股骨近端骨缺损与骨折相关性的有限元分析

目的 建立股骨近端不同缺损三维有限元模型,分析研究股骨近端在慢步行走步态周期中的局部应力及应变,估计骨折可能范围,为临床于作提供理论依据.方法 通过CT扫描股骨全长建立股骨近端3种缺损情况下的三维有限元模型,模拟下肢慢步行走负荷加载,分析股骨近端小转子区、转子间区和股骨颈骨缺损的应力变化.结果 ①小转子中点水平的股外侧...     

髋关节外展不同角度股骨颈应力分布的有限元分析

目的比较分析双腿站立时髋关节外展不同角度时股骨颈应力的分布及变化情况,为临床髋关节疾患治疗与康复提供生物力学依据.方法利用中国虚拟人男一号切片数据集的髋部数据,重建人体股骨上半节段的三维有限元仿真模型,模拟髋关节不同的外展角度,对该模型进行虚拟加载和仿真计算,比较分析髋关节外展不同角度下股骨颈的应力分布.结果（1）对于各种外展角度,股骨颈内、外侧方的应力值均明显高于前、后方;（2）随着髋关节外展角度的增加,股骨颈的正后方和后内侧部位应力值逐渐减小,前方的应力值基本保持不变,而内、外侧方的应力值则逐渐增大,以外侧方变化最大.结论股骨颈内、外侧是股骨上半节段的应力集中部位,髋关节外展使应力分布发生改变,临床上应根据患者的实际情况采取合适的手术和康复锻炼方式.     

水泥型人工髋关节置换治疗老年EvansⅠ-Ⅲ型粗隆间骨折股骨假体的生物力学特性

目的探讨人工髋关节置换治疗老年EvansⅠ-Ⅲ型粗隆间骨折股骨假体的生物力学特性。方法根据DI-COM 3.0标准,采用Mimics软件及CAD建模软件Unigraphics完成股骨三维实体重建,以大粗隆尖到小粗隆下缘作为骨折线并将骨折线以上部分移除,建立粗隆间骨折模型。将两种不同柄长(120、170 mm)股骨假体模型置入骨折模型,采用3 mm厚的骨水泥套层重建假体与股骨间的缺损,5 mm厚的骨水泥套层代替重建小粗隆上1 cm股骨颈截骨线与粗隆间骨折线间的骨缺损。最后应用有限元分析软件ABAQUS 6.5建立三维有限元模型,模拟单腿站立姿势进行力学加载,得到股骨假体的应力分布云图,在应力集中区域取5个位点取其平均值得到应力值。结果短柄、长柄股骨假体应力分布基本相同。假体颈部有两个应力集中区,分别位于假体颈的上部和中下部,接近与假体柄连接处,其中中下部与小转子上方的交界处集中明显。假体柄部内侧的颈干交界处相当于股骨矩区域有一较小的应力集中区域,由此向下应力略降低,随之逐渐增大,在接近假体柄内侧末端时形成第二个应力集中区域;假体柄外侧由近端向远端应力逐渐增大,到接近假体末端时形成假体柄外侧应力集中区。结论水泥型人工髋关节置换治疗老年EvansⅠ-Ⅲ型粗隆间骨折,股骨假体的应力分布与常规人工全髋关节置换后股骨假体的应力分布相似;长柄股骨假体的各应力集中峰值较短柄股骨假体高,但均没有超过金属断裂的应力极值。     

