应用CT断层图像重建股骨有限元模型

目的寻求一种基于CT断层图像快速且精确地建立全股骨三维有限元模型的方法，并应用有限元分析其力学特性以评价建模方法的优势。方法在Mimics中直接读取符合Dicom3．0标准的股骨原始CT数据，经阂值设定、区域增长及形态学操作等生成股骨初始3D模型，后期结合有限元软件ANSYS生成最终的三维有限元网格模型．然后在ANSYS中分别对应用Mimics得到的模型和统一弹性模量的模型加载200N的垂直载荷，比较两者应力分布的异同。结果获得的股骨有限元模型共含有143780个节点和99650个四面体单元，其弹性模量与CT值（密度）相关分布，取值范围在6．01～15．59GPa之间。与统一弹性模量的模型相比较，应用Mimics得到的模型其应力呈现离散性分布。结论应用Mimics可以建立更符合股骨机械结构和力学性质的三维有限元模型，同时缩短了建模时间，据此模型得到的股骨力学特性分析结果更为可信，以辅助指导临床应用。     

腰椎椎体有限元建模的最优单元尺寸和材料属性分布及建模方法

目的研究人体腰椎椎体有限元建模中有限元的单元尺寸和类型、松质骨材料属性分配方式以及皮质骨结构模拟方法对有限元结果的影响。方法基于定量CT扫描人体腰椎的影像,采用6种不同的单元尺寸(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm)、2种松质骨材料属性分配方法、2种松质骨非均匀材料属性分配梯度(150、300)、2种皮质骨结构建模方法,建立22个去除后部结构的腰椎L2段椎体有限元模型,计算获得22个有限元模型的最大位移、应变能、平均应力、轴向刚度,并对这些结果进行统计分析和验证。结果单元尺寸为0.5 mm时,10、150、300三种非均匀材料属性分配梯度下,模型的轴向刚度值出现明显差异;不同单元尺寸下,松质骨在150种非均匀材料属性分配梯度下,模型的平均应力波动变化平缓;利用最外层六面体单元模拟皮质骨结构方法,其平均应力大于利用在最外层添加蒙皮(skin)模拟皮质骨结构方法。结论在进行腰椎椎体有限元建模时,选取0.5 mm尺寸的六面体单元、为椎体松质骨分配150种非均匀材料属性、利用最外层六面体单元模拟椎体皮质骨结构的建模方法,建立的有限元模型更加合理和有效。研究结果为后续大批量、个体化腰椎椎体模型的建立奠定基础。     

Wallis腰椎非融合系统的有限元分析**☆

背景：目前Wallis非融合系统临床应用短期效果明显。 目的：构建Wallis腰椎非融合系统有限元模型,分析Wallis腰椎非融合在腰椎不同生理运动情况下的应力分布。 方法：选取8例腰椎间盘轻度退变的志愿者采用连续螺旋CT扫描,导入Materialise Mimics 10.01软件,三维重建L4~5椎体及椎间盘三维模型,与文献结果进行对比,验证模型有效性。在AutoCAD 2009软件中建立Wallis系统模型,导入Materialise 3-Matic 4.3 软件,将重建的Wallis模型按标准手术模式与腰椎模型拟合,导入Abaqus 6.9软件,生成有限元模型,并进行分析腰椎前屈、后伸、侧屈及旋转运动时Wallis腰椎非融合系统的应力变化。 结果与结论：实验所建立的腰椎三维有限元模型共有233 438个单元,48 174个节点;所建立的Wallis系统的三维有限元模型,共有11 857个单元,3 398个节点,将二者拟合,模型共有245 295个单元,51 572个节点,重建的三维模型可以精确地模拟Wallis非融合系统固定情况。通过应力云图显示前屈、后伸、侧屈及旋转运动下Wallis系统的应力分布情况,此模型说明Wallis系统参与了腰椎不同方向的活动,与腰椎很好地匹配,顺应了腰椎的运动,位于上下棘突之间的部分应力较大,且与下位椎体棘突相接触部分的应力最高。说明应用CT扫描技术及Mimics软件能直接与Abaqus软件进行对接,并能根据CT值直接赋值使Wallis腰椎非融合系统有限元模型的建立更加快捷和精确,Wallis棘突间撑开器植入后可分担椎间盘应力和小关节压力,Wallis系统本身和棘突应力升高,有棘突骨折及植入物疲劳性断裂的可能性。     

