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.     

股骨有限元模型的建立

目的探讨股骨骨折时的理论最佳固定方案,从而指导临床手术。方法基于序列CT断层扫描图像和Mimics软件,建立股骨面的模型和有限元分析模型。结果得到了直观的股骨的面模型和可用于力学分析的股骨有限元模型,并获得了股骨的材质数据。结论 Mimics及有限元分析方法在临床寻找骨折治疗方法方面有着巨大的发展空间。     

股骨生物力学的有限元研究

作为与传统实验生物力学互相验证和互为补充的方法,有限元分析方法正被广泛应用到生物医学的研究中,尤其在骨科生物力学分析中。本文就股骨和股骨骨折内固定物在多种载荷下的应力分布、应变、位移等,及内置物设计的评价和优化等生物力学的有限元法研究进展予以综述。     

人体髋骨的三维有限元模型快速重建方法

目的 实现人体髋骨三维有限元模型的快速重建，使其能应用于生物力学分析，为临床医生研究髋骨的骨折和分析髋骨的生物力学特性提供帮助。方法 通过CT扫描获得髋骨的完整的三维体数据，用体素的方法直接建立有限元单元，并根据像素的灰度值匹配单元的属性。结果 完成了髋骨三维有限元模型的重建，并且根据骨密度对模型中骨的弹性模量进行了精确设定。结论 利用本文的方法能自动、快速地重建髋骨的三维有限元模型，得到的模型能应用于生物力学分析。     

人体全骨盆三维有限元模型的建立与验证

目的建立人体全骨盆的三维有限元模型,提供骨盆生物力学研究的数学模型。方法获取正常成年男性全骨盆包括相邻自第3腰椎、股骨上端1／3处的CT扫描图像,运用ANSYS有限元分析系统,采用直接从原始图片生成单元和节点的方法构建人体全骨盆的三维有限元模型。结果建立了正常人体全骨盆并包含第3腰椎和股骨上1／3段的三维有限元模型,模型由721820单元,207248节点构成。结论建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具。     

人股骨生物力学特征的三维有限元分析

目的 了解股骨头颈部的力学分布以对临床股骨颈骨折治疗进行指导。方法 应用大型有限元分析软件ABAQUS建立人体股骨的三维有限元仿真模型，对该模型进行各种分析。结果 载荷的传导主要通过压力骨小梁和股骨距由股骨颈区传至股骨干的中下1／3处；当外界暴力作用时，应力主要集中在股骨上股，即股骨颈中下段和大小转子处及其之间。结论 股骨颈处的压力骨小梁和股骨距是重要的承载结构，内固定物的放置应循压力骨小梁方向尽量紧贴股骨距钻入；外展肌力的收缩对髋关节有一定的保护作用。     

基于磁共振图像建立踝关节三维有限元模型

目的重建基于正常健康人体、且有高度几何相似性及可进行良好数字化模拟的踝关节三维有限元模型,并进行初步验证分析。方法严格筛选出1名正常发育,排除踝关节畸形、疾患及损伤的青年男性,使用3.0T核磁共振的T1加权3D快速回波序列对其右踝关节进行连续矢状位扫描,将所得图像导入Mimics进行三维重建后,再经过Geomagic Studio二次加工、组装,最终建立包含关节软骨的踝关节三维模型,而后将其导入ANSYS进行模拟分析以验证其有效性。结果与国外相关实验研究数据对比表明,本模型具备高仿真的几何形态和良好的数学求解能力。结论本研究中重建的踝关节三维有限元模型,经验证是一个仿真度高、可靠性好的模型,可以帮助临床工作者和其他相关人员更好地理解踝关节的各种生物力学特性。     

足踝部三维有限元仿真模型的构建及验证

目的:构建并验证足踝部三维有限元仿真模型,为足踝部生物力学研究提供可靠的数字化平台。方法:获取健康受试者的右下肢CT与踝关节MRI数据,综合应用Mimics、Solid Works以及Hyper Mesh三个软件构建3D渲染模型、实体模型以及有限元模型,在ABAQUS软件中对标准站立中期进行仿真分析,与相关文献对比验证模型的有效性。结果:整个模型共由205 203个单元和48 748个节点组成,包含了30块骨骼、113条韧带、各关节软骨以及外围软组织。仿真分析结果:足底压力峰值为0.35MPa,跖骨应力峰值为8.90MPa,距骨、跟骨、骰骨以及舟骨等的应力峰值分别为5.72MPa、7.63MPa、4.79MPa、5.40MPa。分析结果与相关文献数据基本一致。结论:本模型具有良好的生物相似性,各组织结构在仿真分析中均能很好的发挥各自的功能,其有效性得到充分验证,可作为足踝部生物力学研究、模拟各种足踝部损伤以及内固定术式的可靠数字化平台。     

