基于有限元的单侧上颌骨缺损修复材料的生物力学研究

目的 采用三维有限元分析方法研究不同修复体材料对上颌骨单侧缺损修复的生物力学影响。方法 利用医学图像处理软件MIMICS重建单侧缺损上颌骨模型,采用镜像技术生成修复体模型,经模型处理最终建立单侧缺损修复的上颌骨有限元模型及健康上颌骨有限元模型,并模拟口腔咬合状态下上颌骨受力状态。结果 不同修复材料修复上颌骨的最大应力都集中在与颧骨连接的上颌骨边缘,即颧小肌与提口角肌附着位置。利用三磷酸钙（TCP）复合材料修复后,修复侧的上颌骨边缘应力最小为8.471 MPa;利用羟基磷灰石（HA）修复后,修复侧的上颌骨边缘应力最大,达到17.55 MPa。结论 不同修复材料对修复后上颌骨健侧受力影响不显著,对修复侧受力影响较大。弹性模量的大小可作为临床上用于缺损上颌骨修复的材料选择依据。     

半侧上颌骨缺损赝复体修复固位方案的生物力学评价

目的 对3种单侧上颌骨缺损赝复体修复方式——卡环固位、一根/两根颧种植与卡环联合固位进行生物力学评价。方法 基于CT扫描数据建立正常人颅骨的三维有限元模型,通过三维有限元法计算分析3种重建模型中上颌复合体的应力分布,综合比较赝复体、基牙、卡环、种植体、颧骨的应力水平。结果 单一的卡环固位,基牙应力峰值达130.7 MPa,赝复体产生位移4.439 mm,卡环应力峰值达452.4 MPa,健侧眶缘应力为23.32 MPa;加入一根颧种植后,卡环应力减小至118.1 MPa,基牙应力峰值为31.12 MPa,健侧眶缘应力仅为5.387 MPa。两根颧种植体固位方式下,颧骨应力由66.11 MPa减小到48.12 MPa;颧种植体上的最大应力也由500.2 MPa降至313.8 MPa。 结论 颧种植与卡环联合固位,颌面骨骼应力分布更符合咬合力传导规律。研究结果将为人体上颌单侧缺损重建方案设计和优化提供重要参考数据。     

不同内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的有限元及生物力学分析

背景：骨盆稳定性主要由骨盆后环决定及骶髂关节决定,车祸等高能量冲击带来的骨盆后环损伤及骶髂关节脱位病例逐年递增。手术治疗是最优方法,临床中存在多种内植物修复方式,但哪种治疗方式的生物力学性能最优仍有一定争议。目的：对比前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉3种内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的生物力学性能,为其临床治疗及骨盆新型拉力钉研发提供参考。方法：(1)有限元仿真：利用Mimics、Wrap和SolidWorks分别建立正常骨盆、单侧后环损伤骨盆及其前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉修复模型,利用Ansys分析模型的应力和变形情况;(2)生物力学实验：用15个完整骨盆标本随机分为5组,分别为正常骨盆、单侧后环损伤骨盆及其前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉修复组,并用Instron E10000力学试验机进行力学测试。结果与结论：(1)仿真分析结果显示,正常骨盆模型骶骨平均位移为0.174 mm,骶髂骨最大应力为10.51 MPa,应力分布均匀;单侧不稳定损伤骨盆模型骶骨平均位移最大,为0.267 mm,模型应力集中明显;3种修复模型骶骨平均位移都接近正常骨盆模型,拉力钉修复模型骶髂骨应力分...     

