髂骨翼内板相对于方形区的倾斜角数字化测量及其临床意义

目的 研究正常成人完整骨盆CT扫描三维重建数字化测量髂骨翼内板相对于方形区的倾斜角度,为临床提高髂骨与髋臼骨折复位质量提供影像解剖学参数支持。方法 回顾性研究。纳入2016年1月—2018年12月解放军中部战区总医院行CT三维重建检查的正常成人完整骨盆数据,其中男60例(120侧)、女40例(80侧),平均年龄42.18岁。将数据以DICOM格式导入Mimics 20.0软件,去除周围软组织、骶骨以及双侧股骨,建立完整双侧独立的三维髋骨模型;将髂骨翼分为前、中、后三区,依据骨盆相关骨性标志标记髂骨翼各分区相对于方形区的倾斜角并利用Mimics软件进行测量。比较同性别左右侧、不同性别间相应倾斜角的差异,以及不同部位倾斜角的差异。结果 男性和女性的前、中、后区倾斜角分别为142.40°±5.62°和142.03°±4.82°,130.78°±5.75°和126.37°±6.17°,101.27°±5.40°和100.46°±5.44°。同性别左、右侧前、中、后区倾斜角差异均无统计学意义(P值均＞0.05)。不同性别间前区与后区倾斜角差异均无统计学意义(P值均＞0.05);男性中区倾斜角大于女性,差异有统计学意义(t=5.166, P＜0.05)。髂骨翼内板相对于方形区的前、中、后三区倾斜角逐渐减小,差异均有统计学意义(P值均＜0.05)。结论 髂骨翼内板相对于方形区的倾斜角在不同性别、不同部位有一定变化,该解剖学参数可以为术中指导髂骨与髋臼骨折解剖复位提供参考依据,在一定程度上从整体角度提高骨盆髋臼骨折的复位质量,并能评价骨折的旋转移位情况,弥补Matta评价标准的不足。     

切除不同范围钩突后颈椎关节突的有限元对比分析

背景：钩突增生常导致颈椎病发生,无需内固定的钩椎关节切除术具有重要意义,但尚存诸多问题。目的：建立全颈椎(C₀-T₁)三维有限元模型,切除钩突不同范围后,探究颈椎关节突的应力变化特点和规律,为临床颈椎病的手术治疗提供理论依据。方法：对40岁男性正常成人志愿者进行全颈椎螺旋CT轴位薄层扫描来获得原始数据,应用Mimics、Geomagic Studio、Hypermesh、Abaqus等软件技术建立C₀-T₁全颈椎三维有限元模型,在C₅椎体上构建单侧钩突切除50%、100%和双侧钩突切除100%的3种模型组,然后加载相同力矩赋予前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转6种工况,以观测切除不同范围钩突后颈椎关节突关节在不同状态下的应力与位移变化。结果与结论：(1)通过构建全颈椎正常与切除钩突不同范围后的有限元模型,加载相同力矩后发现颈椎关节突的受力集中区由正常组的C₆处上移至切除不同范围钩突组的C₅处,得出关节突的受力随椎序增加呈现递增趋势;(2)...     

人体脊柱动力学数值仿真分析模型建立及验证

目的 建立T2～L5胸腰椎有限元模型并验证其有效性,为探究脊柱冲击载荷下的动态响应特性及损伤机制提供数值模型支撑。方法 基于CT扫描图像数据建立T2～L5胸腰椎三维有限元模型;仿真分析施加不同力矩下(屈伸、旋转和侧弯工况)T12～L1段载荷-转角曲线,并与文献报道的数据进行对比;对T2～6、T7～11和T12～L5 3段脊柱有限元模型施加不同高度下的自由落体载荷并进行仿真分析,获得轴向力峰值和弯矩,并与文献报道的数据进行对比分析。结果 T12～L1段脊柱有限元模型受不同方向力矩发生最大转角在-2.24°～1.55°,与文献数据吻合良好。在不同跌落高度下,T2～6、T7～11和T12～L5 3段脊柱有限元模型的轴向峰值力分别为1.7～5.3、1.3～5.5、1.3～7.5 kN,均处于文献数据误差范围内;脊柱与椎间盘应力云图显示,椎体由外缘最先受力,椎间盘由髓核承受主要载荷,符合实际脊柱损伤发生机制。结论 所建立的T2～L5脊柱模型能够正确模拟不同工况下脊柱的生物力学行为特性,分析结果具有有效性。     

