骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及其临床意义

目的:对模仿站立及坐位两种状态对骨盆髋臼加载后进行三维有限元模型力学分析,观察相关力学参数变化。方法:①湿髋臼标本模型来源于解放军第二军医大学解剖学教研室。髋臼:对一具成年湿骨盆尸体标本行CT扫描成像得到每层横截面图像,提取边界坐标,利用有限元分析软件ANSYS5.6构建髋臼三维模型,并划分为121239个结点、112491个单元。同时将骶髂关节和耻骨联合部位锁定,模仿站立位对髋臼加载,力的方向按股骨颈力线方向,大小为400N(约80kg体质量一半)。分析加载后髋臼的三维力场分布。②骨盆模型:2004-08从自愿者中随机选取正常成年男性,然后行CT扫描。CT扫描范围从第3腰椎至坐骨结节,将扫描后图像用ANSYS5.6软件构建正常骨盆模型,并划分为356710个单元格。固定好正常骨盆模型的两侧坐骨结节,模仿坐位对骨盆加载,于腰椎上施加一竖直向下的力,大小为500N,方向与Z轴相反,通过有限元分析计算获取应力分布图像。结果:①髋臼三维有限元模型模仿站立位加载后在耻骨支、坐骨支、方区部、骶髂关节部、髋臼后壁部有较高应力出现,单元结构所受到的平均等效应力为(11.578～23.437)MPa。②骨盆三维有限元模型模仿坐位加载后在骶髂关节及坐骨结节部有较高应力出现,单元结构所受到的平均等效应力为(15.734～20.286)MPa。结论:实验结论提示,骨盆髋臼骨折的内固定应强调以满足术后早期卧床功能训练为目的的有效内固定,避免早期负重。     

骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及其临床意义

目的：对模仿站立及坐位两种状态对骨盆髋臼加载后进行三维有限元模型力学分析，观察相关力学参数变化。 方法：①湿髋臼标本模型来源于解放军第二军医大学解剖学教研室。髋臼：对一具成年湿骨盆尸体标本行CT扫描成像得到每层横截面图像，提取边界坐标，利用有限元分析软件ANSYS5．6构建髋臼三维模型，并划分为121 239个结点、112 491个单元。同时将骶髂关节和耻骨联合部位锁定，模仿站立位对髋臼加载，力的方向按股骨颈力线方向．大小为400N（约80kg体质量一半）。分析加载后髋臼的三维力场分布。②骨盆模型：2004-08从自愿者中随机选取正常成年男性，然后行CT扫描。CT扫描范围从第3腰椎至坐骨结节，将扫描后图像用ANSYS5．6软件构建正常骨盆模型，并划分为356 710个单元格。固定好正常骨盆模型的两侧坐骨结节，模仿坐位对骨盆加载，于腰椎上施加一竖直向下的力，大小为500N，方向与Z轴相反，通过有限元分析计算获取应力分布图像。 结果：①髋臼三维有限元模型模仿站立位加载后在耻骨支、坐骨支、方区部、骶髂关节部、髋臼后壁部有较高应力出现，单元结构所受到的平均等效应力为（11．578-23．437）MPa。②骨盆三维有限元模型模仿坐位加载后在骶髂关节及坐骨结节部有较高应力出现，单元结构所受到的平均等效应力为（15．734-20．286）MPa。 结论：实验结论提示，骨盆髋臼骨折的内固定应强调以满足术后早期卧床功能训练为目的的有效内固定，避免早期负重。     

基于CT及逆向工程软件构建正常人体骨盆三维有限元模型

背景：骨盆是人体骨骼中形态及结构最复杂的部分,许多学者一直致力于其生物力学的研究。由于骨盆形状极其不规则,所附着肌肉及韧带解剖结构复杂,建立精确的包含主要肌肉及人韧带的骨盆有限元模型十分困难。 目的：建立正常成年人骨盆的三维有限元模型,为后续骨盆的生物力学分析提供数字模型。 方法：采集健康成年男性志愿者的骨盆CT数据,将DICOM格式的CT图像导入医学影像三维重建软件Mimics 10.0进行图像的分割及三维重建,将导出文件导入逆向工程软件Geomagic studio 11中对图像进行曲面化处理,建立曲面模型,使其更加光顺,将生成的曲面模型导入有限元分析软件Ansys 14.0中进行有限元网格划分。 结果与结论：建立了正常成年人骨盆的三维有限元模型,总单元数为818294个,总节点数为149290个。课题基于健康成年男性志愿者的骨盆 CT 图像建立骨盆有限元模型,所得的模型精确度高、逼真、具有良好的解剖及几何相似性,可为下一步骨盆的生物力学分析提供基础。     

