正常人皮质骨压缩力学性能实验研究

本文对６例正常青年男性（平均年龄３０岁左右）新鲜股骨干中段皮质骨，沿外侧纵向及横向各截取３６个圆柱体标本，行标本轴向压缩力学性能试验，结果显示，股骨中段皮质骨在纵、横两个不同方向上的力学性能具有很大差异。在相同载荷水平下，沿股骨干轴线方向的弹性模量、屈服强度、极限强度、屈服应变均明显高于横向（垂直于股骨轴线方向）。纵、横向弹性模量、屈服强度、极限强度、屈服应变的比值分别为１．５７、１．８８、１．３５、１．４８（Ｐ＜０．０００１）。经统计学分析，沿纵向骨的能量吸收值也明显高于横向（Ｐ＜０．０００１）。充分证明皮质骨是一种各向异性的非均质材料，为临床上骨创伤移植、及固定器械的研制提供重要的实验数据。     

骨质疏松性骨力学性能的预测研究

骨力学性能是发现与评价骨质疏松重要而直接的参考指标,但临床目前尚难对骨质疏松患者的骨力学性能做出非侵入性的直接评估。因此,研究通过间接手段进行骨力学性能的预测已成为骨质疏松研究领域的一个重要课题,并具有重要的临床应用价值。本文综述了对骨质疏松性骨力学性能进行预测的研究进展,并展望了该领域研究的发展前景。     

骨制松质骨螺钉的生物力学性能实验研究

目的探讨骨制松质骨螺钉的生物力学性能。方法牙形角50°螺钉为实验组,牙形角38°螺钉为对照组。分别对骨制松质骨螺钉的抗拔力、抗扭转力、界面应力进行实验研究和摩擦系数、应变能密度因子等进行力学分析。结果研制的方头骨螺钉（牙形角50°）与一字槽骨螺钉（牙形角38°）有显著性差异（P＜0.01）。结论大角度螺纹角抗损伤能力强,方头骨螺钉与周围松质骨组织嵌合紧密,是关节内骨折的有效内固定物。     

基于ABAQUS有限元片剂压缩过程应力分析

基于有限元分析软件ABAQUS对片剂压缩过程进行模拟和仿真分析。通过该软件来研究片剂内部应力的变化及分布情况,粉体在被压缩直到解压的过程,Mises等效应力由开始主要集中于模型边缘,尤其是靠近中模的区域,在被顶出阶段,则转变成靠近下冲的区域应力最大化。而粉体内部的剪切应力呈现正负数值,说明剪切应力的方向存在相反的情况。密度的主要分布还是以上下冲以及中模区域最为集中且较大,粉体与中模之间的摩擦系数越大,分布在上下冲和中模的应力应变就越大,密度稍微变小。由此可以得出,较为适当的摩擦系数才能够制得工艺合格的片剂,在大摩擦系数下制得的片剂则容易产生坏片、裂片、破碎等相关问题。     

骨质疏松动物模型骨的拉伸、压缩、扭转实验研究

研究了正常大鼠和去势所致大鼠骨质疏松以电针、灸法、电针加雌激素、灸法加雌激素治疗组大鼠骨的拉伸、压缩、扭转力学性质。选用36只280～320g，4～5月龄Wistar雌性大鼠，随机分为正常对照组6只，模型组6只，电针治疗组6只，灸法治疗组6只，电针加雌激素治疗组6只，灸法加雌激素治疗组6只，对模型组大鼠于0周摘除其卵巢。对正常对照组和模型组大鼠饲养13周后，以腹主动脉放血法处死大鼠，取大鼠肱骨进行拉伸实验，取大鼠股骨进行扭转实验，取大鼠胫骨进行压缩实验。得出了各组大鼠骨的拉伸、压缩应力、应变、弹性模量、扭转剪应力、扭转角等指标。结果表明：模型组拉伸、扭转、压缩力学性能指标均小于正常组．     