部分钩突切除对颈椎稳定性影响的有限元分析

目的建立颈椎(C4-C6)三维有限元模型,研究钩突切除前后对颈椎稳定性的影响。方法根据健康志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像,采用Mimics13.1和Solid Works2012软件进行三维重建和造型,利用ANSYS15.0软件,对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性,建立颈椎(C4-C6)三维有限元模型。在建立的模型上加载,模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动,获取位移、应力等数值云图,并进行分析验证。在C5节段左侧钩突上分别切除钩突高度的25%、50%和60%,获得不同范围钩突切除时的左侧弯状态下颈椎各部位的位移、应力等数值云图,分析不同范围钩突切除对颈椎稳定性的影响。结果本研究建立了三个椎体运动节段的三维有限元模型,模型高度模拟颈椎结构与材料特性,研究了不同范围钩突切除后,颈椎稳定性受到的影响。钩突切除高度的25%后的左侧弯状态与未切除时对比分析,位移云图变化不大,最大等效应力减小。钩突切除高度的50%、60%后的左侧弯状态下的位移继续增大,最大等效应力逐渐减小。结论切除钩突高度的25%时对颈椎稳定性影响不大,随着切除钩突范围的增加,颈椎的稳定性逐渐降低。     

基于Kinect和NAO机器人的人体上肢康复训练跟随控制EI北大核心CSCD

动作模仿是康复训练中常见的训练策略。传统的康复训练中患者需要在康复医师的指导下完成训练动作,然而由于医院资源有限,无法满足所有患者的训练指导需求。本文针对康复训练中的动作模仿任务,提出了一种基于Kinect和NAO机器人的跟随控制方法。该方法通过逆运动学解析实现了Kinect坐标系到NAO机器人坐标系关节角度映射。针对肘关节偏转角的估计问题,通过构建虚拟空间平面实现了偏转角的精确估计。最后,基于肘关节的运动偏转角进行了对比实验,结果显示该方法右肘横轴偏转和纵轴偏转的角度估计值均方根误差分别为2.734°和2.159°,证实了该方法可以实现NAO机器人实时、稳定地跟随人体动作,从而向患者展示康复训练方案。     

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。     

基于CT和MRI膝关节有限元模型建立与不同载荷下生物力学特性分析

基于CT和MRI图像数据建立膝关节有限元模型,采用六面体网格对不同载荷系统下人体膝关节生物力学特性进行研究,并进行有效性验证。建立膝关节有限元模型包括:股骨、胫骨、髌骨、腓骨、股骨软骨、胫骨软骨、腓骨软骨、半月板、前后交叉韧带、内外侧副韧带、髌韧带和股四头肌腱等。对膝关节施加1 kN轴向压缩载荷、134 N后向抽屉力和5、10、15 N[?m内翻力矩和外翻力矩,分析膝关节内软骨和半月板的接触应力和接触面积,股骨内外翻倾角以及位移变化情况。在1 kN压缩载荷和134 N抽屉力作用下,股骨软骨、内外侧半月板和内外侧胫骨软骨的接触应力峰值分别为4.47、3.25、2.83、2.70、2.53 MPa,Von Mises应力峰值分别为2.22、2.44、2.25、2.07、1.64 MPa。股骨相对胫骨前向位移为4.19 mm。施加5、10、15 N[?m内翻和外翻力矩时,股骨内翻和外翻倾角分别为3.49°、4.48°、4.91°和3.22°、3.62°、4.01°。随着力矩的线性增大,膝关节各组成部分的应力呈非线性变化趋势。膝关节软骨、半月板和韧带的研究结果符合其生物力学特性,与前人数值分析和实验研究结果相一致,可为临床膝关节生理病理分析和治疗提供一定的理论依据。     

座椅椅背倾角对飞行员颈部损伤的影响

目的 探究不同椅背倾角对飞行员颈部损伤的影响。方法 基于头颈部多刚体动力学模型,对两种典型飞行工况下(急转弯和稳定盘旋)椅背倾角17°和22°进行仿真计算,得到颈部肌肉力及椎间力,并采用颈部损伤的NIC准则、N_ij准则和简明损伤分类方法对颈部损伤进行评估与预测。结果 同一飞行工况下,椅背倾角17°时,颈部前屈,斜方肌和头夹肌受到拉伸。椅背倾角22°时,颈部后伸,集总舌肌受到拉伸,且椅背倾角17°时斜方肌受到的拉力最大。同一颈椎节段,椅背倾角17°时的轴向力高于椅背倾角22°时,而22°时的后伸力矩大于17°时的前屈力矩。所有飞行工况下的力和力矩均未超过颈椎节段的损伤评估值,颈部脊髓也不会发生损伤。急转弯工况下,椅背倾角为22°时C7～T1节段N_ij在所有工况中最大,达到航空领域建议的临界值,此时颈部发生中度、重度伤的概率分别为3.93%、2.63%。结论 本研究结果可为评估椅背倾角对飞行员颈部的损伤情况提供支撑。     

