狭窄动脉流固耦合模型Ansys/CFX数值的有限元分析

目的：研究狭窄动脉流固耦合模型刚性与弹性管壁受脉冲压力载荷时不同剪应力分布及管壁变形量。方法：建立动脉管壁/血液耦合模型，采用有限元法，利用ANSYS CFX的FSI流固耦合高级分析技术模拟出在脉冲压下管壁剪应力分布和变形情况。结果：模拟出弹性血管内的壁面剪应力要比刚性管内的减小明显，位移比刚性管壁的位移要大。结论：刚性管壁无法对人体正常生理状态进行比较好的模拟，由其耦合计算所得的一些结论与实际情况差距较大。数值分析中将结构钢作为刚性管，所得变形量小到可以忽略不计，因此在实验中可将其作为理想化的刚性管。模拟所得刚性管壁剪应力较大，加速内皮细胞的损伤，促进动脉硬化，引起更大的剪应力，恶性循环。该研究为动脉硬化机理的探索提供了更为快捷有效的方法。     

不同后路内固定治疗颅底凹陷寰枢椎脱位的生物力学研究

目的 探讨两种后路内固定治疗颅底凹陷寰枢椎脱位(basilar invagination with atlantoaxial dislocation, BI-AAD)的生物力学差异。方法 基于BI-AAD患者枕颈CT数据和临床手术方案,建立寰枢椎关节间融合器+后路枕骨板+C2椎弓根螺钉(Cage+C2PS+OP)和Cage+C1侧块螺钉+C2PS(Cage+C1LMS+C2PS)有限元模型,分析不同运动工况下寰枢关节稳定性、C2终板和植入器械应力分布特征。结果 与Cage+C1LMS+C2PS模型相比,Cage+C2PS+OP模型在前屈、后伸、侧弯和旋转工况下寰枢关节活动度分别降低了5.26%、33.33%、43.75%、-5.56%,钉棒系统应力峰值分别降低了47.81%、60.90%、48.45%、39.14%。两种内固定方式下C2终板和融合器应力均主要分布于运动受压侧,螺钉与椎体接触处和螺钉尾部都承受较大的载荷。结论 两种内固定方法都能提供相似的稳定性,但Cage+C1LMS+C2PS中钉棒系统应力集中较明显,螺钉松动和断裂发生的可能性较大。     

基于数字图像处理技术测量松质骨孔隙率的方法

背景：传统的松质骨孔隙率检测方法如直接法、气体膨胀法、压汞法、密度法和吸渗法等测量方法存在效率低、劳动强度大和工作繁杂等不足。 目的：利用MATLAB图像处理松质骨切片,计算松质骨孔隙率。 方法：运用MATLAB处理图像的方法,通过对染色后的松质骨切片图像进行去除灯光不均、图像增强、二值化、移除干扰目标等处理,最后得到二值化的二维矩阵。 结果与结论：切片图像由骨质和孔隙构成,对切片图像进行分割并计算孔隙率。主要解决了图像信息中由光照强度不均和其他干扰而影响统计的问题。利用MATLAB骨切片图像处理与分析方法不仅可以用来进行松质骨孔隙率的测量,而且能用来研究孔隙率的分布和变化规律。选取图像不同区域计算出各个选取区域孔隙率大小,用来分析切片孔隙分布的情况,这对于研究松质骨结构提供了一种方法与思路。     

制备工艺对同种异体骨生物力学特性的影响

背景:同种异体骨材料经过灭菌和降低免疫原性等物理方式和化学方法处理后,要求其保留一定的生物活性和生物力学特性.目的:观察5种不同制备工艺对同种异体骨生物力学特性的影响.设计、时间及地点:对比观察实验,于2008-10在上海理工大学生物力学与康复工程研究所完成.材料:新鲜尸体的股骨,由上海亚朋生物技术有限公司合作医院提供.方法:将新鲜尸体的股骨经过预处理后,制成形状大小相同的骨块移植材料,采用Y射线辐照、高压冲洗后短超声、切割后长时间超声、化学处理后短超声和常规工艺5种不同制各工艺进行处理,经深低温冷冻保存1个月后取出,在Instron实验机上进行轴向压缩实验,加载过程为匀速准静态,速度为0.1 mm/min.主要观察指标:同种异体骨轴向压缩下载荷一位移曲线和应力-应变曲线.结果:不同制备工艺下同种异体骨所承受的最大压缩载荷范围在1.1～2.1 kN,其中,Y射线辐照骨承受的载荷最大,常规工艺处理骨承受的载荷最小,高压冲洗后短超声骨的承载能力与v射线辐照骨的承载能力较接近.在骨的弹性限度范围内,化学处理后短超声骨的弹性变形区最小,刚度最大,切割后长时间超声骨的刚度最小,其余处理方法位于这两者之间.此外形状和结构相似的同种异体骨,应力一应变曲线的变化趋势相同,所承受的最大屈服应力值为4.5～9.5 MPa.结论:不同制备工艺对骨的屈服应力、弹性应变量及弹性模量等生物力学参数均有不同程度的影响.     

