儿童肱骨远端有限元模型的建立及力学分析

目的建立儿童肱骨远端有限元模型,并模拟肱骨轴向受力状态下应力分布,为肱骨的生物力学研究提供数值分析模型。方法通过CT扫描正常儿童右侧肱骨,获得连续断层图片,导入mimics13.1医学建模软件进行网格划分、材料属性赋值,生成有限元模型,应用有限元分析软件ANSYS10.0,约束边界条件,模拟肱骨轴向受力状态进行加载,得出肱骨远端有限元模型上的应力分布。结果建立的肱骨远端有限元模型节点共50364个、四面体单元29951个。肱骨在轴向载荷状态下应力集中主要位于髁上区,且尺侧应力集中现象较桡侧明显。结论应力分析结果解释了肱骨骨折好发于髁上区的原因,髁上区尺侧骨质的高应力是肱骨髁上骨折致肘内翻的基本生物力学因素。     

眼球-眼外肌有限元模型的建立与力学分析

将有限元分析(FEA)方法运用到眼科研究中,建立了眼球和眼外肌的三维有限元模型并进行外力加载,通过非线性有限元计算过程得出模型的位移、应力、应变等结果,探讨眼部结构与受力、运动之间的关系,所得结果与眼科临床知识相符合.     

膝关节动态有限元模型的力学分析

背景：膝关节具有解剖结构复杂性,活动多样性的特点。目前人体膝关节的生物力学研究由于不能进行直接的人体实验而进展缓慢,在尸体上进行实验又不具备正常人体的生理环境,其实验结果并不准确。 目的：采用了工程学的有限元分析方法,在无创、活体的条件下,研究膝关节各部位的受力情况。 方法：利用CT图像建立膝关节的三维动态有限元模型,在膝关节0°-90°范围内分析前后交叉韧带和髌股关节的受力。 结果与结论：前交叉韧带在屈膝0°时张力最大,然后逐渐减小,在屈膝50°-90°之间无明显变化,而后交叉韧带恰恰相反,在屈膝0°-50°时变化不大,之后逐渐增大,屈膝90°时达到最大值。髌股关节受力分析发现,髌股关节的压力是随着角度逐渐增大的。提示膝关节动态三维有限元模型能够逼真模拟膝关节活动,研究正常人膝关节各部位的受力,是骨科生物力学分析的有效工具。     

桡骨远端FrykmanⅧ型骨折钢板固定有限元模型的建立及力学分析

文题释义：尺骨茎突骨折：高达50%-70%的桡骨远端骨折合并有尺骨茎突骨折，骨折预后由此产生的并发症已经引起了临床的重视，但对尺骨茎突骨折是否需要固定仍存在争议。桡骨远端骨折Frykman分型：由Frykman于1967年提出，8种分型中的偶数型均合并有尺骨茎突骨折。背景：临床中对于桡骨远端骨折或是关节脱位的治疗普遍比较重视，但却很少关注尺骨茎突骨折，而且对尺骨茎突骨折是否需要固定存在争议。骨科生物力学研究中，选用尸体实验可能会遇到尸体模型选择标准不一以及力学测量手段不同等问题。 目的：选用有限元分析方法，基于Mimics软件构建桡骨远端Frykman Ⅷ型骨折钢板螺钉固定的有限元仿真模型，并设定工况与载荷进行力学分析，希望给此类骨折修复方案的选择提供参考。方法：基于1例健康志愿者的前臂及手部CT图像建立正常腕关节三维有限元基础模型，调试后通过轴向加载100 N应力得出桡骨远端的应力分布云图，与文献中尸体实验数据对比来验证模型的有效性。通过有限元相关软件分网、切割造模建立桡骨远端Frykman Ⅷ型骨折合并尺骨茎突Ⅰ型和Ⅱ型骨折的2种有限元模型，并完成桡骨远端钢板螺钉固定模型的组装。在旋转工况下设定载荷，分析2个模型中钢板内植物单元的应力分布、下尺桡关节的相对位移及尺骨茎突骨折端位移的变化情况。结果与结论：①建立并验证了正常腕关节的三维有限元模型，以此为基础延伸建立出桡骨远端Frykman Ⅷ型骨折合并尺骨茎突Ⅰ型和Ⅱ型骨折桡骨远端钢板螺钉固定的2种有限元模型；②在设定相同旋转载荷条件下，桡骨远端Frykman Ⅷ型骨折合并尺骨茎突Ⅰ型骨折的钢板固定模型中钢板单元承受的应力及应力分布范围均小于合并尺骨茎突Ⅱ型骨折钢板固定的骨折模型，下尺桡关节的相对位移值及尺骨茎突骨折端位移值也小于后者；③提示构建的腕关节三维有限元模型可用于腕部骨折的力学机制分析；通过有限元分析研究显示，桡骨远端Frykman Ⅷ型骨折中尺骨茎突骨折会影响下尺桡关节的稳定性，其中合并有尺骨茎突Ⅱ型骨折时较为明显，可以给此类骨折修复方案的选择提供一定的临床参考。ORCID: 0000-0001-7298-6727(李永耀) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程     

