人体左心室三维有限元模型构建及流-固耦合动力学分析

有限元分析是研究心血管动力学问题的重要手段。本文基于中国数字人体心脏断层解剖图像,采用Visu-al C++可视化工具包对心脏外形及内腔结构进行三维重建,进一步基于结构模型构建了左心室、血液耦合有限元模型。在通用有限元分析软件ANSYS环境下使用双向流-固耦合方法对心脏灌注期心室壁受力与血液流动过程进行了动力学仿真。仿真结果成功实现了对心脏灌注期心室两阶段充盈过程中室壁应力与血液流体动态特性的定量分析。本研究提供了一种基于二维医学图像信息构建心室有限元模型,并进行心室血液流体力学模拟的新方法,为心脏生理及病理过程的定量有限元分析提供了一套可行的技术方案。     

两种非解剖复位内固定Pauwels Ⅲ型头下型股骨颈骨折的有限元分析

目的通过三维有限元法对"阳性支撑"和"阴性支撑"两种非解剖复位内固定Pauwels Ⅲ型头下型股骨颈骨折进行生物力学比较,并为临床应用提供理论参考。方法将25岁男性青年健康股骨CT数据及PH螺钉数据导入相关软件,分别建立Pauwels Ⅲ型头下型股骨颈骨折的"阳性支撑"和"阴性支撑"两种非解剖复位三维模型,再通过PH螺钉系统行内固定。应用有限元分析法在相同加载和约束条件下模拟"单腿站立"、"行走"两种工况。评价和比较"阳性支撑"组和"阴性支撑"组骨折端最大位移、股骨最大应变、内固定最大应力等指标。结果在两种工况下,骨折端最大位移"阳性支撑"组和"阴性支撑"组在"单腿站立"、"行走"两种工况下分别为0.87 mm和1.38 mm,股骨最大应变分别为1.27 mm和1.98 mm,1.77e~(-2)和2.47e~(-2),1.89e~(-2)和2.12e~(-2),内固定最大应力分别为304.47 Mpa和359.03 Mpa,362.24Mpa和391.52 Mpa。结论本研究通过有限元分析方法证实了Yechiel Gotfried复位理论适用于Pauwels Ⅲ型头下型股骨颈骨折该型骨折,"阳性支撑"复位较"阴性支撑"复位具有生物力学优势。     

成人CT血管成像静脉窦解剖研究及应用

目的　利用64排螺旋CT研究静脉窦影像解剖,为入颅手术设计提供解剖学资料。 方法 回顾重组105例64排螺旋CT头部CTA检查患者的静脉窦影像,测量上矢状窦、横窦、乙状窦大小以及观察其与颅骨的关系。 结果　上矢状窦走行于冠状缝下方。上矢状窦后段与人字点-枕骨隆突连线的对应关系以偏右型最多见,偏右型与右侧优势引流有关。窦汇中心左右偏移与SSS末端偏离一致。右侧TS、TSST、SS大于左侧。随着TSST、SS增大,静脉窦与颅骨或乳突表面、外耳道距离越小。 结论　头部CTA术前检查结合图像融合技术,可获得静脉窦解剖特征,以便指导开颅手术入路设计。     

儿童股骨近端解剖钢板生物力学及三维有限元分析

背景：以往的三维有限元研究多集中在成人骨科生物力学方面。 目的：以三维有限元方法分析儿童股骨近端解剖钢板固定股骨转子下骨折的生物力学性能。 方法：从6具儿童尸体上取股骨12根,X射线排除骨病后分为2组,实验组采用儿童股骨近端解剖钢板固定,对照组采用重建钢板固定。分别进行生物力学实验,测试其轴向压缩、扭转刚度、弯曲刚度。选取1名健康男性儿童进行螺旋CT扫描技术,获得股骨近端图像数据,建立儿童股骨近端三维有限元模型,并进行三维有限元力学分析。 结果与结论：在轴向压缩刚度、扭转刚度上儿童股骨近端解剖钢板与重建钢板两者比较差异无显著性意义(P > 0.05);在抗弯曲刚度上,两者相比差异有显著性意义(P < 0.05)。结果显示儿童股骨近端解剖钢板的抗压能力、抗扭能力上与重建钢板相当,而在抗弯曲能力上强于重建钢板。生物力学三维有限元分析显示儿童股骨近端解剖型钢板的设计符合生物力学原理,具有较好的强度、刚度和稳定性,能够满足对儿童股骨近端骨折固定的需要。儿童股骨近端解剖型钢板对固定股骨转子下骨折具有良好的生物力学性能。     

