was performed for a fresh sample of adult tibia to construct a 3D finite element model of normal tibia using Mimics 10. 01 and Ansys 10. 0. Finite element models of oblique fractures of middle tibia were made on the basis of the normal model to be all fixed with LC-DCP of 14 holes but with screws in 5 different patterns. Model A was fixed with screws in the 1st, 2nd, 3rd, 12th, 13th and 14th holes; model B with screws in the 1st, 4th, 7th, 8th, 11th and 14th holes; model C with screws in the 1st,3rd, 6th, 9th, 12th and 14th holes; model D with screws in the 1st, 2nd, 7th, 8th, 13th and 14th holes;and model E with screws in all 14 holes. Finite element software Ansys 10. 0 was used to establish 3-D finite element models of 5 fixation models for tibial shaft fracture. Five kinds of digital loadings were simulated in computer, with 1000 N compressive load and 5 N · m torque moment for all models. Results In model A, the highest stresses were on the 3rd and 12th holes. In model B, the highest compressive stress was on the 1st hole, next by the 4th hole; the highest torsion stresses were on the 7th and 8th holes. In model C, the highest compressive stress was on the 1st hole, next by the 3rd hole; the highest torsion stresses were on the 6th and 9th holes. In models D and E, the highest compressive stress was on the 1st hole, next by the 2nd hole; the highest torsion stresses were on the 7th and 8th holes. Conclusions In treatment of tibia shaft fractures with minimally invasive percutaneous plate osteosynthesis, fixation with a 14-hole LC-DCP and 6 screws is appropriate. The appropriate fixation holes are the 1st, 2nd, 7th, 8th, 13 th and 14th holes.     

前路钢板置入固定治疗骶髂关节脱位的三维有限元分析

背景：已有文献报道骶髂关节损伤及固定的生物力学研究,但多是在尸体标本或人工骨模型上模拟骶髂关节损伤。目的：利用三维有限元方法对骶髂关节脱位前路钢板内固定的垂直稳定性进行分析。方法：在完整骨盆三维有限元模型的基础上,建立一侧骶髂关节脱位后前路钢板内固定模型。对模型施加500N轴向载荷,经计算得到应力、应变及位移云图,并与完整骨盆的同一工况进行比较分析。结果与结论：在内固定系统处出现了应力集中现象,尤其以靠近骶髂关节的螺钉周围应力最大,远远大于完整骨盆同一工况下的最大应力。应变以健侧骶髂关节最大,内固定侧骶髂关节无应变。位移以损伤侧骶髂关节处最大,约为完整骨盆的2倍。提示前路钢板内固定治疗骶髂关节脱位,骨盆在垂直方向上稳定性较差,且钢板螺钉处出现了应力集中现象。     

纤维桩修复上颌中切牙的三维有限元研究

目的应用三维有限元法研究上颌中切牙采用全瓷冠修复和纤维桩全瓷冠修复时牙本质的应力变化情况,分析纤维桩修复对上颌中切牙应力大小和分布的影响。方法通过螺旋CT扫描、Mimics软件、ANSYS软件建立不同牙体量上颌中切牙的三维有限元模型,分别行全瓷冠修复和纤维桩全瓷冠修复,模拟咬合加载,记录牙本质的von Mises应力和最大拉应力。结果相同牙体量的上颌中切牙,采用纤维桩全瓷冠修复时牙本质的应力值小于全瓷冠修复时的应力值,应力分布基本相似。结论纤维桩的应用能降低上颌中切牙牙体组织的应力峰值,有利于降低牙折的风险,并且不改变原有应力分布模式。     

前路钢板置入固定治疗骶髂关节脱位的三维有限元分析(英文)

背景:已有文献报道骶髂关节损伤及固定的生物力学研究,但多是在尸体标本或人工骨模型上模拟骶髂关节损伤。目的:利用三维有限元方法对骶髂关节脱位前路钢板内固定的垂直稳定性进行分析。方法:在完整骨盆三维有限元模型的基础上,建立一侧骶髂关节脱位后前路钢板内固定模型。对模型施加500N轴向载荷,经计算得到应力、应变及位移云图,并与完整骨盆的同一工况进行比较分析。结果与结论:在内固定系统处出现了应力集中现象,尤其以靠近骶髂关节的螺钉周围应力最大,远远大于完整骨盆同一工况下的最大应力。应变以健侧骶髂关节最大,内固定侧骶髂关节无应变。位移以损伤侧骶髂关节处最大,约为完整骨盆的2倍。提示前路钢板内固定治疗骶髂关节脱位,骨盆在垂直方向上稳定性较差,且钢板螺钉处出现了应力集中现象。     

膝关节三维解剖电子图谱的制作及在解剖学教学中的应用

随着计算机图形图像技术的不断完善以及虚拟人研究的不断进展,已出现多种图像的三维重建方法,如使用三维重建软件(如Mimics等)对CT、MRI等影像数据进行三维重建[1-3],或者通过激光扫描仪构建标本的表面三维轮廓,也可以获得标本的三维图像[4-5].由于这些重建模型具有很强的三维直观性,应用于解剖学教学可获得较好的教学效果.     

骨科三维有限元力学仿真的建模

骨科三维有限元模型是有限元数值计算与计算机仿真技术相结合、针对临床骨科对象建立的生物力学实验模型,是骨科生物力学研究的重要手段之一.骨科生物力学是应用生物力学的方法来解决骨科遇到的问题,将数学、物理学和工程学的原理和手段应用于临床骨科对象,形成了脊柱生物力学、关节及人工关节生物力学、运动和康复医学、组织工程研究等方向[1-4].     

前路经寰枢关节螺钉内固定生物力学性能的有限元分析

目的:通过有限元分析的方法评估前路经寰枢关节螺钉内固定的生物力学性能。方法:选择一名21岁健康男性志愿者,采用螺旋CT对枕骨底到C3椎体进行层厚1mm的薄层扫描,利用MIMICS 13.0软件、Freeform Plus软件及ANSYS 9.0软件,建立正常上颈椎有限元模型。去除模型中横韧带的所有单元模拟寰枢关节不稳,以枢椎前弓下缘与枢椎椎体侧缘交界点上方4mm处为进钉点,经寰枢关节分别向两寰椎侧块外上角中部置钉,最终建立前路经寰枢关节螺钉内固定治疗寰枢关节不稳的有限元模型。给予模型分别施加前屈、后伸、侧屈、旋转四种生理载荷,观察不同载荷下螺钉的三维运动范围与应力变化,分析前路经寰枢关节螺钉内固定的生物力学性能。结果:前路经寰枢关节螺钉内固定在不同载荷下三维运动范围均较小,但前屈、后伸状态下三维运动范围(0.72°,1.08°)明显大于侧屈、旋转状态(0.39°,0.32°)。不同状态下应力集中区域均为螺钉经寰枢关节部位,最大应力值为10.58×107Pa,出现在后伸状态。结论:前路经寰枢关节螺钉内固定具有可靠的生物力学性能,在侧屈、旋转状态下的力学性能优于前屈后伸状态,螺钉经寰枢关节部位易产生应力集中,为可能的断钉部位,临床应用时应采取有效预防措施。