髋臼发育不良者全髋置换中置入不同直径髋臼杯的力学分析

背景：成人髋臼发育不良髋臼小而浅,臼内有大量骨痂和瘢痕组织等都为人工髋关节置换臼杯安装带来极大困难。臼杯安装后局部的力学变化关系到置换后假体松动的发生及使用寿命。 目的：利用三维有限元力学分析方法,对髋关节发育不良患者采用不同直径臼杯置入,观察对髋臼假体-骨界面间应力分布情况的影响。 方法：选取髋关节发育不良患者的骨盆为试验对象,用螺旋 CT 做全长连续扫描,然后利用计算机仿真技术对 CT 图像进行三维重建,建立髋关节发育不良骨盆模型。在计算机环境中对重建模型进行不同直径臼杯置入的模拟手术,利用有限元分析软件对重建模型进行有限元网格化及力学分析。 结果与结论：对于髋臼发育不良的病例,选择小直径臼杯可应对髋臼浅平、骨床骨量不足的缺陷而达到较好的臼杯骨床包容,但臼杯直径小致接触面小使单位面积应力升高;另一方面,大直径臼杯置入扩大磨锉髋臼骨床可引起髋内壁破损突破,导致应力（包括压应力及剪切力）增大及集中。由此推断,髋臼发育不良全髋关节置换时应在保证骨床包容的前提下选择较大直径的臼杯,有利于应力的良好分布,但应尽量避免或减少扩大磨锉髋臼骨床所致髋臼内壁的穿破。     

基于激光快速成型技术正常步态下骨盆应力分布的三维光弹分析

背景:三维有限元技术是对应力真实情况的数字模拟,光弹技术可以真实显示测试模型的整体应力分布.目的:使用激光快速成型技术制备骨盆光弹模型,以三维光弹法研究正常步态下髋臼区域的应力分布特征并与使用有限元法获得的数据进行比较.方法:使用激光快速成型技术制备骨盆光弹模型,包括第5腰椎及双侧股骨近端.在股骨上施加体质量负荷,通过固定在髂骨翼前部髂前上棘髂后上棘及耻骨下支的钢丝施加负荷模拟4组肌群,假定股骨内收15°,支撑相4个子步态股骨从屈曲22°到后伸12°.应力冻结后,沿弓状线切片.在偏振光场中观察等差线及等倾线.结果与结论:①应力集中点位于髂骨中部、髋臼后上、髂耻联合及骶髂关节部位,其中最大应力产生在髋臼后上部.②主应力从从臼顶后上部位向骶髂关节传递,同时部分向耻骨上支传递.随着股骨后伸的加大,臼顶至髂结节区域的应力逐步加大.③髋臼区域的应力主要来源于体质量负荷产生的头臼作用力,肌肉收缩力的作用有限.结果提示,采用三维光弹法可直观全场反映髋臼区域应力分布特征,与既往有限元实验产生的结果基本相符.     