轻度青少年特发性脊柱侧凸有限元模型构建及分析

目的　构建轻度青少年特发性脊柱侧凸患者的有限元模型,验证该模型的有效性,并进行有限元分析。 方法　建立1例轻度青少年特发性脊柱侧凸患者第6颈椎至第5腰椎的有限元模型,从几何形态及力学两方面对该模型进行有效性验证。分析该有限元模型在模拟前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6种运动状态下,各椎体的应力变化。 结果　成功构建了轻度青少年特发性脊柱侧凸患者的有限元模型,模型总节点数为2561811个,总单元数为1547806个,并验证了该模型有效。模拟后伸、旋转活动时,畸形最明显处的椎体应力变化趋势与静态时相反。 结论　本实验所构建的轻度青少年特发性脊柱侧凸有限元模型有效,可进一步用于该疾病的相关研究。     

基于冷冻切片的人体腰椎三维有限元模型

目的利用上海交通大学生命质量与机械工程研究所自主开发的冷冻切片处理软件CryoSegmemation提取人体骨骼的边缘,利用逆向工程软件Imageware建立骨骼的面模型,在ANSYS中建立人体腰椎的三维有限元模型。方法利用第三军医大学的第一例男性冷冻切片数据进行图像处理,截面轮廓线信息处理。结果准确快速地建立了完全符合人体解剖特征的腰椎三维有限元模型。结论利用该研究所自主开发的冷冻切片软件和一些现有的商用软件可以准确、快速地建立人体腰椎的三维面模型、体模型及有限元模型,为航空、车辆、船舶、生物医学工程等不同的领域进行数值模拟计算和动力学仿真提供完全符合人体解剖学特征的原始模型。     

基于三维有限元模型的人体全腰椎振动特性研究

振动暴露被认为是诱发腰椎退行性病变和下腰痛的重要原因,本研究旨在探寻振动载荷对腰椎生物力学的影响。基于人体腰椎L1节段至骨盆(L1-pelvis)的CT扫描数据,重构L1-Pelvis三维几何模型。对该几何模型进行网格划分和材料特性赋值,建立L1-Pelvis三维有限元模型,并利用可获得的实验数据对模型的有效性进行验证。基于该有限元模型,通过瞬时动态分析计算出腰椎各运动节段在幅值40 N,频率5 Hz轴向正弦振动载荷作用下的力学响应,并与-40 N和+40 N轴向静态载荷作用下的结果进行对比,响应参数包括椎体轴向位移、纤维环膨出变形和纤维环基质冯·米塞斯应力。研究结果表明,相比于静态载荷,振动载荷下腰椎各运动节段的椎体轴向位移、纤维环膨出变形、纤维环基质冯·米塞斯应力的幅值分别增加了0.550～1.020 mm、0.124～0.251 mm、0.043～0.099 MPa,最大增幅分别可达195.0%、175.7%、151.4%。从量化角度说明振动载荷下腰椎发生损伤的风险更高。     