骨盆倾斜对髋关节置换后站立位髋臼侧应力影响的有限元分析

背景：在髋关节置换术中,仅利用髋臼解剖放置髋臼杯会改变功能性髋臼杯的方向;计算机导航完成髋关节置换手术可提高假体放置的准确性。目的：应用有限元模型模拟手术,模拟髋臼杯的应力大小及区域,结合骨盆倾斜角计划髋关节置换髋臼杯放置方向,探讨骨盆倾斜角对髋关节置换术髋臼侧假体应力分布的影响。方法：收集6例(标记为A-F)骨盆X射线片及CT数据,通过有限元软件ABAQUS 6.14-4(SIMULIA公司,法国)建立髋关节模型,以仰卧位前骨盆平面为坐标平面,模拟髋关节置换手术,建立6个模型,再根据站立位骨盆倾斜角,对骨盆倾斜角≤-10°与骨盆倾斜角> 10°者,调整假体植入的参考平面,建立9个模型,分为矫正前模型：A(-14°),B(-29°),C(11°);矫正后模型：Aa(-7°),Bb(-18°),Cc(1°);正常模型：D(-8°),E(-2°),F(-9°)。在有限元求解软件中,约束固定模拟单足站立,于骶髂关节、耻骨联合、大转子处加载关节负荷,比较各模型髋臼、髋臼杯及内衬最大Von Mises应力分布情况。结果与结论：(1)运算中模型B出现不收敛,在骨盆倾斜矫正后收敛;模型A出现不...     

一种上肢康复机器人机械臂重力平衡方法

目的针对现有上肢康复机器人机械臂质量较大且其自体质量无法忽略等问题,基于重力平衡原理提出一种上肢康复机器人机械臂重力平衡方法。方法通过角度传感器检测肩关节屈/伸角度,将经过滤波的模拟量信号传送到单片机,单片机计算得到目标力矩,并作为控制参数发送到驱动器,驱动器驱动电机进入力矩模式并输出力矩,平衡上肢康复机器人机械臂重力。结果实验所用机械臂长度L_1=300 mm、L_2=300 mm,关节运动角度0°～140°,机械臂自体质量M_1=3.0 kg、M_2=4.4 kg;电机可提供最大力矩27 N·m、最大电流0.766 A;满足实验需求。在肩关节屈/伸角度范围为30°～120°的机械臂上选取7组角度进行实验。实验证明,在30°～75°内实际输出力矩大于理论输出力矩,机械臂保持平衡且有向上运动的趋势;在90°～120°内,实际输出力矩略小于理论力矩,机械臂保持平衡且有向下运动的趋势。结论实验证明,笔者设计能很好地实现机械臂重力平衡。     

利用有限元分析爱惜邦线缝合固定与带线锚钉

目的 利用有限元方法对比分析爱惜邦线缝合固定与带线锚钉缝合固定髌骨下极骨折的生物力学稳定性。方法 选取1名健康成年志愿者的膝关节CT图像,建立髌骨下极骨折模型,并在此基础上建立5#爱惜邦线、带线锚钉骨折固定三维模型。其中,模型1采用5#爱惜邦线独立间断垂直缝合技术固定髌骨下极骨折,模型2在模型1基础上将两端爱惜邦尾线从髌腱下方连续锁边缝合至对侧骨折近端并收紧打结,模型3采用锚钉技术固定。分析在不同屈膝角度下各骨折固定模型的应力和位移分布。结果 在0°~90°范围内,随着屈膝角度增加,最大应力和最大位移也随之增大。在同一屈膝角度下,带线锚钉固定方式的应力水平最高,爱惜邦线固定联合锁边缝合方式的应力水平最低且应力分布最均匀;单纯爱惜邦线缝合的位移形变量最大,带线锚钉固定方式的位移形变量最小。结论 爱惜邦线缝合后加以髌腱周围的锁边缝合最大位移相对适中,且最大应力也相对较小,是临床中固定髌骨下极骨折的可靠方法。     