垂直载荷作用下骨盆的三维有限元分析

背景：目前对骨盆的力学分析还处于极其粗糙阶段，而有限元法因其具有不受样本量限制，实验误差小，重复性好等优点，正日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。 目的：建立正常骨盆的三维有限元模型，分析骨盆在垂直载荷作用下的应力／应变和位移分布。 设计、时间及地点：三维有限元分析，单一样本观察。于200703／09在南方医科大学生物力学实验室完成。 材料：健康成年男性志愿者1例进行PET—CT扫描，层厚1FfLrn，得N-维原始图像以DICOM格式输出。 方法：应用Mimics、Freeform、ANSYS等软件进行三维重建，并建立正常骨盆的有限元模型。模拟人体双腿直立位的生理姿势，对模型施加500N轴向载荷。具体方式为约束双侧靛臼，向骶骨椎体上表面垂直加压，压力均匀分布于各个结点。 主要观察指标：计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。 结果：垂直加载500N载荷于骶骨上表面时，应力经两侧骶骨翼、骶髂关节，斜向下方经过坐骨大切迹附近，髂骨中央弓状线，传导至两侧髋臼。骨盆前环即耻骨支和耻骨联合受力较小。应变集中在两侧骶髂关节，绝对值很小，前方的耻骨联合处应变极小，呵忽略不计。位移以骶骨背侧的骶正中嵴处最大。 结论：正常骨盆是一个非常稳定的力学结构。过大的垂直应力容易引起骶骨或骶髂关节受损导致骨盆的垂直稳定性下降；恢复骶骨至髋臼的连续性对应力传导非常重要。     

股骨头坏死有限元模型的建立

背景:股骨头坏死有限元分析法已经被许多研究者应用,但作为分析的数字模型还存在几何以及物理相似性不够等不足.目的:借助股骨头坏死患者的CT扫描图片建立更加逼真的股骨头坏死有限元模型.方法:将以各向同性扫描所得的层厚0.625 mm股骨头坏死髋关节连续断层142层Dicom格式CT图像,直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得股骨头坏死三维几何面网格模型,将其保存为后缀名.lis的Ansys文件,直接导入Ansys有限元分析软件进行体网格划分,再将体网格转入Mimics根据CT值给予赋值,再次导入Ansys 生成有限元模型.结果与结论:快捷建立了外形逼真、计算精确的股骨头坏死三维有限元模型.提示应用精细CT扫描技术,Mimics软件根据CT值直接赋值使股骨头坏死三维有限元模型的建立更加快捷、精确.     

基于DICOM数据快速构建髋臼三维有限元模型

目的:为了能够提高髋臼组织有限元分析研究的水平,拟探讨利用多层螺旋CT获取髋臼骨扫描的DICOM数据,进而快速地建立高精度的髋臼骨三维有限元模型的方法。方法:2006-01采用上海长海医院多层螺旋CT对标准成年男性自愿者行髋臼CT扫描成像得到髋臼每层横截面图像,应用DICOM数据和Mimics软件行三维重建,结合有限元分析软件PATRAN2005R2构建髋臼三维有限元模型,同时在该模型上模拟单腿站立位时受力分布,对比国内外的实验结果进行检验。结果:利用所得数据建立了髋臼三维有限元模型,共19348节点,113028个单元,完整重现了髋臼复杂的形态,得到了皮质骨、松质骨、软骨等结构鲜明、直观的印象;单腿站立位的应力分析显示与以往实验结果基本相符。结论:运用Mimics软件提供了更为简单有效的建模方法,基于DICOM数据的三维有限元模型几何形状较准确,分析结果可信,所建立的髋臼三维有限元模型可以模拟髋臼生物力学实验。     

骶髂关节脱位钉板内固定与关节拉力螺钉内固定两种置入方法的三维有限元分析

背景:有限元法能对复杂的结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析比较,模拟的条件更接近正常,结果更加可信,已经是骨科生物力学研究中的重要手段.目的:以有限元分析方法建立骨盆骶髂关节(单侧)脱位模型,比较前路钉板内固定及骶髂关节拉力内固定治疗后的生物力学稳定性.方法:在正常骨盆三维有限元模型的基础上,截断骶髂关节问的骶髂前后韧带(包含骶髂骨间韧带)以及骶结节韧带和骶棘韧带等盆底韧带,造成骶髂关节脱位.分别在前路钉板内固定系统(共2块重建钢板6枚螺钉)及骶髂关节拉力螺钉内固定(2枚拉力螺钉)两种固定方法的模型上,加载后进行非线性有限元分析.计算该加载方式下的骨盆应力、应变及位移的分布情况.结果与结论:建立了高精度骨盆骶髂关节脱位两种内固定的三维有限元模型.通过应力应变云图分析与比较后发现,采用骶髂关节拉力螺钉内固定相对于前路钢板内固定移位的总位移小,应力分布均匀,无明显高度集中现象,固定强度更大,固定后的骨盆更稳定.利用有限元方法分析骨盆骶髂关节脱位两种内固定生物力学稳定性,具有较高真实性、精确度和可重复性,结果与其他生物力学实验结果相一致,能满足临床骨盆损伤研究的需要.     