人体大脑数字化解剖模型的构建及可视化

目的构建人体大脑数字化解剖模型,为实现大脑的计算机精确模拟提供可操作的基础平台,为人体大脑功能研究提供解剖学框架。方法采用低温冷冻铣切技术采集人体大脑的横断面图像,用课题组自行开发的软件,将分割提取后的脑断面图像进行重建,建立大脑三维模型。用与香港中文大学合作开发的可视化软件,在三维空间上对人体大脑结构进行可视化研究。结果建立了以前后连合间线中点为原点的大脑三维模型,且模型上每一像素都有相应的解剖标识,其任意一点的坐标均能显示;大脑的三维模型可以任意切割显示大脑内部结构：重构后的大脑结构还可进行三维测量。结论大脑数字化模型建立在临床常用的三维空间坐标系中且模型上每一像素都有相应的解剖标识,为模型驱动分割算法的研究提供了模板,同时也为神经解剖教学提供了一种新的、直观的手段。具有明确解剖标识和量化空间信息的数字化人大脑模型,与坐标系统联系起来,还为人大脑各类图像配准提供了公共参考系统。     

颞叶基底桥静脉解剖的三维虚拟现实技术研究及临床应用

目的　评估三维虚拟现实技术显示颞叶基底桥静脉与实际解剖的差异及其在横跨颅中、后窝肿瘤手术中的应用。 方法　20具尸头标本和25例颅中、后窝肿瘤患者分别分成实际解剖组和虚拟解剖组。虚拟解剖组头颅MRA、CTA等在工作站融合后,虚拟环境下解剖颞叶基底桥静脉,而实际解剖组在显微镜下解剖,比较两组静脉数目、形态和Labbé静脉类型。 结果 颞叶基底桥静脉有4型。实际解剖组：静脉湖型17.5%,烛台型40%,单根型20%,多根型22.5%;虚拟解剖组：静脉湖型16%,烛台型42%,单根型18%,多根型24%。实际解剖组静脉属支213根,87汇入点;而虚拟解剖组分别为167属支,81汇入点。颞叶基底桥静脉汇入点分布：实际解剖组横窦区域52.87%,小脑幕区域24.13%,岩上窦区域23.0%;虚拟解剖组横窦区域54.35%,小脑幕区域23.91%,岩上窦区域23.10%。 结论 虚拟现实技术可以精确显示颞叶基底桥静脉的解剖特点,为颅中、后窝骑跨肿瘤手术入路选择提供合理依据。     

三维有限元头颅模型参数及边界条件研究

目的 确定三维有限元模型材料阻尼参数，实现寰枕关节模拟。方法 对不同材料阻尼参数下的模型进行冲击载荷加载，分析比较计算后不同材料阻尼下颅骨应力一时间曲线形态，确定模型采用的材料阻尼参数值。应用弹簧单元模拟寰枕关节，比较模拟前后，模型在冲击载荷下颅骨应力，确定弹簧单元参数。结果 不同颅骨材料阻尼条件下，额部冲击区域颅骨节点的von Mises应力曲线均无第2峰值，应力峰值随阻尼增大而逐渐降低，峰值出现时间后移，枕部颅骨节点应力曲线在冲击后期应力下降趋势更显著，在0．001—0．004之间颅骨应力曲线形态最佳。模拟寰枕关节，弹簧单元采用颅骨材料参数，在X、Y轴方向弹簧弹性系数10N／mm，Z轴方向的为20N／mm，颅骨应力曲线后期可下降。结论 颅骨线弹性材料阻尼系数对模型颅骨应力响应有显著影响。模型脑组织应力主要受颅骨应力的影响。采用三维弹簧单元模拟寰枕关节可降低模型颅骨应力，模拟寰枕关节对模型颅骨应力的影响较颅骨材料阻尼系数的影响小。     

Haemodynamic determinants of the mitral valve closure sound: A finite element study