三维有限元分析角度基台对种植体骨界面应力分布的影响

目的采用三维有限元的方法,分析各种角度基台对种植体骨界面应力、应变分布的影响,为临床使用提供理论参考。方法采用CT薄层扫描,建立含种植体的下颌骨三维有限元模型。模拟咀嚼肌加载,用ALGOR软件分析直基台和10°、20°、30°角基台修复时,种植体骨界面应力、应变分布的不同。结果发用数值和图的形式显示综合应力、最大和最小主应变。直基台修复时,综合应力集中于种植体颈部骨皮质,种植体底部次之。随基台角度的增加,种植体骨界面综合应力、最大和最小主应变值均从集中于种植体颈部转移至底部。结论随基台角度的增加,种植体骨界面应力、应变均增大;30°角基台修复时,其应力、应变增大显著。     

How does the inclination of the tibial component matter? A three-dimensional finite element analysis of medial mobile-bearing unicompartmental arthroplasty

Background

Medial unicompartmental knee arthroplasty (UKA) using Oxford mobile-bearing prosthesis is performed in the treatment of medial compartmental arthritis of the knee. However, little is known about the stress distributions for mobile-bearing UKA on the medial tibial plateau.

Influence of implant number,length, and tilting degree on stress distribution in atrophic maxilla: a finite element study

This study aims to evaluate the stress values, created in peri-implant region as a consequence of loading on fixed hybrid dentures that was planned with different implant numbers, lengths, or tilting angulations. Thirteen three-dimensional (3D) finite element analysis models were generated with four, five, or seven implants (group A, B, and C). Except the distal implants, all implants were modeled at 4.1 mm (diameter) and 11.5 mm (length) in size. Distal implants were configured to be in five different lengths (6, 8, 11.5, 13, and 16 mm) and three different implant inclination degrees (0°, 30°, and 45°). A 150-N load was applied vertically on prosthesis. Released stresses were evaluated comparatively. The lowest von Mises stress values were found in group C, in the 11.5-mm implant model. Tilting the distal implants 30° caused higher stress values. In 45°-tilting implant models, lower stress values were recorded according to the 30°-tilting models. The ideal implant number is seven for an edentulous maxilla. Tilting the implants causes higher stress values. A 45° inclination of implant causes lower stress values according to the 30° models due to a shorter cantilever. The ideal implant length is 11.5 mm.     

The effect of cup inclination and wear on the contact mechanics and cement fixation for ultra high molecular weight polyethylene total hip replacements

The present study aimed to investigate individual and combined influences of the cup inclination and wear on the contact mechanics and fixation of a Charnley hip replacement using finite element method. The effects of cup inclination and penetration on the contact mechanics of articulating bearings as well as the stress within the cement and at the bone-cement interface were examined. The maximum contact pressure and the von Mises stress on the cup were reduced by ~30% and ~20% respectively when even a small penetration occurred. However, no large differences were found between different cup penetration depths with regards to either the contact pressure or the von Mises stress. The von Mises stress at the bone-cement interface was predicted almost unaltered with an increased cup inclination angle to 55° for a cup penetration to 4mm. These predictions suggest that the contact mechanics and the cement stress are insensitive to the cup inclination and wear under these normal conditions investigated, therefore explaining the robustness of the Charnley hip implant. An increase in the cup inclination angle to 65°, coupled with a maximum penetration of 4mm, resulted in a large increase in the maximum von Mises stress at the bone-cement interface.     

A mathematical modelling study investigating the influence of knee joint flexion angle and extension moment on patellofemoral joint reaction force and stress

BackgroundPatellofemoral pain (PFP) is the most common orthopaedic condition among runners. Individuals with PFP exhibit greater patellofemoral joint (PFJ) reaction force and stress when compared with pain-free controls. However, it is not clear whether PFJ reaction force and stress are the highest (or lowest) when knee joint flexion angle and extension moment are in which combinations. We aimed to investigate the influence of knee joint flexion angle and extension moment on PFJ reaction force and stress.MethodsA PFJ sagittal model was used to quantify PFJ reaction force and stress. Based on the public dataset of the previous study, peak knee joint flexion angle and extension moment at various running speeds was calculated. Based on the calculated peak value, simulation ranges were set to knee joint flexion angle of 10–45° and extension moment of 0–240 Nm. The quadriceps force, effective lever arm length at quadriceps muscle, and PFJ contact area were determined as a function of the knee joint flexion angle and extension moment, and finally PFJ forces and stress were estimated.ResultsPFJ reaction force increased as the knee flexion angle and extension moment increased. Although PFJ stress also increased as the knee extension moment increased, it was at the highest and lowest at 10° and about 30° knee joint flexion angles, respectively.ConclusionsIncorporating knee flexion posture (approximately 30°) during running may help in reducing PFJ stress, which would be useful in the prevention of pain and act as an optimal treatment program for PFP.     