髋臼边缘负重区全缺损结构性植骨的不同固定方式对人工全髋关节置换术后植骨块初始微变形程度影响的有限元分析

目的利用三维有限元技术研究发育性髋关节发育不良(Development Dysplasia of the Hip,DDH)髋臼边缘负重区全缺损人工全髋关节置换术后三种固定方式对植骨垫块变形程度的影响。方法利用三维有限元技术建立骨盆模型模拟发育性髋关节发育不良髋臼边缘负重区全缺损全髋关节置换术后模型,在单足站立位模型上就双螺钉固定、单重建钢板固定和螺钉加重建钢板固定三种垫块固定方式进行有限元研究分析。结果通过有限元分析结构性植骨术后最大微变形程度,分析结果显示螺钉固定组最大变形度为0. 277 mm,单重建钢板固定组为0. 0333 mm,螺钉加重建钢板固定组最大变形度为0. 0077 mm,螺钉加重建钢板固定组最大变形度明显小于其余两组。结论在髋臼边缘负重区全缺损情况下钢板加螺钉的结构性植骨固定方式在术后对植骨块变形程度影响最小。     

股骨头坏死有限元模型的建立

背景：股骨头坏死有限元分析法已经被许多研究者应用,但作为分析的数字模型还存在几何以及物理相似性不够等不足。目的：借助股骨头坏死患者的CT扫描图片建立更加逼真的股骨头坏死有限元模型。方法：将以各向同性扫描所得的层厚0.625mm股骨头坏死髋关节连续断层142层Dicom格式CT图像,直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得股骨头坏死三维几何面网格模型,将其保存为后缀名.lis的Ansys文件,直接导入Ansys有限元分析软件进行体网格划分,再将体网格转入Mimics根据CT值给予赋值,再次导入Ansys生成有限元模型。结果与结论：快捷建立了外形逼真、计算精确的股骨头坏死三维有限元模型。提示应用精细CT扫描技术,Mimics软件根据CT值直接赋值使股骨头坏死三维有限元模型的建立更加快捷、精确。     

骨盆及髋臼三维有限元模型单元选择及构建生物力学意义

目的:寻求骨盆及髋臼三维有限元模型构建中三维有限元模型单元的选择以及构建,为骨盆、髋臼生物力学研究及手术仿真模拟提供精确模型。方法:在获得的骨盆及髋臼三维CT图像数据矩阵中移动立方体,骨骼内部采用六面体单元,骨骼表面采用MarchingCube算法,建立四面体代替等值面,构建骨盆及髋臼三维有限元模型单元。结果:综合MarchingCube算法和传统方法构建三维有限元模型,所构建模型表面光滑连续,不仅能够分析骨骼表面应力应变分布,同时保留内部应力应变分布的特点。结论:结合传统三维有限元模型构建方法,在模型表面使用四面体单元,模型内部采用六面体单元,构建表面连续平滑的骨盆和髋臼有限元模型,不仅能够反应内部应力应变分布,而且能够模拟分析骨骼表面应力应变分布。     

建立足部三维有限元数字模型

背景:克服传统标本力学分析的不利因素,建立逼真的足部各结构有限元模型,是对足部进行有限元力学分析的重要基础。目的:建立足部的三维有限元数字模型,为正常足部及足部损伤情况下的有限元力学分析打基础。方法:对1名健康女性志愿者行双足螺旋CT扫描,将所得图像在Mimics软件中重建三维模型,在Geomagic软件中生成实体模型,最后在Ansys中建立足主要结构的三维有限元数字模型。结果与结论:实验建立了包括全部骨骼、主要软骨和韧带、皮肤及软组织在内的人足有限元数字模型。利用CT数据及Mimics、Geomagic、Ansys软件可以建立人足全部足骨的三维有限元数字模型,该模型与实际骨骼模型大小、形态一致,并且可以随意旋转,任意角度观看,进行各种测量,可将足部骨骼任意拆分或合并,适合进行生物力学分析。     