基于CT图像的长管骨有限元材料属性研究及实验验证

目的探讨经酒精处理的新鲜人体长管骨个性化材料属性定义的方法,以及骨骼材料数目对有限元结果的影响。方法利用断层扫描CT图片,在Mimics中建立股骨干三维实体模型,然后导入Hypermesh中分割成皮质骨、松质骨以及骨髓;根据相关经验公式分别赋于皮质骨和松质骨的材料参数,设置5组材料数目的不同仿真组;在Abaqus中进行线弹性阶段的压缩实验仿真,并进行体外验证实验。结果端部位移在0～1 mm时,松质骨材料数目为1种,皮质骨材料数目大于10种的整体力-位移有限元仿真结果与实测数据平均相对误差在10%左右;骨干的测量点变形量的有限元结果与实测数据相对误差为14.6%。在小位移下0～0.5 mm时1,种皮质骨材料的整体力-位移的仿真结果与实测数据误差为2.83%。结论 (1)利用CT图片灰度值,可以精确定义骨骼各成份的材料属性;(2)皮质骨材料数目设定对有限元仿真结果影响较大,将皮质骨设定10种即可满足有限元分析需要;(3)小变形时,1种材料的皮质骨就能满足分析要求。     

软骨组织无约束压缩的有限元分析

目的采用有限元仿真和实验对比分析关节软骨的承载机理和应力松弛效应。方法考虑关节软骨基质固相、孔隙液相和胶原纤维增强相,并综合考虑软骨分层结构以及关节软骨渗透率随固体基质膨胀率变化特性,建立关节软骨纤维增强多孔弹性有限元模型。基于该模型,应用ABAQUS软件和FORTRAN语言编程嵌套,对关节软骨无约束阶梯压缩进行有限元仿真。应用自行研制的生物力学性能测试系统,通过阶梯加载实验对生猪软骨有限元分析结果进行了实测对比。结果试件以0.45%/s应变速率阶梯加载时,在试件中心,液相可维持承载80 s左右,最大可承担近90%的总应力。结论基于纤维增强多孔弹性有限元模型的无约束阶梯压缩有限元分析可定量评价关节软骨的固、液两相承载能力随应变和时间的变化特性。结合软骨无约束压缩实验的仿真分析有助于更准确地评价软骨的力学性能。     

传统椎弓根螺钉与改良皮质骨轨迹置钉技术的生物力学性能有限元分析

背景:根据现有皮质骨轨迹置钉技术的不足,作者提出了改良皮质骨轨迹置钉技术,但尚不清楚改良皮质骨轨迹置钉技术实际的力学性能表现。目的:通过有限元方法,对比改良皮质骨轨迹置钉技术与传统椎弓根螺钉技术应用于骨质疏松腰椎后生物力学性能上的差异。方法:获取4具人骨质疏松椎体标本的CT扫描数据,建立L4椎体有限元模型,创建螺钉模型,改良皮质骨轨迹置钉技术选用4种规格(直径为4.5,5.0,5.5,6.0 mm,长度均为40 mm)的螺钉,传统椎弓根螺钉技术选用2种规格(直径为6.0,6.5 mm,长度均为45 mm)的螺钉。首先,对螺钉依次进行安全性测试,置钉时导致椎弓根骨皮质发生破坏者被排除。确定安全直径后,分析螺钉的单钉拔出力、螺钉稳定性及椎体稳定性。结果与结论:(1)螺钉安全性测试:传统椎弓根螺钉技术选用直径6.5 mm、改良皮质骨轨迹置钉技术选用直径6.0 mm螺钉置入时存在骨质破坏的风险,其余直径螺钉无风险,该两组直径螺钉被排除后续测试;传统椎弓根螺钉技术螺钉安全直径为6.0 mm,改良皮质骨轨迹置钉技术螺钉安全直径为4.5,5.0,5.5 mm;(2)单钉拔出力:传统椎弓根螺钉技术组(...     