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。     

基于CT图像的人体股骨上段有限元模型的建立

目的 建立人体股骨上段三维有限元模型,从几何上完全忠实于真实的解剖结构,作为今后对股骨进一步有限元分析的基础.方法 采用活体股骨上段为研究对象,应用CT扫描技术获取CT图像资料,运用三维图像重建软件3D-doctor进行图像重建,获取股骨上段三维坐标,输入有限元分析软件Cosmos/M,通过确定材料特性参数和网格化,建立完整的股骨上段三维有限元模型.结果 建立的三维有限元模型几何形状与材料特性还原良好,网格大小可根据研究者的需要在一定范围内自行调整,可以满足有限元分析的需要.结论 采用CT扫描资料建立股骨三维有限元模型切实可靠,可以最大限度地忠实于个性化的解剖结构,且利用这种方法可以更精确地模拟复杂几何形态的实体.     

复杂性腰椎管狭窄症的有限元建模与分析

目的精确建立复杂性腰椎管狭窄症(lumbar spinal stenosis,LSS)的退变腰椎全节段有限元模型,与正常模型进行对比。方法选取复杂性LSS患者采集CT数据,采用专用生物力学软件建立退变腰椎全节段模型,同时构建正常材质和几何形态的腰椎模型,用相同边界条件进行对比分析。结果复杂性LSS腰椎的刚度增加、活动度范围比正常模型要小,特别是后伸工况减少了25.4%。总体上,退变腰椎的应力有增大趋势,退变节段椎间盘L4～L5和邻近上位椎间盘L3～L4的终板、髓核和和维环基质应力分布趋向四周边缘集中,特别是基质应力最大增加129%。结论复杂性腰椎管狭窄症的腰椎有限元模型的活动度减少、刚度增加,退变椎间盘四周出现应力集中,促进邻近椎间盘退变。     

股骨三维有限元快速建模及骨密度值求解的初步研究

运行Ansys命令流文件快速建立股骨三维有限元模型,完成股骨骨密度值的精确求解并进行验证。方法对12侧完整的新鲜成人尸体股骨标本,采用真实测量方法(真实测量组)与有限元分析方法(有限元分析组)测量骨密度值。有限元分析组进行高速薄层CT扫描、Mask文件编辑、初步三维重建、表面光滑处理、输出股骨三维模型、运行Ansys命令流文件1完成网格划分,在Mimics中对股骨三维模型赋予材料属性,完成有限元建模、分析,运行Ansys命令流文件2及文件3,读取体单元的数值及体积,在Excel中完成体单元的体积统计,与相应的密度值的乘积即为各材料属性的质量,从Mimics中直接读取三维模型的体积,求得骨密度值。真实测量组将股骨标本以电子天平精确称重后计算真实骨密度值。2组骨密度值的数据进行单因素方差分析。结果快速完成了12侧股骨标本有限元建模并完成简易的有限元分析;2组骨密度值比较差异无统计学意义(P=0.447)。结论使用Ansys命令流文件的方法可以提高有限元建模的效率;在完成有限元建模的同时可获取精确的骨密度值。     

脊柱胸腰段三维有限元模型的建立与验证

目的：建立正常脊柱胸腰段三维有限元模型并验证其有效性。方法：选择一位健康成人志愿者,通过CT扫描获得胸腰段数据,Mimics 10．01软件生成T12-L2椎骨三维模型,Geomagic 11．0、UG7．0生成三维实体模型,Hy—permesh10．0划分网格,并建立椎间盘、韧带等结构,Abaqus6．9．1加载求值,施加500N垂直压缩力,7．5Nm的前屈、后伸、左右侧屈及左右轴向旋转力矩,分三个载荷步（2．5、5．0和7．5Nm）施加,观察T12-L2节段运动范围。结果：建立了正常人胸腰段三维有限元模型,整个模型共90014个单元,158684个节点。对模型进行前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转作用,T12-L2节段的力矩-旋转角度曲线与文献体外实验数据基本吻合。结论：本实验建立的正常脊柱胸腰段三维有限元模型有效,可进行进一步的生物力学实验研究。     