髌骨三维有限元模型建立及有效性分析

目的 建立髌骨三维有限元模型,并对所建模型做出初步力学分析.方法 根据螺旋CT扫描图像,利用ANSYS有限元软件由下向上点、线、面、体的建模原则,对髌骨三维有限元模型进行重建;并在重建基础上模拟髌骨受力机制,分析其应力大小和应力分布情况.结果 对髌骨进行有限元分析,结果显示应力集中区分布在髌骨的中下极,说明骨折的好发部...     

膝关节三维有限元模型的建立及生物力学分析

背景:近年来,采用有限元分析法进行膝关节生物力学分析在国外发展迅速,但在国内,关于膝关节的三维有限元分析较少,且建模简单,相对粗糙,目前尚未有文献报道包括半月板、关节软骨及全部韧带等在内的完整膝关节的精细三维有限元模型。目的:建立完整的膝关节三维有限元模型。方法:获取正常膝关节SCT扫描图像数据,使用Mimics、3ds Max、ANSYS等软件建立膝关节三维有限元模型并进行初步的生物力学分析,以验证模型的有效性。结果与结论:建立的膝关节三维有限元模型具有良好的生物形态,外形与实体标本一致性高。进行生物力学分析结果显示前交叉韧带承受前向载荷最大;轴向负荷中,内侧间室负荷较外侧间室大;胫腓骨前向移动4.9mm。实验初步表明采用CT扫描资料建立三维有限元模型切实可行,特别适用于骨科领域三维有限元模型的建立。     

股骨头缺损模型的建立及评估

目的:模拟临床上治疗Ⅱ期股骨头坏死的手术过程,制备兔股骨头缺损模型,并植入部分脱蛋白骨,评估股骨头缺损模型在Ⅱ期股骨头坏死治疗方面的应用价值。方法:成年健康新西兰白兔16只,切开关节囊,在头颈交界处开窗,建立股骨头缺损模型。32侧股骨头随机分为2组:(部分脱蛋白骨)PDPB组植入部分脱蛋白骨;另一组为空白对照。术后2,4,8周处死动物,标本行X射线及病理学观察。结果:X射线、病理学观察及图像分析结果表明:PDPB组在术后2,4,8周股骨头缺损区修复组织存在新生骨组织,而空白对照组至术后8周仍修复组织以纤维为主。结论:所建立的缺损模型在评价组织工程方法治疗Ⅱ期股骨头坏死的疗效方面具有可行性。     

旋后外旋型踝关节损伤有限元模型的建立与力学分析

目的模拟旋后外旋型踝关节损伤,建立踝关节三维有限元模型。方法基于正常人体踝关节CT图像,建立包含韧带的踝关节三维数值模型;采用有限元方法对Lauge-Hanson分型4种不同程度的旋后外旋型踝关节损伤进行分析,得到踝关节应力及胫距关节面的压力分布。结果施加旋后外旋载荷时,应力最大值位于胫腓前韧带胫骨附着点;断裂胫腓前韧带后,则位于骨间膜;继续断裂骨间膜后,应力较大值位于踝关节后韧带;再断裂胫腓后韧带后,应力较大值位于三角韧带。压力较大值则位于腓骨远端、胫距下关节面后部。结论建立的踝足部三维数值模型可用于旋后外旋型踝关节损伤的的力学机理分析,计算出的踝关节应力及胫距关节面的压力分布符合临床中Lauge-Hanson分型的描述。     