基于显微磁共振成像和有限元分析的股骨近端微观力学行为研究

目的 本研究利用高分辨率显微磁共振成像（micro-magnetic resonance imaging,μMRI）在呈现骨微结构方面的优势和对人体无辐射的优点,结合有限元分析（finite element analysis,FEA）,无创探究人体在自然站立状态下股骨近端微观力学行为,明确股骨易骨折危险区域,为μMRI-FEA未来临床应用提供理论基础。方法 采集5例年龄55～63岁女性志愿者（58.4岁±3.4岁）的股骨近端μMRI图像。将图像中骨骼和软组织分割,三维重建得到包含股骨近端皮质骨和松质骨微结构的大尺度三维有限元模型（约一千万六面体单元）,赋予非均匀材料属性。模拟人体自然站立时股骨的受力,将其远端固定,在股骨头部位施加压缩载荷,进行线弹性有限元分析,得到股骨近端的应力和应变分布,并选取股骨颈和大转子部位10 mm~3松质骨感兴趣区域进行比较。结果 人体自然站立姿态下,股骨颈上、下侧皮质骨分别出现拉、压应力集中现象。股骨颈松质骨感兴趣区域在上下（superior-inferior,SI）、内外（medial-lateral,ML）和前后（anterior-posterior,AP）三个方向上的正应力（σ_(SI)、σ_(ML)、σ_(AP)）分别为大转子部位的13.4倍、2.2倍和1.9倍;正应变（ε_(SI)、ε_(ML)、ε_(AP)）分别为大转子部位的7.4倍、5.0倍和4.0倍。结论自然站立时股骨颈皮质骨和松质骨所受应力和应变较大,提示股骨颈是易发生骨折的高危区域,与临床观察一致。本研究为μMRI-FEA未来应用于临床无创评估股骨骨折风险进而鉴别骨折高风险人群提供了一定的前期理论支撑。     

用有限元与无限元相结合的方法解心电图逆问题

从体表电位推测心脏电传播系统的工作状态,即所谓心电图逆问题是心电图领域的重要研究课题。它可以弥补心电图本身的不足,提高心脏疾病的检阳率。在心电图逆问题研究中,有两个障碍长期困扰着人们,限制了它在临床上的推广使用。一是传递矩阵条件数较大,解难以稳定问题;二是解心脏内部电位值欠定问题。作者采用有限元与无限元相结的方法,结合矩阵分析理论,较成功地解决了这两个问题。并通过与MRI成像技术相配合,计算出了正常人心脏的二维电位分布情况,验证了方法的可行性。     

有限元分析评估尾部悬吊大鼠股骨力学性能的研究

研究三维有限元分析对于尾部悬吊大鼠骨骼力学性能的评估能力。基于10根尾部悬吊大鼠股骨的CT图象序列,三维重建股骨的几何模型并转换为有限元网格,根据CT值与骨骼材料特性关系设置各向同性和正交各向异性材料特性,施加三点弯曲实验的边界条件进行有限元分析,用最大等效Von Mises应力和总体应变能的结果与骨密度进行回归分析。结果表明,正交各向异性模型与骨密度在最大等效Von Mises应力（R=0.907,P〈0.001）和总体应变能（R=0.827,P〈0.01）两种情况下均具有良好线性关系。因此,基于CT数据的三维有限元分析可以精确描述骨骼的力学性能,能够用于评估大鼠尾部悬吊实验结果。     

有限元分析改良皮质骨轨迹置钉在 腰椎翻修术中的力学性能

目的 利用有限元分析探究改良皮质骨轨迹置钉（modified cortical bone trajectory,MCBT）、皮质骨轨迹置钉（cortical bone trajectory,CBT）技术在腰椎翻修手术中的力学性能,并分析MCBT相比CBT在翻修手术中的优势。方法 根据CT扫描数据建立L1~5节椎体、终板、纤维环、髓核三维模型,在椎体模型中按传统轨迹（traditional trajectory,TT）椎弓根置钉技术进行置钉,再将TT螺钉去除,保留TT钉道,并用MCBT、CBT螺钉在该椎体上进行翻修置钉,对腰椎重新固定。利用有限元分析MCBT、CBT在翻修手术中的力学性能。结果 在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下,CBT翻修组相比对照组运动范围（range of motion,ROM）分别降低12.07%、19.60%、8.72%、7.66%,L3~4椎体间纤维环应力分别增加11.27%、30.43%、35.52%、25.36%,L4~5椎体间纤维环应力分别降低39.84%、52.64%、23.91%、15.77%;MCBT翻修组相比对照组,ROM分别降低13.18%、20.27%、25.63%、8.59%,L3~4椎体间纤维环应力分别增加10.41%、21.60%、15.83%、18.41%,L4~5椎体间纤维环应力分别降低37.14%、61.94%、39.46%、35.23%;MCBT翻修组相比CBT翻修组ROM分别降低1.26%、0.83%、18.53%、1.00%,L3~4椎体间纤维环应力分别降低0.77%、6.77%、14.53%、5.54%,L4~5椎体应力分别降低2.82%、15.91%、19.79%、8.75%。在前屈工况下,MCBT翻修组L4~5椎体间纤维环应力相比CBT翻修组增加4.49%,在后伸、侧弯、轴向旋转工况下分别降低19.65%、20.44%、23.11%。结论 采用MCBT、CBT进行椎体翻修时均能够提供满足椎体固定要求的力学性能,并且MCBT的固定性能与安全性能不劣于CBT。研究结果为腰椎翻修术提供了更多的入路选择,在临床中具有一定参考意义。     

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.     