应用CT断层图像快速构建人体骨骼有限元几何模型的方法

目的:寻求更为快捷、精确的基于CT断层图像重建人体骨骼结构有限元几何模型建立方法。方法:利用Philips/Brilliance64排螺旋CT各向同性分辨率0.625mm的薄层扫描技术,基于0.4mm层厚118层人体寰枢椎的连续断层图像,Mimics直接读入Dicom格式原始图像,界定骨组织阈值后软件自动提取各层面轮廓线,每层图像经边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得寰枢椎骨骼三维几何模型,面网格可保存为后缀名.lis的ANSYS文件,能直接导入Ansys有限元分析软件生成三维有限元模型。结果:建立了更为精确、快捷的寰枢椎骨骼三维有限元几何模型,面网格可直接导入Ansys有限元软件,进一步行模型求解。结论:薄层CT扫描技术,Dicom标准的应用使有限元模型的建立更为精确,Mimics软件直接建立人体骨骼结构的有限元几何模型,极大程度提高了建模效率。     

骨盆及髋臼三维有限元模型单元选择及构建生物力学意义

目的：寻求骨盆及髋臼三维有限元模型构建中三维有限元模型单元的选择以及构建，为骨盆、髋臼生物力学研究及手术仿真模拟提供精确模型。方法：在获得的骨盆及髋臼三维CT图像数据矩阵中移动立方体，骨骼内部采用六面体单元，骨骼表面采用Marching Cube算法，建立四面体代替等值面，构建骨盆及髋臼三维有限元模型单元。结果：综合Marching Cube算法和传统方法构建三维有限元模型，所构建模型表面光滑连续，不仅能够分析骨骼表面应力应变分布，同时保留内部应力应变分布的特点。结论：结合传统三维有限元模型构建方法，在模型表面使用四面体单元，模型内部采用六面体单元，构建表面连续平滑的骨盆和髋臼有限元模型，不仅能够反应内部应力应变分布，而且能够模拟分析骨骼表面应力应变分布。     

表面髋关节置换三维有限元模型的建立及意义

背景:目前髋关节的三维有限元模型大都是基于人体尸骨数据或通过CAD重建获得的,其效果不够理想.目的:通过64排螺旋CT扫描提供数据,建立表面髋关节置换的三维有限无模型,拟为生物力学实验提供标准数学模型.方法;选择1名行表面髋关节置换后的成年男性志愿者,经X射线检查排除健侧髋关节疾患.螺旋CT扫描表面髋关节置换后患者所得数据导入Mimics软件.采用域值法建立三维立体模型,之后导入Abaqus软件,进行网格划分.建立起表面髋关节置换术后的三维有限元模型.结果与结论:建立了表面髋关节置换术后三维几何和有限元模型.表面髋关节置换模型分为三维六面体单元165 886个,节点213 343个.可见,通过Mimics软件、Abaqus软件可以利用表面髋关节置换术后患者薄层断面图像构建出其三维几何模型与三维有限元模型.该模型具有较高的形态学及力学仿真度.     

组配式人工半骨盆假体置换后骨盆站立位生物力学有限元分析

背景：目前关于骨盆生物力学有限元分析主要是针对正常和外伤后的骨盆,缺乏对EnnekingⅡ区的恶性肿瘤切除、组配式人工半骨盆假体重建骨盆环缺损后骨盆生物力学模型进行三维有限元分析。目的：观察正常骨盆及半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后患者站立体位下应力分布。方法：采用CT薄层扫描采集1例半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后17个月患者的骨盆原始数字影像和通信标准数据,将数据导入Mimics8.1软件建立三维实体模型,再将实体模型导入Abaqus6.7-1分析软件,分别以正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后的骨盆,建立三维有限元模型,并分别对双脚站立、患侧单脚站立两种静力状态下进行生物力学加载并对结果进行分析。结果与结论：在正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后骨盆2种有限元模型中,不同站立体位相同载荷下健侧骨盆应力值接近;患侧组配式半骨盆假体不同站立体位时应力最大值均出现在髋臼杯上方CS脊柱内固定器与髋臼杯连接部内侧,所受最大应力均远低于其疲劳强度;组配式半骨盆假体重建后骨盆站立位时应力的分布规律与正常骨盆基本一致。说明：①组配式人工半骨盆假体置换对健侧骨盆影响较小。②站立体位下组配式人工半骨盆假体安全性好。③组配式人工半骨盆假体重建后的骨盆符合人体正常生物力学规律,具有良好的生物力学相容性基础。     