胫骨远端关节面缺损有限元模型的生物力学分析

背景：采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学研究得到了广泛应用,但是关于胫骨远端关节面缺损有限元分析,国内外少见关于此类的报道。 目的：建立踝关节的三维有限元模型,制作胫骨远端关节面不同面积的缺损,并模拟在不同位相下胫骨远端关节面发生形变、位移情况,预测胫骨远端关节面缺损的最大允许程度和探讨踝关节创伤性关节炎的力学发病机制。 方法：通过对1名正常成年男性踝关节的多排螺旋 CT扫描,获得连续断层图片,导入Mimics 医学建模软件生成实体模型后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS13.0进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型。约束边界条件,模拟踝关节远端轴向受力,得出在不同位相下胫骨远端关节面有限元模型上的应力分布与位移结果。 结果与结论：建立人体踝关节有限元模型总单元数为157 990,总节点数为193 801。3个位相,都是随着胫骨远端缺损面积的增大,接触面积逐渐减小,尤其是跖屈位在缺损直径13 mm的面积时,变化最为明显;3个位相的接触面积,在中立位接触面积最大;在中立位和背屈位都是随着胫骨远端关节面缺损面积的增大,应力峰值逐渐增大,都是在11-13 mm以后应力峰值明显增大;在中立位和背屈10°位,主要集中在后内和后外象限;在跖屈10°位,变化比较复杂,在11-13 mm,随着缺损面积的增大应力峰值变化明显增大,到13 mm应力峰值达到最大值。所以,胫骨远端关节面的最大缺损直径可认为是11-13 mm。胫骨远端关节软骨及骨床缺损直径超过11-13 mm的圆面积,关节功能将受到影响。     

跖骨缺损及重建的有限元分析

目的 比较髂骨、肩胛骨、腓骨重建跖骨缺损的力学效果。方法 在足骨骼三维模型上模拟1～3跖骨、4～5跖骨缺损，分别采用髂骨、肩胛骨、腓骨重建。以有限元法计算得到的位移及应力作为评价指标。结果 不同跖骨缺损对残足位移及应力影响不同，1～3跖骨全缺损影响最大。髂骨重建者最大位移和最大应力小于肩胛骨、腓骨重建者。结论 多组跖骨缺损要修复，从力学角度考虑髂骨是首选的供骨。     

胫骨远端骨折有限元模型的建立及稳定性分析

BACKGROUND: Traditional studies on foot and ankle biomechanics have limitation. Ankle joint was complicated and had big range of motion, so it is difficult to establish finite element models and to analyze the type of fracture.     

正常与骨质疏松髋关节模型的建立及有限元分析

背景：骨密度是临床上判断骨骼强度的金标准，但骨密度对骨量变化的敏感较低，只有骨量明显降低时骨密度才会出现大幅变化，故骨密度对骨强度变化和骨折危险度的预测能力有限。目的：建立正常与骨质疏松髋关节模型，分析单腿站立工况下正常及骨质疏松患者髋部应力及形变情况。方法：选择1例健康成年女性志愿者为研究对象，年龄36岁，获得该志愿者的髋部CT数据并以DICOM格式保存。对髋关节模型进行三维重建，通过灰度赋值法赋予材料属性，按照经验公式，获得正常与骨质疏松髋关节模型。设定相同的边界条件和载荷，模拟单腿站立位状态下正常与骨质疏松髋关节应力及形变情况。结果与结论：(1)在正常及骨质疏松髋关节有限元模型中，股骨颈内侧区域应力分布较为集中；(2)在髋骨中，应力分布主要集中于髋臼上部；(3)正常髋关节模型比骨质疏松性髋关节模型在股骨颈内侧、髋臼上部的应力峰值大，可能是由于骨质疏松性骨骼骨强度降低导致；(4)正常及骨质疏松髋关节模型的Von Mises峰值都集中于股骨颈内侧，髋骨Von Mises峰值较小，说明骨质疏松对髋骨受力整体影响相对较小；(5)单腿站立位下形变方面，正常髋关节模型最大形变位于髋臼与股骨头...     