有限元分析法研究脊柱生物力学的新进展

近20年来，有限元分析法在脊柱生物力学研究领域中已得到日益广泛的应用。本就近10年来国外学用有限元法研究脊柱生物力学的新进展作以综述。详细介绍了椎体、后部结构、问盘、韧带、肌肉组织在生理及病理情况下的生物力学特性，及不同术式、内固定器械对脊柱生物力学的影响；介绍了用有限元法研究某些疾病发病的力学机制的新成果；展望了有限元法应用于脊柱生物力学研究的前景。     

单侧上颌骨缺损三维光弹模型的设计和制作

目的　探讨建立单侧上颌骨缺损的三维光弹模型的方法。方法　利用标准牙体和上颌模型,建立单侧上颌骨缺损的硅橡胶阴模后,制作单侧上颌骨缺损环氧树脂光弹模型。结果　制作完成环氧树脂单侧上颌骨缺损模型,环氧树脂牙体、牙槽骨和硅橡胶（牙周膜）弹性模量比值为13.3:1:0.001,与临床比值接近。结论　建立的单侧上颌骨缺损的环氧树脂光弹模型光学灵敏度高,直观性强,能很好的满足光弹实验的要求。     

寰椎骨折的生物力学分析

目的采用有限元方法,预测寰椎在不同位置条件下寰椎应力的分布,并以此推断可能出现的寰椎骨折类型。方法构建寰椎三维骨性结构,分析寰椎在中立、屈曲、后伸三种位置下应力分布状况。结果寰椎高应力在中立位时,出现在寰椎前部和双侧椎弓根;屈曲位时,分布在寰椎前部;后伸位时,存在寰椎前弓和双侧椎弓根。结论寰椎前弓和前结节交界处、前弓和侧块交界处、后弓和侧块交界处、后弓和后结节交界处是应力较为集中的部位,也是寰椎骨折容易发生的部位。骨折部位和骨折类型与寰椎损伤时所处的位置、寰椎几何形状、外力的方向以及寰椎的力学特征密切相关。     

不同咬合方式下人体下颌骨膜下种植体的生物力学特性

目的研究骨膜下种植体在4种咬合力作用下的生物力学特征,为临床病例骨膜下种植体个性化设计提供基础。方法在下颌骨三维实体模型的基础上,分别建立网状基底骨膜下种植体(种植体1)和带状基底骨膜下种植体(种植体2)。研究在4种荷载作用下两种种植体的应力分布。结果种植体1在荷载Ⅳ作用下最大应力可达230.42 MPa,种植体2在荷载Ⅰ作用下最大应力可达311.11 MPa。网状基底种植体具有较好的抗垂直荷载能力,而带状基底种植体具有较好的抗斜向荷载能力。结论在种植体设计时可以通过合理布置基台个数和间距来有效控制种植体上的应力,同时应使基台与下颌牙槽嵴垂直,以保证斜向荷载水平分力不被放大。此外,还应保证基底对基台有足够的约束,避免因约束不足导致基台底部应力过大。在义齿制作过程中,应保证全口义齿做正中、前伸、侧方咬合时必须多点接触,使咬合处于平衡状态,达到减小接触面拉应力的目的。     

不同长度锁钉固定桡骨远端不稳定骨折的生物力学比较

目的 比较不同长度锁定螺钉固定桡骨远端骨折的术后稳定性及不同时期骨痂和远端螺钉的应力分布情况,为桡骨远端骨折螺钉长度的选择提供生物力学依据。方法 分别建立含骨折断面和骨痂的桡骨远端不稳定骨折的三维有限元模型,并用掌侧锁定钢板和不同长度锁钉固定,通过赋予骨痂不同材料属性来模拟骨折术后不同时期。分析术后不同时期骨痂和远端螺钉的应力分布情况,同时根据骨折断面最大轴向位移计算整个固定系统的压缩刚度。 结果 对于相同轴向载荷,75%长度以上单皮质螺钉固定时压缩刚度与双皮质螺钉固定相比基本无差异;术后早期骨痂处最大应力随着螺钉长度增加逐渐变小;术后中后期远端螺钉最大应力随着螺钉长度增加逐渐变大,远端双皮质螺钉应力最大。结论 采用75%长度以上单皮质锁钉固定桡骨远端不仅可以达到早期稳定性,同时也避免伸肌腱并发症的发生。     

个性化钛合金短柄股骨假体的生物力学研究

目的 通过有限元方法评价个性化钛合金短柄股骨假体的生物力学性能.方法 在已验证有效性的股骨有限元模型基础上,模拟股骨颈基底部截骨,通过置入不同短柄股骨柄假体,分别建立4种人工髋关节置换(total hip replacement,THR)手术模型:SMF柄模型(模型A)、BE1柄模型(模型B)、MINI柄(模型C)、个...     