行走中股骨生物力学特性的有限元分析

目的：利用有限元的方法,模拟人体最佳边界条件,探寻行走过程中股骨的生物力学情况。方法根据股骨CT数据进行三维重建,并且网格化。利用计算机仿真软件AnyBody模拟正常人平地行走时的动作,导出股骨在整个运动过程中受到的肌肉力。利用Geomagic studio和Hypermesh软件完成目标模型与AnyBody模型的坐标匹配,将肌肉力加载在股骨上。在有限元分析软件Abaqus上计算步态过程中股骨受到的von Mises应力、应变的大小及其集中部位。结果在站立相中期,股骨受到的应力最大,为27．70 MPa,应力集中在小转子稍下方偏后侧。股骨在对侧承重期的受到的应力最小;在摆动相,应力集中在股骨中下段的内侧,为3．52 MPa。最大应变出现在站立相中期,大小为0．39 mm,位于股骨头;在摆动相,应变最大位于股骨中段,大小为0．12 mm;对侧承重期股骨的局部应变最小。结论人体行走过程中,在站立相中期,股骨的小转子稍下方偏后侧局部受到的应力最大,而最大应变集中出现在股骨头。     

股骨近端抗旋髓内钉螺旋刀片两种锁定方式治疗不稳定股骨粗隆间骨折的力学比较

目的比较股骨近端抗旋髓内钉螺旋刀片静态锁定与滑动加压固定治疗不稳定股骨粗隆间骨折的生物力学性能,为临床手术选择内固定提供科学依据。方法基于健康成年男性CT三维原始图像建立股骨有限元模型,利用Solidworks软件建立内固定模型。模拟20个不同骨折线位置和移位程度的不稳定(Evans-JensenⅣ/Ⅴ)股骨粗隆间骨折内固定有限元模型,将螺旋刀片两种模型(静态锁定和滑动加压)导入到Abaqus分析软件中,并模拟单足站立时股骨受力情况,予施加相同的约束和载荷,观察受力分布和位移大小。结果从有限元模型图中可以看出,应力主要分布在股骨颈及大、小粗隆部、中下段,小粗隆处的应力相对集中。在站立和行走两种状态下,两种不同分型(Ⅳ/Ⅴ型)股骨粗隆间骨折PFNA内固定模型螺旋刀片静态锁定固定应力和位移均低于滑动加压固定,差异均有统计学意义(P0.05)。结论股骨近端抗旋髓内钉治疗不稳定股骨粗隆间骨折时,螺旋刀片静态锁定比滑动加压锁定力学上应力更小且分布更合理,具有对骨折愈合更佳的生物力学优势。     

侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应

目的 利用三维有限元分析方法研究股骨-骨盆复合体在人体侧向摔倒时冲击载荷作用下的生物力学行为特性.方法 基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织;同时,构建一个刚体平面仿真地面.约束地面刚体,对整个股骨-骨盆-软组织复合体模型施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms.通过三维有限元分析计算获得股骨-骨盆侧摔冲击过程中应力应变变化特性.结果 在13 ms时,股骨大转子处软组织与地面的接触力达到最大值7 656 N,对应的骨盆软组织上的最大等效应力值为2.64 MPa.冲击过程中,耻骨联合处骨皮质上等效应力出现极大值,为142.64 MPa,接近其屈服强度;股骨颈和大转子处应力水平较高,股骨颈处皮质骨上的最大等效应力值为76.49 MPa;股骨颈处松质骨上的最大等效应力值为8.44 MPa,最大压缩应变值为0.94％;股骨大转子处松质骨上的最大等效应力值为8.50 MPa,最大压缩应变值为0.93％.结论 人体股骨-骨盆复合体在侧摔减速冲击载荷作用下股骨颈、大转子及耻骨联合处易出现骨折.     