镍钛聚髌器的生物力学研究

目的分析镍钛聚髌器这一骸骨骨折内固定器的设计合理性及治疗粉碎性髌骨骨折,促进骨折愈合的生物力学基础。方法利用ANSYS软件对聚滚器进行分析,建模后进行网格划分,有限元单元采用20节点、八面体的三维砖块单元,六个定义自由度,共划分了10483个单元,节点数为：17959。利用电测技术,得到镍钛聚镇器的载荷一应变关系曲线,并计算出镍钛聚骸器idtL加压聚合固定力值。然后将环氧树月g三维光弹镇骨模型用聚饭器进行加载冻结。采用分层摄片、描图、并用迭代法计算了镍钛聚骸器加载后的环氧树Bbe骨三维光弹模型内部各节点的应力值。结果…     

应用三维有限元分析髋臼骨结核软骨下骨塌陷的风险

目的建立人体髋臼骨结核三维有限元模型,探讨不同部位髋臼骨结核软骨下骨塌陷的风险。方法通过正常髋关节CT数据,利用Mimics软件和ANSYS有限元软件,建立正常髋关节三维有限元模型(模型A)、髋臼顶部骨结核(模型B)、髋臼中心部骨结核(模型C)、髋臼前部骨结核(模型D)、髋臼后部骨结核(模型E)三维有限元模型,模拟人体单脚站立进行加载,分析髋臼软骨下骨峰值Von Mises应力和初始微动值。结果建立了正常髋关节和不同部位髋臼骨结核三维有限元模型,各模型含节点269284,三维四面体单元184786个。通过加载分析结果显示:与正常髋关节相比,峰值Von Mises应力,依次增加84%、3%、21%、67%;髋臼软骨下骨初始微动值依次增加66%、11%、17%、29%。结论髋臼顶部结核软骨下骨峰值Von Mises应力和初始微动值最大,塌陷的风险最大。     

采用体绘制方法建立人股骨三维有限元模型及其应力分析

背景：目前股骨三维有限元研究建模方法有多种,而采用体绘制分体建模方法还未曾报道过。 目的：采用体绘制方法建立股骨三维有限元实体模型,对所建实体模型模拟力学载荷得出股骨应力分布,并与既往股骨力学实验比较,评估体绘制方法的可行性。 方法：将CT扫描图像去噪等预处理后,采用体绘制技术,利用Mimics和Ansys软件建立人股骨有限元模型,并在Mimics软件中赋予股骨材质,并模拟人体正常站立位时股骨载荷情况。 结果与结论：采用体绘制方法建立的人股骨三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨及髓腔解剖结构,网格化后共生成63 900个节点,43 552个实体单元;模拟载荷显示股骨压应力区域主要集中在股骨内侧、尤其是股骨距部位,张应力主要集中于股骨颈外侧、股骨干外侧。表明体绘制方法可以建立高仿真、接近股骨解剖结构股骨三维有限元模型实体模型,可以探索股骨的内部结构,展现其内部细节,模拟股骨生物力学分布。关键词：体绘制;股骨;实体模型;有限元;力学分布 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.17.003     

牙齿牙周矫治装置三合一三维有限元模型的建立

背景:由于牙齿及其支持组织的外形不规则,力学性质不同的以及受力作用的复杂性等,令其受力的状态很难模拟。自Tanne首次建立上颌中切牙三维有限元模型以来,国内外相继建立了精度较高的组牙有限元模型,但结合矫治装置前牙段的三维有限元模型却少见报道。目的:将薄层CT技术和多种图像处理软件及三维建模方法相结合,建立牙齿牙周矫治装置三合一的高精度三维有限元模型。方法:采集1名健康女青年上颌前牙段及牙槽骨的螺旋CT扫描及原始数据,通过三维模型修饰、划分网格等程序建立起一个上颌前牙段牙齿、牙周组织(牙周膜、皮质骨、松质骨)及矫治装置(弓丝、托槽)三合一的三维有限元模型。结果与结论:建立了上颌前牙段牙齿牙周矫治装置三合一的三维有限元模型,划分的单元采用三棱锥四面体结构,共生成131920个单元,194321个节点。将薄层CT技术和多种图像处理软件及三维建模方法相结合,建立了精度较高的包括矫治系统(托槽、弓丝)的上颌前牙段及其牙周支持组织(牙周膜、皮质骨、松质骨)的三维有限元模型。该模型具有较好的几何相似性和力学相似性,适当的将牙周膜简化成可以满足分析要求,能较好的模拟临床实际情况进行力学研究,为进一步的生物力学分析和优化设计提供可靠的研究途径。     