有限元分析法研究脊柱生物力学的新进展

近20年来,有限元分析法在脊柱生物力学研究领域中已得到日益广泛的应用.本文就近10年来国外学者用有限元法研究脊柱生物力学的新进展作以综述.详细介绍了椎体、后部结构、间盘、韧带、肌肉组织在生理及病理情况下的生物力学特性,及不同术式、内固定器械对脊柱生物力学的影响;介绍了用有限元法研究某些疾病发病的力学机制的新成果;展望了有限元法应用于脊柱生物力学研究的前景.     

Biomechanical study of tarsometatarsal joint fusion using finite element analysis

Complications of surgeries in foot and ankle bring patients with severe sufferings. Sufficient understanding of the internal biomechanical information such as stress distribution, contact pressure, and deformation is critical to estimate the effectiveness of surgical treatments and avoid complications. Foot and ankle is an intricate and synergetic system, and localized intervention may alter the functions to the adjacent components. The aim of this study was to estimate biomechanical effects of the TMT joint fusion using comprehensive finite element (FE) analysis. A foot and ankle model consists of 28 bones, 72 ligaments, and plantar fascia with soft tissues embracing all the segments. Kinematic information and ground reaction force during gait were obtained from motion analysis. Three gait instants namely the first peak, second peak and mid-stance were simulated in a normal foot and a foot with TMT joint fusion. It was found that contact pressure on plantar foot increased by 0.42%, 19% and 37%, respectively after TMT fusion compared with normal foot walking. Navico-cuneiform and fifth meta-cuboid joints sustained 27% and 40% increase in contact pressure at second peak, implying potential risk of joint problems such as arthritis. Von Mises stress in the second metatarsal bone increased by 22% at midstance, making it susceptible to stress fracture. This study provides biomechanical information for understanding the possible consequences of TMT joint fusion.     

前牙区平台转换种植体不同种植深度的生物力学分析

目的采用三维有限元方法建立平台转换种植系统的模型,分析平台转换种植系统应用于前牙时,不同加载时种植体植入不同深度的应力分布情况。方法利用Solidwork2007设计软件和Ansys Workbench有限元分析软件,分析平台转换种植体分别在植入牙槽嵴水平、牙槽嵴下1 mm(minus1)、牙槽嵴下2 mm(minus2)时的应力分布情况,以常规种植体为对照组。结果平台转换种植体中牙槽嵴顶骨质的应力值随种植体植入深度加深而有效降低,且比常规组小,而常规组随种植体深入种植应力没有发生明显变化。垂直加载下,各个模型中平台转换基台的应力分布基本相似,与种植深度无明显的相关性,而常规基台的应力分布随着种植深度的下移呈逐渐上移的趋势;各个种植深度中两组种植体、松质骨的应力分布情况基本相似,与种植深度无明显的相关性;在平台转换组中,皮质骨的应力分布随种植深度的下移而下移,而常规组中应力始终集中于牙槽嵴顶与基台相接处没有变化,且其应力分布比平台转换组集中。水平加载下各模型的应力分布规律与垂直组相似,不同的是基台、种植体的最大应力值主要集中在他们相应部位的唇侧。皮质骨中,唇侧的应力明显较垂直加载组集中。结论平台转换种植体植于牙槽嵴顶下水平可以改善牙槽嵴顶应力分布情况,比常规种植体有明显的优势,水平方向的分力将增加牙槽嵴顶骨组织受力,应尽量避免。     