正常步态下距骨三维有限元模型的建立及应力分析

目的 建立一个具有高度几何相似性的足踝部三维有限元模型,并用此模型静态地分析人体不同步态相时距骨的生物力学特性,量化距骨的应力-应变状况.方法 基于志愿者足的三维CT扫描数据,利用Mimics13.0、Geomagic10.0软件对足踝相关组织进行几何重建,导入Hypermesh10.0软件中进行网格划分,赋予材料属性,最后导入Abaqus6.9中,模拟人体正常步态过程中3个位相(落地相、中立相、离地相)时的受力状况,进行有限元分析.结果 建立距骨及周围结构的三维有限元模型,共21865个节点、73440个单元,具有较好的几何相似性.正常步态中从落地相到离地相中等效应力峰值在距骨滑车分别为3.0 Mpa、4.3 Mpa、4.8 Mpa;在距骨颈分别为1.3 Mpa、1.9 Mpa、2.8 Mpa;在距舟关节分别为2.8 Mpa、3.0 Mpa、3.4 Mpa;在距下关节分别为2.2 Mpa、1.8 Mpa、1.5 Mpa.结论 本研究中创建的三维有限元模型,经验证是一个正确可靠的模型,可以帮助临床医生和其他研究人员更好的理解正常步态下距骨的许多生物力学特性.     

髋关节外展不同角度股骨颈应力分布的有限元分析

目的 比较分析双腿站立时髋关节外展不同角度时股骨颈应力的分布及变化情况,为临床髋关节疾患治疗与康复提供生物力学依据。方法 利用中国虚拟人男一号切片数据集的髋部数据,重建人体股骨上半节段的三维有限元仿真模型,模拟髋关节不同的外展角度,对该模型进行虚拟加载和仿真计算,比较分析髋关节外展不同角度下股骨颈的应力分布。结果 (1)对于各种外展角度,股骨颈内、外侧方的应力值均明显高于前、后方;(2)随着髋关节外展角度的增加,股骨颈的正后方和后内侧部位应力值逐渐减小,前方的应力值基本保持不变,而内、外侧方的应力值则逐渐增大,以外侧方变化最大。结论 股骨颈内、外侧是股骨上半节段的应力集中部位,髋关节外展使应力分布发生改变,临床上应根据患者的实际情况采取合适的手术和康复锻炼方式。     

基于Hypermesh/LS-DYNA仿真股骨干中上1/3骨折的断裂分析

目的 运用工程力学软件Hypermesh与LS-DYNA对股骨有限元模型进行断裂力学分析,仿真股骨干中上1/3骨折的移位情况并与真实的进行对照.方法 选取1例股骨干中上1/3骨折患者的健侧股骨影像学CT资料导入Mimics软件,通过区域增长、编辑笼罩、光滑包裹重建股骨健侧的三维有限元模型,将股骨模型在Hypermesh中进行有限元网格划分、定义材料属性、设定边界条件,加载受力曲线与作用点等前处理,生成的K文件导入求解器LS-DYNA中运算.结果 股骨干骨折且骨折近端呈屈曲、外展、外旋移位,骨折远端向内侧移位呈现短缩畸形,且节点位移图中可见断端随着外旋、内收肌的不断牵拉,位移呈线性增加,X轴正向为骨折近端有限元节点位移,X轴负向为骨折远端节点位移,可以看出骨折远端较骨折近端位移大;同时,在Von Mises云图上股骨颈以及股骨转子间周围出现应力集中,与临床上股骨干骨折合并股骨转子间或股骨颈骨折高度一致.结论 基于Hypermesh/LS-DYNA的断裂力学分析原理可以很好地应用在创伤骨科领域.     

基于有限元法的Vancouver B1型股骨假体周围骨折内固定力学分析

目的 基于有限元方法,对Vancouver B1型股骨假体周围骨折内固定后的稳定性及生物力学状态进行分析研究.方法 收集30名中老年健康志愿者左侧股骨CT图像数据以及股骨假体、锁定钛板的外形数据并进行三维重建.模拟人工髋关节置换术后假体周围骨折锁定板内固定手术,近端分别采用钛缆捆扎、锁定螺钉单层皮质固定及两者组合,施加模拟完全负重及部分负重的载荷,观察最大位移及峰值应力情况.结果 对于近端钛缆捆扎与锁定螺钉单层皮质固定两种方式,在模拟完全负重及部分负重压力载荷作用下的骨折位移,锁定板、假体及股骨上的应力峰值差异均无统计学意义,也即钛缆捆扎和锁定螺钉单层皮质固定后生物力学状态无明显区别.但若将两者组合使用,则可增加内固定稳定性,并且降低锁定板应力峰值,与单独使用两种内固定方式的结果差异均有统计学意义(P＜0.05或P＜0.01).结论 对于Vancouver B1型股骨假体周围骨折切开复位锁定板内固定手术,钛缆捆扎结合锁定螺钉单层皮质固定是首选的内固定方式.     

胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折三维有限元模型的建立和应力分析

目的 建立脊柱胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折及邻近节段的有限元模型,并对模型进行初步的生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对患者的CT图片进行预处理,后导入大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.建立了胸10-腰2四个运动单元的三维模型,并且准确模拟了椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.通过设置0.3、1.0、4.0 Mpa 3种轴向载荷进行力学分析,观察力学改变情况.结果 当轴向压力以0.3、1.0、4.0MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加.椎间盘所受应力分布不均;各椎体前部所受应力最大,而后部结构所受应力较小,椎体局部出现受力较大情况,尤以相邻椎体更为明显.结论 本研究的有限元模型符合胸腰段骨质疏松性椎体骨折的临床特点,模拟了其生物力学特性.     

股骨远端肿瘤性缺损两种不同内固定方法抗弯曲特性的三维有限元分析

通过三维有限元法对股骨远端肿瘤性缺损交锁髓内钉和加压锁定钢板两种内固定方式的抗弯曲生物力学特性进行对比评价,判断何种生物力学更稳定,为临床应用提供依据。选取一例健康男性全股骨进行CT断层扫描,模拟股骨远端肿瘤性缺损,采用锁定钢板和交锁髓内钉内固定方法,建立骨肿瘤三维有限元模型,导入ABAQUS进行有限元分析,在1000N载荷作用下,比较锁定钢板和交锁髓内钉抗弯曲的应变和应力分布情况。结果显示,两组模型应力均未达到屈服应力,两种模型在1000N作用下呈线性分布,锁定钢板的抗扭转特性大于髓内钉的,锁定钢板的应力分布比较均匀,最大主应力86．52Mpa,最人应变是5．749×10^-4,髓内钉的最大应力为91．25Mpa,最大应变是5．644×10^-4。由此认为,临床上锁定钢板和交锁髓内钉都能成功治疗骨肿瘤,满足临床内固定需要。弯曲状态下,锁定钢板的应力分布更加均匀,但在抵抗变形方面,髓内钉比锁定钢板更好,具有较大临床应用价值。     

有限元法分析全髋关节置换术后股骨近端应力变化

目的 通过有限元模型的建立及力学分析,探讨全髋关节置换术术后股骨近端应力变化.方法 选取行单侧全髋关节置换术的24例患者作为研究对象,术前与术后对患髋摄X线正位片,其原始数据输入有限元软件建立二维有限元模型,并进行力学分析、绘制应力曲线进行比较.结果 全髋关节置换术术后的股骨近端,外侧近段的应力略有改变,在远段应力略有增加,而在中段变化较大；内侧的应力在近段明显减小,而在远段改变不明显,应力沿股骨轴线的分布很不均匀.结论 全髋关节置换术术后的股骨近端应力分布与术前相比有所改变.     

股骨远端骨肿瘤不同缺损范围的有限元分析

目的：探讨股骨远端肿瘤型骨缺损,不同比例骨缺损的生物力学研究。方法：1例股骨远端患者,术前行64排螺旋CT扫描,建立股骨缺损5cm、10cm、15cm骨缺损的复合假体三维有限元模型,最后利用有限元分析软件ABAQUS6.9对该模型进行生物力学分析。结果：三组模型应力均未达到屈服应力,5cm骨缺损模型最大应力为2.1Mpa,最大位移为0.04mm。10cm骨缺损模型最大应力为5.8Mpa,最大位移为0.14mm。15cm骨缺损模型最大应力为11.07Mpa,最大位移为0.19mm。但其峰值均低于骨水泥疲劳强度。结论：骨水泥＋锁定钢板治疗股骨远端骨肿瘤不会引起股骨应力分布的明显改变。随着缺损范围的增大,引起填充骨水泥的位移增大,不利于骨折愈合。     