三维组架螺钉与环形钢板治疗Sanders ⅢAB型 跟骨骨折的有限元分析

目的 探讨三维组架螺钉与环形钢板对Sanders ⅢAB型跟骨骨折的生物力学稳定性的影响。方法 收集1名26岁志愿者跟骨CT和MRI数据,建立Sanders ⅢAB型跟骨骨折的三维有限元模型,分别使用三维组架螺钉与环形钢板固定,施加700 N纵向载荷,比较不同模型骨块及内固定应力与位移变化情况。结果 在700 N纵向载荷下,两组模型骨块最大位移以及骨块与内固定最大应力均集中于后距关节面内固定与骨折线相交处。三维组架螺钉模型与环形钢板模型骨块整体位移相近。相较于环形钢板模型,三维组架螺钉模型骨块及内固定的最大应力和平均应力更小,位移与应力变化情况更接近完整跟骨模型。结论 Sanders ⅢAB型跟骨骨折固定时,三维组架螺钉与环形钢板两种固定方式均能提供良好稳定性。三维组架螺钉的生物力学性能优于环形钢板,更符合生物力学特点。     

有限元法分析腓骨瓣重建完全缺失跟骨的生物力学

背景：跟骨缺损在临床中屡见不鲜，因足跟复杂的解剖结构与运动功能使外科医生评估跟骨重建效果较为困难，而有限元分析已成为生物力学行为模拟和数值分析的有效方法之一。目的：比较Ⅱ字、V字排列腓骨瓣重建缺失跟骨的临床效果及生物力学特征。方法：采集1名50岁健康男性左足CT图像，用Mimics软件获取初步三维模型，导入Geomagic软件对模型进行修整和曲面化从而优化模型。再将模型通过Solidworks软件模拟跟骨重建并完成有限元计算前处理，最后进入Ansys软件求解。将仿真结果与既往文献结果进行对比，验证模型的有效性，再根据仿真得到的应力结果对手术效果和不同姿态下生物力学特性进行分析。结果与结论：(1)模型直观展现出腓骨瓣Ⅱ字、V字排列，均可以用来重建完全缺失的跟骨，能够一定程度恢复正常跟骨的长、宽、高，填补跟骨缺失的骨量；(2)两种重建跟骨相较正常跟骨在施加载荷后都表现出应力过于集中的趋势，正常跟骨应力多集中于跟骨结节、载距突及跟骨沟周围，而两种腓骨瓣应力多集中于骨瓣与距骨和骰骨衔接处；(3)两种重建跟骨与正常跟骨在不同模拟状态下最大应力值均不相同，差异有显著性意义(P <0.05)；...     

三维有限元分析钢板内固定治疗跟骨骨折

背景：有多种钢板治疗跟骨骨折,但究竟哪种效果更好,目前尚无定论。 目的：在跟骨骨折三维有限元模型上模拟加载3种类型的钢板,观察比较应力、应变及移位等生物力学性能。 方法：在踝关节中立位和背伸20°位建立跟骨骨折三维有限元模型,分别模拟使用跟骨Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3种形状钢板对骨折进行固定,加载后计算内固定物自身的应力分布、骨骼的应力分布及骨折块间的移位程度。 结果与结论：①两种体位骨折模型3种固定方式下的钢板应力分布都不均匀,钢板前部应力水平均高于后部,Ⅰ型钢板的应力分布相对比较均匀。②两种体位骨折模型3种固定方式下跟骨的应力最大值均在跟骨前部,而正常跟骨最大应力值在跟结节处,Ⅰ型钢板固定跟骨骨折后骨骼的最大应力值均小于Ⅱ型、Ⅲ型钢板。③两种体位骨折模型3种固定方式下均发生了骨折块间的位移,其位移趋势是一致的。结果显示,与Ⅱ型、Ⅲ型钢板固定相比较,跟骨Ⅰ型钢板固定后所承受应力更小,且应力分布更均匀,较符合生物力学原理。     

基于三维有限元模型的脊柱生物力学特性研究进展

脊柱相关疾病研究是一门新兴的边缘学科,其研究重点即为脊柱的生物力学特性.综合分析了基于三维有限元模型的腰椎和颈椎生物力学特性研究方法;总结出有限元建模的三种方法,即几何建模法、三维坐标仪建模法以及图像建模法;提炼出图像建模法的关键步骤,即几何模型的建立、椎骨和软组织的材料特性定义、边界条件定义以及模型验证分析;最后提出有限元建模的两个主要改进方面及其研究趋势.     