冠状动脉支架抗压缩性能的有限元分析

冠状动脉支架作为经皮穿刺冠状动脉成形术中保持病变血管畅通的核心器件。其对病变动脉壁的支撑作用如何是支架植入术成功的先决条件之一。依据冠脉支架抗压缩性能的实际测试原型，建立起对应的有限元模型，并利用此方法系统地研究了专利支架设计，其扩张尺度的不同和筋的尺寸变化对支架抵抗两平面压缩性能的影响。结果显示，随支架扩张直径的增大，其抵抗两平面压缩的作用减小，增加支架筋的宽度或厚度能够提高支架的抗压缩性能，且这两个方向尺寸的增加对提高抗压缩性能的作用相当。模拟与实验结果一致，表明有限元模拟可以在一定程度上替代支架原型测试工作。     

松质骨微观骨小梁结构的生物力学有限元分析

股骨松质骨具有骨小梁的微观结构,其单元特性影响了股骨的整体力学性能.找到适当的单元形状与骨小梁分布特点可以帮助人们有效地进行松质骨及股骨整体的生物力学特性分析.本文采用不同结构的微观骨小梁单元模型,分析各单元的生物力学特性,并采用有限元方法,对由不同骨小梁单元及不同分布形式构成的股骨模型进行生物力学分析,获得了骨小梁单元密度与单元生物力学特性的关系的综合分析结果,找到了较好的微观骨小梁单元模型及总体布局形式,并应用于股骨松质骨建模.仿松质骨的骨小梁结构可以有效提高整体生物力学性能,所获得的微观单元优化结构可以应用于仿生结构材料的制造.     

基于骨愈合过程的内固定物参数研究

探究螺钉布局和内固定物材料对内固定系统稳定性及骨愈合过程的影响。运用有限元方法模拟不同试验方案的骨愈合过程,观察愈合过程中接骨板与螺钉的应力、骨痂的应变及股骨密度的变化并得出最佳组合方式。骨愈合过程接骨板及螺钉上应力集中点出现转移,前期集中于骨折线附近,后期向骨折远端转移。考虑前期骨痂的形成与后期股骨的吸收,本试验最佳组合为A1-B2。     

V形曲力学性能的三维有限元分析

目的对不同弓丝材质、尺寸、角度、形状、托槽间距的V形曲进行有限元力学分析,为V形曲的临床应用提供理论参考。方法建立两种材质(不锈钢弓丝、β钛丝)、两种尺寸(0.43 mm×0.64 mm、0.48 mm×0.64 mm)、两种V形曲位置、两种角度(150°、165°)和两种托槽间距(7、10 mm)的V形曲有限元模型,进行模拟加载后,对比分析其力学性能。结果不锈钢弓丝材质V形曲产生的最大作用力值均大于β钛材质V形曲,0.43 mm×0.64 mm弓丝弯制的V形曲作用力均小于0.48 mm×0.64 mm组,对称型V形曲受弓丝尺寸变化更为明显,托槽间距变化对非对称型V形曲作用力力值的影响更为明显。在V形曲形状相同时,V形角度越小,其各托槽作用力越大。结论弓丝材质尺寸、角度形状及托槽间距的改变均能影响V形曲力学行为。在临床应用中,可以根据托槽间距的大小,对V形曲弓丝材质尺寸、角度形状进行选择。     