老年患者人工股骨头置换的三维有限元分析

目的 对人工股骨头置换治疗的老年股骨转子间不稳定骨折有限元模型进行生物力学分析。方法 对1 名健康老年男性志愿者左侧股骨行螺旋CT 断层扫描后将数据导入Mimics14.0 软件得到股骨实体,获得左侧股骨转子间不稳定骨折模型。根据AML 生物型假体及Muller 骨水泥假体的设计参数,制作AML 普通柄、加长柄及骨水泥柄模型,并植入骨折模型中模拟3 种不同材料的人工股骨头置换术。将人工股骨头置换模型与正常股骨模型导入Ansys13.0 软件中,对各部分材料赋值后加载负荷并作应力分析。结果 正常股骨自近端至远端不断增加,并于中下段达到峰值。人工股骨头置换后并未改变股骨总体的应力趋势,同样是由近端到远端逐渐增加,应力集中部位为全长股骨中段,但股骨近端的受力小于正常股骨,同时股骨上最大等效应力增加。3 种假体受力集中部位均为骨髓腔峡部与假体连接处,假体的最大等效应力相近;3 种假体对股骨受力的影响趋势相同,但加长柄对股骨下端应力的改变小于普通柄,股骨的最大等效应力由高到低依次为加长柄、普通柄和骨水泥柄。结论 人工股骨头置换术用于Tronzo-Evans IV 型股骨转子间不稳定骨折可提高股骨的最大等效应力。     

CS无支架四叶心包二尖瓣设计优化与有限元应力研究

目的优化CS元支架四叶心包二尖辩设计,有限元分析辩叶应力.方法按照仿生原则,设计新型无支架四叶二尖瓣,根据辩膜几何形态及牛心包组织材料特性,建立模拟新型辩膜启闭的有限元动态模型,应用有限元软件ANSYS,采用八节点曲线薄壳单元并充分考虑大应变和辩叶闭合过程中的接触.以体外脉动流仪测得瓣膜平均跨瓣压差作为面载荷,应用Newton-Raphson方法求解有限元方程,计算在开启和关闭状态时,各瓣叶的应力分布.结果有限元计算的辩膜变形和实际变形十分接近.辩膜关闭时,大部分区域第一主应力为0.22～0.70Mpa,主辩叶最大应力为1.64 Mpa,出现在辩叶基部与辩环连接区;侧辩叶最大应力为1.17Mpa,出现在瓣叶游离缘;大部分区域第二主应力为0.15～0.34Mpa,主辩叶最大应力为0.54Mpa,出现在辩叶基部.瓣膜开启时,主、侧辩叶最大应力为0.58 Mpa,出现在辩叶交界缝合处.新型辩膜四个辩叶应力分布较原型瓣均匀.结论采用有限元模型计算瓣膜变形与应力分布方法合理;新型辩应力分布较均匀,有益于防止辩叶撕裂和减少钙化,从而延长心包二尖瓣的寿命.     

基于复合人工股骨的有限元模型构建及有效性验证

目的:建立复合人工股骨的有限元模型并对其进行有效性验证.方法:采用SAWBONE第4代复合人工股骨模型及正常人股骨尸体标本CT断层扫描数据各1例对股骨进行三维重建,重建出包含皮质骨、松质骨和髓腔结构的复合人工骨实体模型及正常人股骨三维模型共2组,并模拟股骨站立位状态下受到的轴向压缩载荷,对2组模型设定相同的边界条件,对比2组模型的应力分布情况并与国外文献数据进行模型的有效性验证.结果:复合人工股骨有限元模型应力分布情况与既往文献数据较为一致,而尸体标本股骨总体应力分布显著低于人工股骨模型.结论:复合人工股骨在有限元分析结果方面与既往文献存在较好的一致性,可用于股骨生物力学研究及骨科植入物的生物力学评估,且在材料来源以及个体化解剖差异因素方面相比尸体标本具有明显的优势.     