不同材料赋值下股骨静力学有限元模型的力学仿真分析

文题释义： 材料赋值：由于人体骨骼结构复杂,由骨膜、皮质骨和松质骨构成,并且不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法。 股骨模型材料赋值：给股骨分配不同的材料属性成为建立个性化有限元模型的基本步骤,而且材料属性分配将对分析结果产生很大的影响。但是目前有关不同赋值方法对人体骨科生物力学仿真分析研究的影响还很少有全面系统的研究。 背景：不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法,而材料属性分配将对生物力学分析结果产生很大的影响。 目的：采用不同的材料属性赋值方法建立3种股骨有限元模型并进行有限元仿真分析,探究不同材料赋值方法对股骨有限元生物力学仿真分析的影响。 方法：采集志愿者股骨CT扫描数据,以DICOM格式文件导入Mimics医学影像处理软件重建股骨模型,对模型分别赋予3种不同的材料属性,即均一材料赋值、皮-松质骨赋值和灰度赋值,并将模型导入有限元分析软件Abaqus 6.14中,设置相同的载荷和边界条件进行应力及位移分析。 结果与结论：①3种股骨模型的应力输出结果相差不大,且均在合理范围内;②但是均一材料赋值股骨模型与皮-松质骨赋值股骨模型的最大应力主要分布于股骨干部位,而灰度赋值股骨模型的最大应力分布在股骨颈处,这也与现实状态下股骨骨折部位主要出现于股骨颈部位所吻合;③皮-松质骨赋值模型和灰度赋值模型输出的位移值基本一致;而均一材料赋值的股骨模型位移值最小,并且与其他2种模型位移量相差40%左右;④提示灰度赋值的方法能够较好地反映人体股骨的生物力学特性,从而可以更准确地模拟真实股骨的生物力学特征,这也为骨科生物力学进行有限元仿真建模提供了重要理论依据。 ORCID: 0000-0001-5075-7333(颜继英) 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     

Towards automated 3D finite element modeling of direct fiber reinforced composite dental bridge

An automated 3D finite element (FE) modeling procedure for direct fiber reinforced dental bridge is established on the basis of computer tomography (CT) scan data. The model presented herein represents a two-unit anterior cantilever bridge that includes a maxillary right incisor as an abutment and a maxillary left incisor as a cantilever pontic bonded by adhesive and reinforced fibers. The study aims at gathering fundamental knowledge for design optimization of this type of innovative composite dental bridges. To promote the automatic level of numerical analysis and computational design of new dental biomaterials, this report pays particular attention to the mathematical modeling, mesh generation, and validation of numerical models. To assess the numerical accuracy and to validate the model established, a convergence test and experimental verification are also presented.     

下颌角整形术对下颌骨应力以及颞下颌关节功能的影响

目的分析基于东方经典美丽分析面罩的下颌角整形术对人体下颌骨及颞颌关节功能的影响。方法获取病人术前和术后头部CT图像数据,通过Simpleware有限元建模软件生成计算模型,利用Abaqus软件观察手术前后模型上的应力分布及数值大小。结果获得了具有良好形态的下颌骨三维有限元模型,根据在不同部位施加不同负荷模拟模型各部分的力学改变,发现手术前后下颌骨部及关节附近的应力分布有差异。结论基于东方经典美丽分析面罩的下颌角整形术,手术前后对病人的下颌骨及颞颌关节附近的应力减小。     

三维有限元模型分析3种内固定方式治疗严重腰椎不稳定型骨折的生物力学特点

背景：严重腰椎不稳定型骨折的内固定修复方法未形成统一的观点。 目的：应用三维有限元模型对比分析不同内固定方式治疗严重腰椎不稳定型骨折的生物力学性能。 方法：选取1个健康成年志愿者,用CT图像和Mimics软件建立T12~L2椎体三维模型,模拟L1椎体爆裂性骨折,并分别模拟后路减压短节段椎弓根钉固定、前路减压钛网置入内固定和后路减压内固定+前路椎体次全切除钛网置入内固定3种治疗方法。将模型导入到有限元分析软件Abaqus,施加约束和载荷分别加载260 N压力和10 N•m转矩,模拟3种模型在不同工况下的椎体位移、应力传导情况,以及前后路固定器械的受力情况。 结果与结论：从椎体位移分布情况来看,前后联合内固定方式下的位移要较其他两种内固定方式小。从应力分布情况来看,前后联合内固定方式更加符合载荷分布原则。从生物力学角度来看,前后联合内固定方式优于其他两种内固定方式。     