Forsus矫治力前导下颌有限元仿真及最佳施力角度探讨

目的 研究在Forsus矫治力作用下下颌骨的应力分布情况和位移分布情况,探讨最佳的施力角度,为临床设计新的矫治器提供生物力学基础.方法 选择临床恒牙(牙合)安氏Ⅱ类远中错(牙合)志愿者,运用螺旋CT扫描技术及三维影像技术完成初步重建,利用Abaqus软件建立下颌骨、牙列和弓丝托槽的三维有限元模型,并在此基础上模拟临床Forsus施力部位加载,并设计了 5种不同的计算工况.结果 在5种工况下,弓丝托槽和牙列上的Von Mises等效应力水平相对于下颌骨较高,最大应力出现在弓丝托槽.下颌骨上的应力集中主要位于髁突颈和牙槽嵴部位,下颌骨上最大的Von Mi-ses等效应力出现在髁突颈处,下颌骨最大的位移都基本出现在颏部,髁突颈局部发生了塑性变形.结论 Forsus矫治力的加载角度最好为0°～25°.     

基于CT灰度赋值的有限元模型建立及其在截骨矫形中的应用

目的探索一种新的有限元建模方法以解决传统建模方法在截骨矫形应用中难以实现原位CT灰度材料赋值的问题。方 法采用CT薄层扫描方式采集1例胫骨外旋扭转畸形的成人断层影像数据,利用Mimics软件对采集的胫骨CT数据进行三维重 建并生成实体模型,结合CAD软件设计截骨矫形定位轴线、旋转角度及参考平面并模拟截骨,将截骨后胫骨模型各部导入有限 元前处理软件中行网格划分并输出,重新在Mimics软件中输入CT图像的灰度-材料赋值关系公式,分别对网格模型进行非均 匀赋值并得到胫骨各部分的赋值模型,最后将各部分模型连同参考轴、参考平面再次在前处理软件中完成截骨后的装配组合, 得到截骨后完整的胫骨有限元模型,并提交模型到有限元求解器完成计算。结果采用本方法建立的胫骨截骨矫形模型同样具 备基于CT灰度的非均匀材料属性,并可用于截骨术后结构的有限元分析。结论本研究提出的有限元建模方法既保留了基于 CT灰度的材料赋值方法的准确性,又能解决传统赋值方法难以实现的骨骼模型部件之间空间变换问题,从而为矫形外科提供 高效、灵活和准确的计算力学分析手段。     

胸腰椎骨折三维有限元模型构建的研究进展

有限元作为一种应力分析方法被广泛应用于骨科及其他医学领域,利用三维有限元建立胸腰椎骨折模型对各种形式的植入物进行力学分析也得到越来越广泛的应用。本文对胸腰椎骨折三维有限元模型构建进行分类总结和评价,并对其未来发展进行了展望。     

下腰椎的三维有限元分析

目的为研究下腰椎活动提供三维有限元力学模型。方法选取成年男性的下腰椎典型CT影像,建立几何模型后利用有限元划分和分析软件建立有限元模型,设定边界条件并加载负荷,记录下腰椎在前屈、后伸、侧屈和轴向旋转等不同工况下的运动范围和应力分布。结果建立的下腰椎三维有限元模型中4面体单元总数为114953。模型在各工况下的运动范围与体外生物力学试验所测定的结果比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论建立的下腰椎三维有限元模型能够模拟下腰椎的生理活动,可用于进一步的研究。     

舞蹈演员跖趾关节炎发生机制的有限元分析

目的??通过构建 3 个不同角度的全足三维有限元模型,施加重力模拟舞蹈演员踮脚站立的工况,以 此探究舞蹈演员多发跖趾关节炎的生物力学机制。方法??利用石膏托固定研究对象的足踝关节后拍摄全足 CT图像,构建出包括骨与足周围软组织及关节韧带的全足三维有限元模型,并对模型设定边界条件、施加载负并进行应力分析, 研究舞蹈演员踮脚站立时的全足应力分布情况。结果??分别建立中立位, 跖屈 20°, 跖屈 40°的全足三维有限元模型, 施加载负后有限元分析的结果表明, 站立平衡时随着踮脚角度的增加, 前足应力向跖趾关节集中,其中第 2、3 足趾的应力变化最大,第 2 跖骨的最大应力值从 4.77?MPa 增加到 34.61?MPa,第 2 近节趾骨的最大应力值从 2.38?MPa 增加到 166.40?MPa, 第 3 跖骨的最大应力值从 4.53MPa 增加到 30.21?MPa, 第 3 近节趾骨的最大应力值从 2.19?MPa 增加到 157.80?MPa。结论??舞蹈演员踮脚站立时的角度越大,第 2 和第 3 跖趾关节附近应力值迅速增大, 长时间的踮脚站立很容易造成跖趾关节炎, 引发前足疼痛。