人下颌骨颏部正中位置枪弹伤的有限元动态模拟及分析

目的采用有限元方法建立颌面部枪弹伤模型,并对人下颌骨颏部正中位置枪弹伤的致伤过程及损伤程度进行动态模拟和分析,探讨建立人下颌骨枪弹伤模型的新方法。方法在以往动物实验建模方法及内置参数的基础上,利用数字化人下颌骨的CT扫描数据建立人下颌骨的三维有限元模型;动态模拟不同投射条件下下颌骨颏部正中位置枪弹伤的发生过程;计算不同投射物以不同初速度及不同角度入射后的终末速度及其穿出下颌骨后的能量损耗数值及能量损耗率;并对所得数据进行比较分析。结果成功模拟了2种投射物以3种初速度及3种入射角度击伤人下颌骨颏部正中位置的动态过程及下颌骨受损伤后各部位的应力分布情况。对模拟数据进行计算后分析发现,致伤条件不同,下颌骨受损伤的严重程度及投射物的致伤效率也不同。结论运用有限元的方法可动态模拟人下颌骨颏部正中位置枪弹伤的致伤过程,并对相关数据进行比较分析,以研究不同致伤条件下下颌骨受损伤的严重程度及投射物的致伤效率。     

人下颌骨撞击伤三维有限元模拟及生物力学分析

目的：利用有限元模拟技术对人下颌骨撞击伤进行仿真,对模拟结果进行生物力学分析,探讨下颌骨撞击伤的致伤机制。方法采用中国可视化数字人数据,建立人下颌骨撞击伤三维有限元模型,动态模拟不同致伤条件下人下颌骨撞击动态损伤过程,采用 Von Mises 应力及有效应变进行生物力学分析。结果建立人下颌骨撞击伤三维有限元模型并成功模拟人下颌骨撞击伤动态损伤过程及骨折,髁状突及下颌角是应力、应变集中及骨折的好发部位。结论 Von Mises 应力及有效应变可作为预测和判定骨组织损伤的生物力学指标之一,利用有限元法可以有效模拟下颌骨动态撞击过程,模拟结果可为颌面部撞击伤基础研究及临床救治提供指导和数据参考。     

下颌骨颏部骨折联合双侧髁突囊内骨折致伤机制的三维有限元分析

目的: 通过三维有限元方法模拟和分析下颌骨颏部骨折联合双侧髁突囊内骨折的致伤机制,提高此类骨折的预防和诊断水平。方法: 获取1名下颌骨发育正常、无第三磨牙、无颞下颌关节病史的青年男性的颌面部CT和颞下颌关节MRI数据,通过Mimics和ANSYS软件建立三维有限元模型。采取不同角度的外力作用于下颌骨颏部,分析下颌骨及髁突关节面的应力分布。同时,比较有无关节盘、咬合与非咬合状态下下颌骨的应力分布差异。结果: 准确建立了包含颞下颌关节结构的三维有限元模型。当外力作用于下颌骨颏部时,髁突、升支前缘及颏部受力区是主要的应力集中区,其中应力最大值位于髁突顶部。随着外力方向与水平面夹角由0°逐渐增大直至60°,下颌骨上的应力由分散逐渐集中至颏部与双侧髁突三个部位;超过60°时,应力又出现分散的趋势。当对关节盘进行模拟后,髁突关节面及髁颈部的应力分布明显减小。与非咬合状态相比,咬合状态下下颌骨上的应力集中于咬合面,而其他部位无明显的应力分布。结论: 外力方向与水平面呈60°时,应力分布主要集中于颏部及双侧髁突顶部,即三点骨折发生的部位;在下颌骨颏部受力过程中,关节盘的存在以及稳定的咬合状态下,髁突部位(包括颈部和关节面)的应力分布明显减小。     

人下颌骨及颞下颌关节不同受力模型的有限元分析

目的 分析人下颌骨及颞下颌关节两种不同力学模型有限元模拟的结果.方法 通过CT扫描建立包含密质骨、松质骨的完整人下颌骨三维模型,将所获得的三维模型在ICEM CFD软件中划分网格.在建立的网格模型基础上,对前牙咬合的下颌骨分别建立被动肌力加载和主动肌力加载两种生物力学模型,计算并比较其应力分布.结果 两个模型中的应力分布有明显区别.被动肌力加载模型中,应力主要分布于下颌角、磨牙后三角、下颌切迹以及咬合点附近牙冠.主动肌力加载模型中,应力主要分布于髁状突顶点和颈部、下颌角、磨牙后三角以及咬合点附近牙冠.两者的应力分布有一定相似之处,但在髁状突处则有很大不同,这是由于两种模型下髁状突顶点反力的大小悬殊.结论 主动肌力加载模型更接近下颌骨及颞下颌关节的实际受力状态,主动肌力加载模型为前牙咬合下颌骨的合理生物力学模型.     