肱骨远端三维有限元模型的建立及生物力学分析

背景：采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学分析得到了广泛应用,但是关于肱骨远端的有限元分析较少,且所建模型粗糙,方法繁琐。 目的：建立肱骨远端的三维有限元模型,并模拟不同受力状态下的应力分布及应变特征。 方法：通过对正常成年男性肘关节的多排螺旋CT扫描,获得连续断层图片,导入Mimics医学建模软件生成实体模型后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS 10.0,进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型。约束边界条件,模拟肱骨远端轴向受力,得出肱骨远端有限元模型上的应力分布与应变结果。 结果与结论：建立的肱骨远端有限元模型总单元数为6 292,总节点数为10 232。肱骨远端在轴向载荷状态下的应力集中主要位于内、外侧柱区域。提示建立的有限元模型精确度高,符合肱骨远端的临床特点,较好地模拟了肱骨远端的生物力学特性。     

构建Cam型髋关节撞击综合征有限元模型及力学分析

背景:Cam型髋关节撞击综合征可使关节承受力学过载并最终导致髋关节骨关节炎,然而其诱发骨关节炎的相关力学机制仍不清楚。目的:运用三维有限元的方法,分析Cam型髋关节撞击综合征的关节内力学环境,进一步了解其病理力学特点。方法:采用正常髋关节CT数据,利用Mimics和Hypermesh软件准确构建正常髋关节和Cam型髋关节撞击综合征三维有限元模型。在LS-DYNA软件中,模拟坐下、起立时的力学加载条件,对正常髋关节和Cam型髋关节撞击综合征髋关节的软骨接触力学进行分析。结果与结论:基于CT数据准确构建了包含关节软骨的正常髋关节和Cam型髋关节撞击综合征髋关节三维有限元力学分析模型。坐下、起立加载过程中,正常髋关节在最大屈髋位时峰值接触压力分别为4.43,4.59 MPa;而Cam型髋关节撞击综合征髋关节分别为14.96,14.86 MPa,髋臼缘前上方出现过高压力和应力集中。提示髋臼软骨过高的接触压力可能是Cam型髋关节撞击综合征导致骨关节炎的力学机制。     

压配型髋臼假体置换后骨性髋臼的微有限元分析

目的探讨压配型髋臼假体置换术后骨性髋臼皮质骨和松质骨的骨小梁应力分布模式及松质骨是否参与承载负荷。方法应用显微CT扫描骨性髋臼的骨小梁,建立骨性髋臼的三维微有限元模型。计算压配型髋臼假体置换后骨性髋臼骨小梁的应力和应变,分析骨性髋臼骨小梁应力、应变的生物力学特征。结果当压配型金属髋臼假体植入髋臼后,骨性髋臼外表面的最高应力区位于耻骨区,最高应力为1.389 MPa。在臼顶区,高应力区的面积最大。在骨性髋臼内部的松质骨,高应力区主要分布在臼顶区,分布区域相对较广。当施加1.372 k N载荷后,骨性髋臼外表面面积较大高应力区位于臼顶区域和耻骨区域,臼顶区的最高拉应力为0.604 MPa,耻骨区骨小梁出现微损伤。在骨性髋臼内部的松质骨,面积较大高应力区主要分布在臼顶区和耻骨区。结论高应力区沿着骨性髋臼外表面呈现3点式环形分布,集中分布于耻骨区、坐骨区、臼顶区;髋臼内部松质骨骨小梁通过形变导致应力分布更加均匀。髋臼松质骨具有承受载荷功能。     

颈椎有限元模型的建立方法及进展

详细论述建立颈椎有限元模型的四项基本准则（解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证）及其实现方法。回顾现有的一些具有代表性的颈椎有限元模型，并指出其未来发展的一些新动向。     