Tip-Edge矫治器转矩力学性能的三维有限元分析

运用有限元法建立上颌前牙区带弓丝的Tip-Edge托槽三维有限元模型,研究Tip-Edge托槽不同倾斜度时转矩力学性能。用Pro/E Wildfire5.0软件建立不同倾斜度上中切牙Tip-Edge托槽及不同材质弓丝模型,装配模型并导入MSC.Marc.Mentat2005R3软件中模拟转矩加载,收集力矩值,绘制曲线图。结果表明:(1)上中切牙托槽向远中倾斜0°时,其转矩最大力矩值为22.37 Nmm;托槽倾斜25°时,其转矩最大力矩值为8.93 Nmm;(2)当托槽倾斜度相同时,不锈钢弓丝最大转矩力矩值为β-钛丝的2倍。随着托槽远中倾斜度的减小,其表达的最大转矩力矩值逐渐增大,转矩性能提高,其转矩性能主要由托槽两中央嵴间的水平距离和垂直距离决定。预置转矩表达时,托槽两侧的弓丝应力分布随着托槽远中倾斜度的减小变得不对称,这主要是由托槽两中央嵴间的水平距离决定。     

利用MHC-I/肽结合的预测与免疫学实验相结合的方法鉴定肿瘤抗原表位

目的:建立中国人群常见的人类白细胞抗原(HLA)分子限定的肿瘤抗原免疫表位的鉴定技术,为分离及鉴定肿瘤特异性T细胞以及克隆肿瘤抗原特异性T细胞受体基因提供实验基础。方法:以肿瘤/睾丸抗原NY-ESO、MAGE-A1和KK-LC-1作为模型,选用中国人群常见的HLA-I分型,利用主要组织相容性复合体(MHC)/肽预测软件对这3个抗原的MHC-I类表位进行预测。用PCR技术测定健康志愿者的HLA分型,以志愿者含有的中国人群常见HLA-A*11:01和HLA-B*46:01分型选择预测的抗原表位,设计合成KK-LC-1长肽,进行T细胞刺激实验,用ELISPOT和流式细胞仪分析产生干扰素γ(IFN-γ)的T细胞数量和CD137上调反应,以验证肽对T细胞特异性刺激的有效性。对其中一个反应最好的KK-LC-1长肽,开展短肽的验证。结果:(1)3个肿瘤/睾丸抗原在我国人群35种常见HLA分型中存在众多的强结合表位,在不同蛋白质的序列中分布不均匀;(2)KK-LC-1长肽可刺激T细胞产生T细胞活化反应,即释放IFN-γ和T细胞上调CD137分子,与预测的HLA分型基本吻合;(3)KK-LC-1短肽比长肽刺激效果更好,有更精确的抗原表位。结论:利用MHC/肽预测法并结合抗原特异性刺激实验可快速鉴定肿瘤抗原的T细胞表位;根据长肽的结果缩短肽段,可确定抗原表位。本研究为快速确定肿瘤抗原表位提供了新的途径。     

牵张成骨区成骨方式的有限元分析

背景：有研究报道牵张间隙内存在软骨内成骨及膜内成骨两种成骨方式,也有研究认为在只有轴向牵张力作用而无其他方向外力干扰情况下,牵张新骨仅以膜内成骨一种方式成骨。 目的：研究不同咬合状态下牵张区新生组织所处的力学环境,并验证该环境是否具有诱导和促进成软骨的能力,解释成骨方式不一致的矛盾。 方法：建立下颌骨双侧牵张成骨模型,设定牵开距离为1 cm,固定后4周,在骨面咀嚼肌附着部位施加肌肉力来模拟实际咀嚼运动。选择双侧后牙咬合、左侧磨牙咬合及前牙咬合状态进行模拟分析,考察压应力/张应力、剪应力、范式应力变化。 结果与结论：①双侧后牙咬合状态：范式应力及剪应力自舌侧向颊侧力值有所增加。自远中舌侧下缘至远中颊侧上缘,压应力逐渐转为张应力。②前牙咬合状态：范式应力及剪应力自舌侧面逐渐向颊侧减小。压应力/张应力在舌侧面压应力较大,向颊侧逐渐减小,过渡为张应力。③左侧磨牙咬合状态：左侧牵张区各应力和双侧后牙咬合状态下的各应力分布特点很相近,但最大值均要比双侧后牙咬合状态下的相应力值小。右侧牵张区范式应力在远中面的上缘和下缘出现应力最大值,近中颊侧下缘出现应力最小值,之间为过渡区。剪应力与范式应力特点相似。压应力/张应力则主要出现在近中下缘。说明在固定早期若牵张器不够稳定,咀嚼运动可以在新生组织内形成一个促使软骨形成的力学环境,为成骨方式不一致的矛盾指出了明确的答案。