Automatic acoustic classification and diagnosis of mitral valve disease remain outstanding biomedical problems. Although considerable attention has been given to the evolution of signal processing techniques, the mechanics of the first heart sound generation has been largely overlooked. In this study, the haemodynamic determinants of the first heart sound were examined in a computational model. Specifically, the relationship of the transvalvular pressure and its maximum derivative to the time-frequency content of the acoustic pressure was examined. To model the transient vibrations of the mitral valve apparatus bathed in a blood medium, a dynamic, non-linear, fluid-coupled finite element model of the mitral valve leaflets and chordae tendinae was constructed. It was found that the root mean squared (RMS) acoustic pressure varied linearly (r²=0.99) from 0.010 to 0.259 mm Hg, following an increase in maximum dP/dt from 415 to 12470 mm Hg s⁻¹. Over that same range, peak frequency varied non-linearly from 59.6 to 88.1 Hz. An increase in left-ventricular pressure at coaptation from 22.5 to 58.5 mm Hg resulted in a linear (r²=0.91) rise in RMS acoustic pressure from 0.017 to 1.41 mm Hg. This rise in transmitral pressure was accompanied by a non-linear rise in peak frequency from 63.5 to 74.1 Hz. The relationship between the transvalvular pressure and its derivative and the time-frequency content of the first heart sound has been examined comprehensively in a computational model for the first time. Results suggest that classification schemes should embed both of these variables for more accurate classification.     

提拉旋转斜扳法操作时腰椎椎间盘应力及应变的有限元研究

目的　通过有限元分析方法,观察提拉旋转斜扳法操作时椎间盘应力及应变发生的变化规律,探寻手法治疗腰椎疾患的科学性和安全性。 方法　在构建的L4~5节段腰椎模型上模拟加载提拉旋转斜扳手法,观察手法作用过程中椎间盘应力的分布及变化,髓核及纤维环的位移及应变。 结果　椎间盘应力变化从右后方开始出现,以弧形向周围传递扩散,应力的变化呈递减分布。椎间盘应变最小的位置在髓核偏后,以此为中心呈圆弧状向周围递增。应变最大的位置主要发生于纤维环,特别是椎间盘右侧外缘。 结论　手法操作中应力主要集中于后侧关节突关节,椎间盘的应力变化相对较小,提示手法治疗是安全的。纤维环后外侧在操作中有较明显的应变,局部的位移变化可能是手法疗效的机制之一。     

冠脉支架系统瞬时膨胀过程的有限元分析及其优化设计

经皮穿刺冠脉支架技术已成为治疗冠心病的有效手段，在实践该技术过程中，球囊与支架的配套情况和支架的设计影响着支架瞬时膨胀的效果，球囊／支架系统在病变处的瞬时非均匀膨胀，即Dogboning现象，是造成支架端部急性动脉损伤的主要原因之一。这种损伤与支架内再狭窄(in-stent restenosis)有着密切的联系。为减少这种损伤，降低支架植入再狭窄率。本研究利用有限元技术对六组不同搭配的球囊／支架系统的瞬时膨胀情况进行了对比分析。结果表明，在球囊、支架的搭配中，减小球囊有效长度的过盈量和增加支架端部支撑体的筋宽，这两种方法共同作用，可以有效抑制球囊／支架系统在瞬时膨胀过程中的Dogboning现象。验证实验与模拟结果比较吻合，说明有限元法可以胜任球囊／支架的优化设计工作。     

下胸段单钉T11~12镍钛合金弹性内固定系统有限元分析及临床意义

目的　建立T11~12前路病灶清除植骨+单钉单棒镍钛合金弹性固定系统三维有限元模型,分析弹性固定系统所受应力对其进行改进。 方法 对一名成年男性进行螺旋CT扫描,将所得数据导入计算机,通过Mimics13.0软件和Ansys11.0有限元软件建立T11~12前路病灶清除植骨+单钉单棒镍钛合金弹性固定系统三维有限元模型,并在椎体上表面施加500 N压力和10 Nm的力矩模拟腰椎前屈、后伸、侧屈和旋转4种生理载荷,观察不同载荷下固定器械的应力分布,并对其进行比较。 结果 单钉单棒弹性固定系统在用于侧前方固定时,其下位螺钉根部与“U”形棒中段承受应力始终较大,而螺钉的中部与“U”形棒的上部则较小。螺钉根部在4种运动状态下,旋转运动加载的应力最大,而侧弯运动时最小,“U”型棒中部在4种运动状态下应力均较大。但均小于镍钛合金的屈服强度。 结论 T11~12运动节段前路椎间植骨单钉单棒弹性固定患者在正常运动状态下不会由于定械某部位应力过高而导致断钉断棒。     