腕关节有限元模型的建立及应用进展

背景：目前国内外较成熟的三维有限元分析多集中于脊柱和髋关节的生物力学研究,对于手部的有限元分析较少。 目的：腕关节有限元模型的建立及力学研究的应用进展。 方法：由第一作者检索万方数据库和Pubmed数据库相关文献。中文检索词为“力学分析,有限元,腕关节”;英文检索词为“wrist joint,mechanical analysis,finite element”。检索时间范围：1970年1月至2010年12月。经查阅与腕关节有限元的建模方法、可靠性、影响因素等相关文献。最终纳入21篇文献进入结果分析。 结果与结论：手部是一个复合性的机械结构,应用有限元法进行生物力学分析要同时考虑到骨骼、关节面、韧带及肌腱的作用。目前的研究基本是在静态下对腕关节有限元模型进行力学加载,尚难以实现动态模拟、分析和给予腕关节完全真实的生理载荷条件。相信随着计算机技术和有限元理论的不断发展,人们可以模拟各种现实的临床状况,建立有针对性的有限元模型,为研究复杂的手部功能、疾病、治疗及日常生活所需提供更有力的帮助。     

颈椎有限元模型的建立方法及进展

详细论述建立颈椎有限元模型的四项基本准则(解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证)及其实现方法。回顾现有的一些具有代表性的颈椎有限元模型,并指出其未来发展的一些新动向。     

室间隔缺损封堵器的有限元建模及分析

目的分析编织角度与材料对室间隔缺损(ventricular septal defect,VSD)封堵器使用效果的影响,为器械设计提供理论依据与指导。方法建立3种编织角度(30°、45°、60°)封堵器的有限元模型,分析比较两种编织材料镍钛合金(nickel titanium,Ni Ti)、聚对二氧环已酮(poly-p-dioxanone,PPDO)封堵器在腰部分别受径向和轴向载荷下的支撑效果。结果5 k Pa径向载荷下,30°、45°、60°Ni Ti封堵器的腰部径向刚度分别为8.60、1.51、0.99 m N/mm~3,45°PPDO封堵器腰部径向刚度为7.35 m N/mm~3。0.5 rad轴向弯曲下:30°、45°、60°Ni Ti封堵器腰部最大径向形变分别为1.17、1.24、0.22 mm,45°PPDO封堵器腰部最大径向形变为0.54 mm。结论同种材料情况下,编织角度为60°的封堵器腰部径向刚度最小,径向支撑性能最佳;60°封堵器腰部最大径向形变最小,轴向弯曲性能最佳,顺应性最好。同种编织角度情况下,Ni Ti封堵器腰部径向刚度较小,径向支撑性能较佳;PPDO封堵器腰部最大径向形变较小,轴向弯曲性能较佳,顺应性较好。     

正常颈椎有限元模型建立及有效性验证

目的：建立颈椎C2～C7节段三维有限元模型,分析模型的生物力学特征,进行有效性验证。方法：招募一名健康志愿者为建模对象,利用64排螺旋CT进行颈椎连续性断层扫描,扫描区域设定为枕骨至C7椎体节段。将获得的图像数据DICOM文件导入至Mimics图像分割软件中,对颈椎骨性结构进行分割提取。在Geomagic studio软件中对获得的颈椎骨性结构模型进行去噪、光顺、修补填充等处理,拟合曲面实体,并偏移分割生成皮质骨与松质骨,将模型保存为STEP文件。在Solidworks软件中完成椎间盘髓核、纤维环及关节软骨结构的建立与模型的组装匹配。ANSYS Workbench软件中添加材料属性、接触关系、边界条件及载荷,测量颈椎在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种应力作用下位移变化。结果：成功建立颈椎C2～C7节段有限元模型,颈椎C2～C3屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为7.2°、8.2°、5.3°,颈椎C3～C4屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为7.2°、8.1°、6.2°,颈椎C4～C5屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为8.1°、7.9°、7.8°,颈椎C5～C6屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为6.9°、...