发育性髋关节脱位手术治疗效果分析

目的:观察不同术式治疗发育性髋关节脱位的疗效。方法:1997~2005年收治发育性髋关节脱位25例32髋,均采用髂腰肌腱松解骨牵引后,分别行骨盆髋臼周围截骨造盖术、改良Salter骨盆截骨术、改良Chiari内移截骨术结合股骨短缩旋转截骨术治疗。结果:术后1~5年随访McKay评分:优23髋,良3髋,可4髋,差2髋,优良率81.25%。结论:骨盆髋臼周围截骨造盖术结合股骨短缩旋转截骨术安全有效,是发育性髋关节脱位的首选术式。     

单侧完全性唇腭裂上颌骨三维有限元模型的建立

对单侧完全性唇腭裂患者颅颌面部进行多层螺旋CT扫描,利用Mimics软件直接将CT扫描样本得到的Dicom标准文件进行处理,并导入逆向工程软件Geomagic Studio构建模型的表面,在此基础上用Ansys软件建立完整的单侧唇腭裂上颌骨三维有限元模型.建立了由27 405个实体单元和26 876个节点组成的单侧完全性唇腭裂上颌骨有限元模型.应用螺旋CT技术和联合使用Mimics软件、Geomagic Studio软件对模型进行构建,并结合Ansys软件生成三维有限元计算模型,是一种快速有效的建立单侧完全性唇腭裂有限元模型的方法.     

儿童发育性髋关节脱位头臼相称性的三维CT评价：单因素回顾性分析

目的：通过测量儿童发育性髋关节脱位的三维CT头臼径线比，反映股骨头与髋臼三维状态的相称情况，可指导发育性髋关节脱位患者选择术式和评估功能恢复效果。方法：选择1999—06／2002—06泰安市中心医院和山东省立医院小儿外科手术治疗后的发育性髋关节脱位患者156例(186髋)进行三维CT观察。测量三维头臼径线(即股骨头的三维径线与相应的髋臼径线)的比值：包括股骨头上下径与髋臼上下径之比(LHD／SID)、股骨头横径与髋臼深度之比(THD／AD)、股骨头前后径与髋臼前后径之比(SHD／APD)，反映股骨头与髋臼三维的相称情况。以此分为头臼相称组和头臼不称组，术后随访1．5年，疗效按Severin分级标准评定。Ⅰ-Ⅲ级为优，Ⅱ级为可，Ⅴ～Ⅵ可级为差。结果：按意向处理分析，186髋中头臼相称组134髋(72％)，头臼不称组52髋(28．0％)，均经手术证实。不称原因为：①头大臼小型21髋(40．4％)，股骨头径线增大，但股骨头径线比变化不明显，头基本呈圆形；②髋臼浅小型14髋(26．9％)，股骨头径线基本正常，但髋臼浅而小；③股骨头畸形型17髋(32．7％)，髋臼径线变化较轻，股骨头体积增大不明显，但径线比异常，股骨头失去半球形，多表现为上下径增大，股骨头顶部突起，内下方凹陷，股骨头顶部向前外移位。随访结果(随访率100％)，头臼相称组Severin分级优116髋(86．6％)，可12髋(9．O％)，差6髋(4．5％)，明显优于头臼不称组的优22髋(42．3％)，可27髋(51．9％)，差8髋(15．4％)(X^2=9．69，P&;lt;0．01)。结论：头臼不相称是影响发育性髋关节脱位手术后功能效果的重要因素。通过三维CT头臼径线比的测量，有助于术前判断头臼相称性，为发育性髋关节脱位术式的选择提供依据。