趾足底固有动脉趾端动脉弓及其分支的显微解剖

目的　解剖观测趾足底固有动脉趾端动脉弓及其分支的解剖学特点。 方法　选取新鲜成人足标本8只,分别经足背动脉灌注红色乳胶,对第2趾趾足底固有动脉进行显微解剖,观察趾足底固有动脉弓的出现概率,位置及其口径,趾端动脉弓发出的弓上动脉的起始部位,走行方向,分支数目及血管口径情况。 结果　第2趾趾足底固有动脉趾端动脉弓恒定,动脉弓的外径为0.5~0.8 mm,平均外径为0.64 mm,动脉弓距趾端的距离为9.5~13.0 mm,平均为11.1 mm。动脉弓上发出5支恒定的分支,即趾端弓上动脉,我们将其命名为第1~5支趾端弓上动脉（由胫侧至腓侧）。 结论 第2趾趾端动脉弓及其发出的弓上动脉解剖恒定,可以采用弓上动脉为蒂的微型轴型皮瓣改善第2足趾再造后外形。     

三维有限元模型力学分析可预测视乳头的形状变化

背景：视乳头形状变化的准确测量及预测是青光眼的早期诊断及病程预测的关键,因此高眼压下视乳头形状的测量与分析具有重要意义。 目的：建立视乳头三维有限元模型,并分析急性高眼压下视乳头形状及视网膜厚度的变化。 方法：利用前房灌注的方法建立急性高眼压动物模型,利用光相干断层扫描仪获得猫在正常眼压及5 320,    7 980,10 640,13 300,15 960 Pa眼压时的断层图片,测量视网膜特征点处厚度的变化;基于正常眼压猫眼视乳头的断层数据,利用MIMICS软件获得视网膜及脉络膜的三维结构,并进行组装获得视乳头三维模型;利用有限元软件ABAQUS分析高眼压状态下视乳头的形状变化及视网膜厚度变化,并与实验测试结果进行比较。 结果与结论：随着眼压的升高,发现视网膜厚度逐渐变薄,视乳头深度及视乳头宽度均逐渐增加,视乳头宽度与深度的比值也逐渐增加。提示急性高眼压导致视网膜变薄,视乳头宽度增大,视乳头深度增大。结果证明,利用光学相干断层扫描仪进行活体视乳头建模和分析是可行的,力学分析可预测视乳头的形状变化,对进一步确定青光眼的病理进程有一定的指导意义。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程全文链接：     

两种颌间牵引对下颌骨微种植体及周围影响的三维有限元分析

背景：有限元分析能够模拟正畸治疗方法,并对模型进行生物力学分析,此方法被认为是一种重要的、新的正畸生物力学分析方法。 目的：以三维有限元方法分析下颌骨微种植体及周围牙齿在颌间Ⅱ类、Ⅲ类牵引状况下的应力分布。   方法：选择一个牙列完整(无第三磨牙),咬合关系正常,后牙中性颌,无任何颞下颌关节紊乱症状和体征及病变的成年女性志愿者,24岁。采用螺旋CT对志愿者行闭口位头颅CT断层扫描,应用Ansys多种软件结合的方法,建立颞下颌关节、下颌骨及下颌牙列、微种植体的三维有限元模型,模拟临床颌间Ⅱ类、Ⅲ类牵引对微种植体及周围牙齿应力的影响,并对其进行分析。根据方向分别加载,力值为1 N。 结果与结论：①所建三维有限元模型具有较好的几何相似性。②颌间Ⅱ类牵引：种植钉在上颌在尖牙和第一前磨牙之间,下颌在第二前磨牙和第一磨牙之间。第一磨牙应力分布大于第二前磨牙,但第二前磨牙牙周膜应力分布大于第一磨牙牙周膜。③颌间Ⅲ类牵引：种植钉在上颌在第二前磨牙和第一磨牙之间,下颌在尖牙和第一前磨牙之间。下颌尖牙及其牙周膜应力分布大于下颌第一前磨牙。④微种植体及周围牙齿在进行颌间牵引时应力分布变化微小。     