股骨头缺血性坏死骨瓣移植过程的有限元模拟

基于临床上的一例股骨头三期缺血性坏死患者的单侧CT图像数据，建立了股骨近端的三维有限元模型，包括：正常模型、坏死模型和修复模型。并基于医学OF图像数据，分别对三种有限元模型赋予材料性质。最后应用有限元软件，对股骨头缺血性坏死骨瓣移植手术过程进行了数值模拟。分析结果表明，切除掉坏死区域后，股骨头近端的位移及应力值均增加较大，而采用骨瓣移植手术，可以有效地减少股骨近端的位移及应力值，使其更接近正常状态。说明了该手术方法安全可靠并行之有效。     

材料属性分配梯度对椎体有限元模型力学性能的影响

目的研究以灰度值为基础的不同材料属性分配梯度对椎体有限元模型力学性能的影响。方法对1位健康成人脊柱(T12～L5节段)进行快速CT薄层扫描,在MIMICS中对每节椎骨进行三维重建,通过Geomagic软件处理后,导入ANSYS中进行网格划分,再返回到MIMICS中按2、4、8、10、50、100、200、400份8种梯度对材料属性进行分配,最后重新导入ANSYS软件按照同一载荷条件进行有限元分析。结果 2、4、400这3个分配梯度与其他分配梯度相比,应力情况存在显著性差异(P<0.05),而8、10、50、100、200梯度之间计算结果偏差不大。结论有限元模型材料属性划分不宜过多或过少,10份左右的划分梯度既可以保证运算结果的精确性,也相对可以提高运算速度,尤其适用于临床个性化快速有限元建模。     

基于三维有限元建模方法分析维医沙疗对兔股骨力学性能的影响

BACKGROUND:On the basis of modern design method and numerical simulation, studies can explore the action mechanisms of sand therapy in Uyghur medicine. OBJECTIVE:To explore a kind of non-homogeneous and isotropic biological bone finite element modeling method based on CT value, and to study the influence of sand therapy in Uyghur medicine on the mechanical properties of rabbits’ femur. METHODS:Eight adult New Zealand white rabbits were used to establish osteoarthritis models of right posterior femur with papain. These rabbits were divided into sand therapy group and control group. In the sand therapy group, after treatment with sand therapy in Uyghur medicine, rabbit femoral models were scanned with CT. The fault image data were imported into MIMICS software. 3D model of femur was generated. The meshing was done. The material properties were given. Three-point bending in the Ansys was simulated and solved. Simultaneously, the isolated three point bending tests were performed in all rabbit models. The corresponding deflection and the maximum stress values were obtained. Finally, the results obtained from the three-dimensional finite element modeling method were compared with the results obtained from the experiments. RESULTS AND CONCLUSION: (1) The deflection and the maximum stress obtained by the three-point bending simulation analysis with the three-dimensional finite element model of the rabbits’ femur were well correlated with the data obtained from the experiments. (2) These results indicate that the finite element modeling method is consistent with the structural and material properties of bone, which can be used to analyze the stress and deformation of bones.     

Comparison of isotropic and orthotropic material property assignments on femoral finite element models under two loading conditions

CT data has been widely used in the finite element modeling of bone. It can provide useful information on the geometrical topology and material properties of bone. Based on CT data, the assignment of bone material properties to finite element meshes is a fundamental step in the model generation. Most work done in this area has adopted isotropic assignment strategy due to its simplicity. However, bone material has been recognized as an orthotropic material. This work is aimed to investigate the effects of orthotropic material property assignment on femoral finite element model by comparing with isotropic material property assignment on the same model. There were 72 finite element models obtained from the frozen CT male dataset of visible human project. Based on the analysis results of the maximum equivalent Von Mises stress and the maximum nodal displacement, three parameters were defined to achieve this comparison. The results have shown that the differences between the two material property assignments are small under two loading conditions (double-leg standing and single-leg standing) investigated in this work.     

不同固位技术修复单侧上颌骨缺损的生物力学研究

目的 采用三维有限元分析方法研究卡环、附着体以及颧种植体3种不同固位技术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,并建立使用不同固位技术修复的上颌骨有限元模型,模拟口腔咬合状态下上颌骨受力状态。结果 采用颧种植体固位修复的上颌骨健侧及修复侧上腭应力最大,分别为7.399、4.864 MPa;而且采用颧种植固位使得健侧及修复侧上颌骨应力最小,分别为10.46和10.86 MPa;颧种植体自身应力也最小,为15.25 MPa。结论 不同固位技术修复对单侧上颌骨缺损修复效果影响较大。卡环固位及附着体固位由于带有支架可用于分担作用上腭的力,颧种植体固位可通过传递力至颧骨,故可分担作用于上颌骨的力。