下颈椎全脊椎切除术后两种内固定重建方法的有限元分析

研究下颈椎C5椎体全脊椎切除术(TS)之后,前后路不同联合内固定重建方法对颈椎稳定性的影响。基于CT图像建立下颈椎C3-C7节段完整无损模型,在无损模型基础上,建立C5全脊椎切除术后两种内固定重建模型：一为钛网重建+前路钢板+后路单节段椎弓根螺钉模型(TM+AP+SPS);二为钛网重建+前路钢板+后路双节段椎弓根螺钉模型(TM+AP+DPS)。对模型分别施加0.5、1.0、1.5、2.0 N·m的扭矩,分析两种模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右扭转等工况下的关节活动度（ROM）以及钛网、钢板、椎弓根螺钉的应力分布情况。结果表明,重建节段ROM随着扭矩的增大而增加,呈现出非线性的趋势,TM+AP+SPS模型的增加幅度较大。1.0 N·m工况下,两种模型重建节段ROM均减少83%以上;TM+AP+SPS模型在后伸、侧弯和扭转时,邻近节段的ROM均增加11%以上,C6-C7节段的ROM在扭转时增加41.79%,TM+AP+DPS模型的邻近节段ROM则显著降低。TM+AP+SPS模型和TM+AP+DPS模型中钛网应力分别集中于受压侧和后方。TM+AP+SPS模型的邻近节段有较大的代偿活动,TM+AP+DPS模型各节段ROM均大幅度减小,TM+AP+DPS模型的稳定性更好。     

基于CT图像腰椎L4～L5节段有限元模型建立与分析

基于CT图像结合图像处理及有限元分析软件采用六面体网格建立完整的人体腰椎L4～L5活动节段三维有限元模型,并对模型有效性进行验证与分析。用块状化分割方法对腰椎模型进行几何处理,然后对二维四边形单元使用扫略和拉伸等方法生成六面体实体单元从而建立三维腰椎有限元模型,并另外建立单元数量和单元类型不同的腰椎有限元模型用以对比。观察腰椎在轴向力和6个方向的扭矩作用下的变形和位移以及椎间盘的应力分布情况。建立的原始模型共有110 762个单元,111 644个节点,模型在500、1000、1 500、2 000 N轴向压缩力作用下的位移分别为0.34、0.65、0.91、1.21 mm,在前屈、后伸、侧弯和扭转工况下关节活动度分别为5.69°、2.28°、3.41°和1.29°,终板最大应力分布规律与前人研究结果一致。用六面体单元划分网格的精细有限元模型可兼顾模型的计算效率及精度,所建模型符合腰椎一般生物力学特点,可用于模拟生物力学实验及对脊柱生物力学的进一步研究。     

下颈椎C3-C7活动节段三维有限元的建模和验证

基于CT图像数据结合图像处理软件建立人体下颈椎C3-C7活动节段的三维有限元模型,并验证模型的有效性。选取一名健康志愿者颈椎CT数据,建立包括椎体、后部结构、终板、椎间盘、韧带和关节突等部分的下颈椎C3-C7三维有限元模型,赋予颈椎组织不同成分的材料属性,模拟人体颈椎在正常生理状态下承受扭矩载荷时,前屈、后伸、侧弯和旋转等运动情况下颈椎椎体、椎间盘和小关节的生物力学特性。颈椎C3-C7活动节段在四种工况下的活动范围与前人离体实验和有限元分析的研究结果基本吻合,颈椎椎体、椎间盘和小关节的应力分布符合其生物力学特性。下颈椎C3-C7活动节段的模拟结果符合人体的真实运动规律,为临床颈椎的生理、病理研究以及植入器械的力学性能分析奠定理论基础。     

四连杆膝关节运动学性能仿真软件的实现

目的 实现四连杆膝关节假肢的运动瞬心轨迹的仿真与稳定性分析系统。方法 建立四连杆膝关节假肢瞬心轨迹与稳定性模型,通过labview软件仿真假肢运动特性。结果 该软件以动画的形式显示四连杆膝关节瞬心轨迹,计算出脚尖离地和脚跟着地的x/y值,即髋关节保持稳定所需力矩,并保存相关数据,与实物实验测得的数据比较,软件准确描述四连杆运动瞬心轨迹和稳定性。结论 测试结果表明：通过设计参数,该系统能够动态仿真四连杆膝关节瞬心轨迹的变化,并结合稳定性参数,为四连杆假肢膝关节设计与评价提供了客观依据。     

主动型仿生腿的驱动控制与性能评测*

利用气动人工肌肉作为仿生腿的驱动装置,通过方波、斜波等激励信号测试仿生腿的摆动状况,找到最佳输入曲线使仿生腿最大程度仿真真腿摆动,并将仿生腿摆动的角度时间曲线与人体正常步态曲线进行对比,得到了两组曲线吻合程度良好的结果,并分析了导致误差的原因。文章结果可为主动型仿生腿的设计提供理论依据。