颈椎前路微型记忆加压合金板的有限元分析

目的 评估微型记忆加压合金板在前路颈椎椎间盘切除融合术中置入后的生物力学性能,为该内植物的临床应用、术后护理及后续实验研究与改进提供依据。 方法 随机选择一名健康成年女性志愿者,建立C5、C6颈椎-微型记忆加压合金板三维有限元模型,对各工况下内植物上应力集中区域的应力分布情况进行比较分析。 结果 中立位时,该内植物上分布的应力相对较为均匀且应力值较小;前屈状态时,各个区域的平均应力相对其余工况均为最大,最大平均应力位于区域6即下钩部分,为（45.89±5.32）MPa;后伸状态时,区域1、2、3、4即加压部件的应力分布较为均匀（P>0.05）;侧屈工况下,该内植物整体应力分布不均,屈侧平均应力远大于伸侧（P<0.05）;旋转工况下,应力在旋转对侧上部与同侧下部较为集中,左旋转时分别为（23.66±6.24）MPa和（23.62±7.07）MPa,右旋转时分别为（24.16±5.42）MPa和（24.58±5.30）MPa。除中立位外,在其余六种工况下,置入椎体内部的上下钩固定部分受到的应力均较大。 结论 颈前植入该微型记忆加压合金板后,应减少做前屈动作,避免过于频繁或过于激烈的侧屈、旋转动作,保持中立位最为稳妥。在后续研究及改良过程中,可考虑加强内植物上下钩的固定强度。     

心肌桥壁冠状动脉血液动力学数值模拟

目的数值模拟心肌桥壁冠状动脉血液动力学,探索心肌桥壁冠状动脉近心端易发生动脉粥样硬化的血液动力学机理。方法建立随心搏运动的局部狭窄直圆管模型模拟心肌桥壁冠状动脉形态学,管壁为薄壁线弹性体,血流遵循不可压缩牛顿流体的一维管流方程组,用Lax-Wendroff方法数值求解。结果心肌桥壁冠状动脉血液动力学与正常冠状动脉血液动力学相比有很大差异,血流量#壁切应力和壁切应力梯度均不同。在心肌桥壁冠状动脉中,近心端壁切应力及壁切应力梯度的变化要远大于远心端。对于有两段心肌桥的情况,它们的壁切应力和壁切应力梯度变化趋势基本一致,但距心室较远的心肌桥,其壁切应力和壁切应力梯度要大于靠近心室的那段心肌桥,且随时间的变化程度也更剧烈。结论数值模拟结果表明,心肌桥壁冠状动脉血液动力学不同于正常冠状动脉血液动力学,近心端壁切应力及壁切应力梯度的变化要远大于远心端,从而对动脉管内皮细胞产生重要影响,这可能是心肌桥壁冠状动脉近心端易发生动脉粥样硬化的血液动力学机理。     

上颌第一磨牙弯曲牙根生物组织应力的三维有限元分析

背景：根据弯根牙牙周膜应力分布为口腔临床工作者提供正畸施力的方式和大小,以此来优化正畸力系统设计。 目的：探讨上颌第一磨牙弯曲牙根受到正畸力作用下牙根及牙周膜的应力分布情况。 方法：选用正常形态和牙根弯曲的上颌第一磨牙作为建模素材,应用CT机扫描,ANSYS Workbench 11.0 有限元分析软件建立上颌第一磨牙及其牙周膜的有限元模型,应用6种不同载荷方式对模型进行加载,分析其应力分布情况。 结果与结论：弯根牙应力集中区主要在牙颈部,其次是根尖部,牙齿在做整体移动时其牙根、牙周膜、牙槽骨应力最小。对于弯根牙的矫治需要更准确的定位以及更合理的牵引力。