基于复合人工股骨的有限元模型构建及有效性验证

目的:建立复合人工股骨的有限元模型并对其进行有效性验证.方法:采用SAWBONE第4代复合人工股骨模型及正常人股骨尸体标本CT断层扫描数据各1例对股骨进行三维重建,重建出包含皮质骨、松质骨和髓腔结构的复合人工骨实体模型及正常人股骨三维模型共2组,并模拟股骨站立位状态下受到的轴向压缩载荷,对2组模型设定相同的边界条件,对比2组模型的应力分布情况并与国外文献数据进行模型的有效性验证.结果:复合人工股骨有限元模型应力分布情况与既往文献数据较为一致,而尸体标本股骨总体应力分布显著低于人工股骨模型.结论:复合人工股骨在有限元分析结果方面与既往文献存在较好的一致性,可用于股骨生物力学研究及骨科植入物的生物力学评估,且在材料来源以及个体化解剖差异因素方面相比尸体标本具有明显的优势.     

髋臼假体的方位对假体骨水泥界面应力分布的影响

目的 通过三维有限元分析，探讨假体—骨水泥界面的应力分布情况以及髋臼假体的方位对该应力分布的影响。材料和方法 根据人工髋关节的工业设计制造图．利用有限元软件Ansys5．6的三维几何建模功能，建立了人工髋关节的三维模型．再根据Lenfsfeld试验得出的髋臼假体在不同的外展角下髋关节接触力的大小和方向．经过换算，然后加载负荷于股骨头上，计算出髋臼假体在不同的外展角下股骨假体与骨水泥内外侧界面的应力值。结果 假体与骨水泥界面应力分布不均．在股骨假体柄的始端处最大，是应力传导至骨水泥或股骨的主要部位，称为峰值应力(Peak Value Stress)或主应力，然后快速减小，大约越过股骨近端狭部，以后趋于平稳．在外侧接近于假体末端处又轻微增加。髋臼假体外展角在45度时．峰值应力最小．随着外展角的增大或减小，峰值应力都会逐渐增大。在假体远端。随着髋臼假体外展角的减少。在假体远端内外侧面的应力均逐渐增大，而且外侧面的变化更为明显。结论 股骨假体与骨水泥界面应力分布不均匀，在假体柄的近端是传导应力的主要部位，在该部位．股骨假体柄及骨水泥容易出现疲劳断裂。髋臼假体外展角增大或减小，股骨假体柄近端峰值应力都会增加．从而影响假体的使用寿命；在股骨假体的远端．髋臼假体外展角越小．界面应力越大，骨水泥越容易产生蠕变，对假体的稳定也越不利。     

套筒冠与卡环固位型义齿修复末端游离缺失的应力分布比较

目的 通过模块化方式建立套筒冠及可摘局部义齿的三维有限元模型,比较三种修复体的应力分布特点.方法 调用正常牙列模型库编辑建立双侧末端游离缺失的牙列模型,在固定义齿模型库及可摘局部义齿模型库基础上,借助DELL Precision图形工作站,利用UG 5.0、HyperMesh 7.0和Abaqus 6.5软件,建立套筒冠义齿及近中支托和远中支托的可摘局部义齿三维有限元模型,进行有限元力学分析和比较.结果 在套筒冠义齿,基牙牙根及牙周膜、牙槽黏膜和牙槽骨的应力分布均匀,其牙根受力最大值(6.205 Mpa)明显小于其他两种可摘局部义齿设计(分别为18.41 Mpa和34.49 Mpa).结论 采用套筒冠设计修复双侧末端游离缺失病例,具有应力分布均匀,基牙受力较小的优点,有利于基牙及周围组织的健康.