不同牵拉方式对腰椎的生物力学影响

目的 采用三维有限元方法研究不同牵拉条件对腰椎生物力学的影响。方法 通过对腰椎L1~5节段扫描,获得CT图像导入Mimics三维重建获得腰椎L1~5的三维几何模型,利用Geomagic Studio和Hypermesh获得腰椎L1~5的网格模型。运用Abaqus进行不同牵拉条件下的腰椎有限元仿真计算。结果 头低位角度与髓核内应力有相关性,头低位角度不超过10°时,髓核内应力随摆动周期规律性变化;头低位角度大于10°时,应力呈降低趋势。摆动模式下,纤维环内环应力增加,促进椎间盘回缩。结论 牵拉治疗有助于缓解腰椎疼痛,摆动作用有助于协调牵拉作用在各方向的效果,牵拉方式结合摆动可更好地梳理和解除后部小关节紊乱。此外,患者在治疗中应选取适当的牵拉作用力以达到良好的治疗效果。     

无托槽隐形矫治技术生物力学效应的有限元法研究

目的初步构建无托槽隐形矫治技术的生物力学基础研究模型,分析该矫治体系的应力分布情况,为优化该技术的临床应用提供依据。方法基于CT扫描1例成人干颅标本的影像数据,运用Mimics及ABAQUS软件建立上颌牙列前牙段的无托槽矫治技术三维有限元模型,包括牙颌组织模型、无托槽矫治器模型以及两者的装配,采用非线性有限元法分析牙体牙周组织及矫治器本身的应力分布情况,并与传统固定矫治加载相比较。结果无托槽矫治器作用下,牙周组织瞬时应力约为固定矫治加载时的50～500倍;矫治牙互相影响,矫治牙的移动趋势与预先设计之间相比有差异,拟近远中向平移的尖牙表现为倾斜移动趋势;矫治器本身有应力集中现象,但是最大应力峰值小于材料的弹性极限53.1 MPa。结论无托槽矫治器作用下牙周瞬时应力很大,矫治器在正畸牙近远中移动过程中的三维控制能力有限,不能完全代替传统固定矫治器,建议临床上使用该技术时通过应用附件、改进矫治器材料力学性能等手段,来加强对正畸牙移动的控制。     

三种三维有限元建模方法在跟骨模型建立中的应用和比较

目的分析和比较不同三维有限元建模方法在生物组织模型建立过程中的应用。方法基于同组的序列CT图像,使用直接法、间接法和两种方法相结合的思路分别建立跟骨的三维有限元模型,并对3种模型在相同条件下进行简单加载计算。结果直接建模法生成的跟骨三维有限元模型具有31386个节点,115646个单元,间接法生成的跟骨三维有限元模型具有22832个节点和15403个单元。直接与问接结合的方法所得模型包括13050个节点和46654个单元。3个模型计算结果表现为应力分布规律基本相同,局部有差异,并在应力大小上有较大差异。结论模型表面的粗糙程度和材质赋予的形式对模型的计算结果有较大影响。不同建模方法具有不同的适用领域,为满足医学研究需求,认为两种方法的相互借鉴将推动计算生物力学的发展。     

一种新型环形外固定架不同穿针构型对于整体稳定性影响的生物力学有限元分析

目的 比较胫骨骨折中新型环形外固定架不同穿针构型的力学性能差异,为进一步临床应用提供一定的理论基础。方法 通过有限元分析软件Abaqus对新型环形外固定架和固定装置－胫骨骨折模型系统进行仿真模拟,测量轴向载荷和扭转载荷时的骨折端相对位移和环形外固定架的应力分布,对不同构型的新型环形外固定架的生物力学性能进行评价。结果 有限元分析表明,在700 N的轴向力下,构型1发生轴向位移距离最大（2.22 mm）,构型2次之（1.36 mm）,构型3发生轴向位移距离最小（0.87 mm）;在10 Nm的轴向扭矩作用下,构型1发生轴向扭转角最大（6.87°）,构型2次之（5.01°）,构型3发生轴向扭转角最小（4.33°）。结论 应用新型环形外固定架治疗伴有严重软组织损伤的胫骨骨折时,构型1仅可作为临时固定方式,构型2和构型3均可作为终末固定方式,其中构型3的力学性能最佳,不论是轴向压缩还是扭转,其应力与变形均较小。