股骨颈骨折断面倾斜度与骨折愈合的关系

本文以三枚骨针为例，按照医学用语-股骨颈骨折断面倾斜度α[1]，给出了股骨颈骨折类型的统一描述，建立了在竖向荷载作用下，股骨头的桡度、股骨颈骨折断面上正压力和剪力与倾斜度α的函数关系，讨论了函数的单调性，把倾斜度分为三段（α≤30°，30°＜α＜70°，α≥70°）逐段讨论了不同类型骨折固定和愈合问题．最后为解决较大倾斜度固定不稳定性问题给出了一些措施．以上结论可以推广到两枚骨针和四枚骨针固定形式。     

Manually controlled steerable needle for MRI-guided percutaneous interventions

This study aims to develop and evaluate a manually controlled steerable needle that is compatible with and visible on MRI to facilitate full intra-procedural control and accurate navigation in percutaneous interventions. The steerable needle has a working channel that provides a lumen to a cutting stylet or a therapeutic instrument. A steering mechanism based on cable-operated compliant elements is integrated in the working channel. The needle can be steered by adjusting the orientation of the needle tip through manipulation of the handle. The steering mechanism is evaluated by recording needle deflection at constant steering angles. A steering angle of 20.3° results in a deflection of 9.1–13.3 mm in gelatin and 4.6–18.9 mm in porcine liver tissue at an insertion depth of 60 mm. Additionally, the possibility to control the needle path under MRI guidance is evaluated in a gelatin phantom. The needle can be steered to targets at different locations while starting from the same initial position and orientation under MRI guidance with generally available sequences. The steerable needle offers flexibility to the physician in control and choice of the needle path when navigating the needle toward the target position, which allows for optimization of individual treatment and may increase target accuracy.     

金属对金属人工髋关节边缘接触效应

目的 研究金属对金属人工髋关节不同行走姿态下的接触力学行为,特别是大幅度运动可能导致的边缘接触效应。方法 建立球面共型接触的髋关节有限元模型,通过改变髋臼相对股骨头的倾斜状态和对股骨头施加恒定竖直方向载荷相结合,等效模拟分析人工髋关节不同行走姿态下的接触状态。结果 髋臼相对股骨头倾角在小于约60°范围内增加时,其对应的最大接触压力呈下降趋势,接触面积有所增大;当倾角超过80°范围时,关节接触区域因靠近髋臼边缘,最大接触压力位置由初始接触点向髋臼倾斜方向移动了约6°~9°的位置,用以满足压力分布合力与外载荷的平衡,接触压力和分布范围有所增加。结论 髋臼相对股骨头较大倾斜状态极易引起不同的边缘接触现象,置换人体髋关节产生的边缘接触问题需要引起临床外科和关节制造上的重视。     

基于角膜生物力学对小切口角膜基质透镜取出手术优化及联合角膜胶原交联手术的效果分析

目的 建立小切口角膜基质透镜取出(small incision lenticule extraction, SMILE)手术的有限元模拟体系,模拟术后角膜生物力学性能变化,为SMILE手术的优化设计提供依据,并探讨角膜胶原交联(corneal collagen cross-linking, CXL)手术对SMILE术后角膜生物力学性能的影响。方法 采用交联强度梯度分布的超弹性本构关系描述角膜的生物力学性能,建立SMILE手术的压痕有限元模型,设置不同的切口位置、切口弧度、侧切口角度和角膜帽厚度,分析SMILE术后角膜生物力学性能的变化;对SMILE术后角膜进行CXL手术的有限元模拟,分析不同辐射能量对角膜生物力学性能的影响。结果 随着切口位置角度变小、切口弧度增加、侧切口角度从90°增大到135°或减小到45°、角膜帽厚度减小,SMILE术后角膜最大von Mises应力不断增大;随着辐射能量增加,CXL术后最大von Mises应力不断增加。结论 构建的有限元模型可有效表征SMILE术后角膜的生物力学响应,为SMILE手术的优化设计提供模拟依据;CXL手术有助于提高SMILE术后角膜...