人下颌骨枪弹伤的三维有限元建模与数值分析

目的利用计算机辅助工程技术,动态仿真不同入射角度子弹侵彻三维下颌骨模型过程。方法对正常志愿者颌面部进行薄层CT扫描,将获得的下颌骨数据以DICOM标准通过Mimics软件进行三维实体重建,在LS-DYNA软件中模拟7.62 mm弹丸以不同入射速度(713.8、1 400 m/s)和不同入射角度(90°、67.5°、45°)致伤下颌骨模型过程。结果建立了形态细致逼真、相似性好的人下颌骨三维有限元模型,成功模拟了人下颌骨弹丸的致伤过程,当7.62 mm弹丸入射角度一致时,入射速度越大,撞击能量越大;当入射速度一致,入射角度为45°组的致伤能量明显高于90°及67.5°组。下颌骨枪弹伤模型出口面积大于入口面积。结论薄层CT、DICOM标准的应用使得有下颌骨限元模型的建立更为精确,利用有限元仿真技术动态模拟人下颌骨弹丸致伤的方法是可行的。     

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。     

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。     

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114 953.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.     

轴向应力作用下的舟骨有限元分析

目的 快速、准确建立舟骨有限元模型,分析其轴向应力下的力学分布.方法 采用美国GE LightSpeed VCT(64排螺旋CT)对健康志愿者1例(男性,24岁,无腕部疾病史)扫描获取CT扫描图像,将12具尸体标本与Instron Model 1011型力学试验机相连接,扫描压敏图像,得到腕关节的受力面积和应力分布,通过CT扫描图像数据对腕部进行三维有限元建模,计算并分析舟骨受轴向压力作用下正常腕部载荷传递及接触应力的分布.将此实验数据及以往文献数据与有限元模型的数据进行对比以验证有限元模型的精确性.结果 本模型构架了包括桡骨以及近端掌骨的腕部整体三维有限元模型,共有节点73 588个,单元39 7344个;桡舟关节面受力面积约为153.35 mm2,应力大小约为54.28 MPa,最大应力约为2.72 MPa,桡舟关节面受力面积约为90.00 mm2,受力大小约为45.72 MPa,最大应力约为3.45 MPa,舟骨载荷传递及关节接触应力分布情况与实验数据相接近.结论 所建模型结构完整,空间结构准确,轴向压力作用下加载模拟形象、逼真,客观反映舟骨三维解剖形态结构和生物力学特点,本模型可以较好地模拟舟骨以及腕关节载荷传递与接触应力的分布情况.     

下颌骨个体化钛修复体三维有限元模型的建立及分析

目的：探讨个体化钛修复体修复的下颌骨三维有限元模型的建立及生物力学分析,为以后下颌骨缺损的个体化功能性修复奠定一定基础。方法：在Geomagic Studio软件中模拟正常下颌骨模型的左侧节段缺损（相当于侧切牙、尖牙、第一双尖牙三个牙位）,设计个体化钛修复体加以修复,然后进行三维有限元建模和应力分析。结果：成功建立了个体化钛修复体修复的下颌骨三维有限元模型。力学分析结果显示,应力能通过修复体有效地传导,双侧髁突应力分布在前斜面呈现明显不对称性,修复体的体部和延伸板交界处出现较明显的应力集中。结论：建立的钛修复体修复的下颌骨三维有限元模型及力学分析结果可以为以后钛修复体的结构优化设计提供借鉴和参考。     

基于有限元的椎弓根螺钉结合两种材质椎间融合器治疗腰椎滑脱症的生物力学特性研究

目的 通过有限元分析方法评估椎弓根螺钉结合两种材质椎间融合器在治疗腰椎滑脱症中的生物力学性能。方法 选取健康男性志愿者1名,使用螺旋CT扫描脊柱L4～L5节段,采用Mimics和Geomagic软件对CT图像进行三维模型重构并导入有限元分析软件ANSYS 12.0建立正常L4～L5节段三维有限元模型（INT）。在此基础上,模拟两种材质融合器结合椎弓根钉固定的模型,双侧椎弓根螺钉+Ti(钛)椎间融合器（M1）,双侧椎弓根螺钉+ PEEK(聚醚醚酮)椎间融合器（M2）。对模型施加400N预载荷,运动附加力为6 N·m,定义模型约束和载荷条件后,在腰椎前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转六种工况下计算L4～L5节段角位移及椎弓根螺钉和融合器所受应力。结果 M1,M2在各种工况的角位移均小于INT。应力实验中,M1融合器应力峰值在各种工况下均高于M2。后伸位时,M1与M2的螺钉及椎间融合器的应力峰值较其他工况小。结论 椎弓根内固定可以提供融合节段足够的稳定性。对于融合节段在椎弓根钉提供相同稳定性的条件下,PEEK材质融合器应力峰值均较Ti材质融合器小,PEEK材质融合器发生沉降及移位的可能性低于Ti材质融合器,所以其融合率相对较高。后伸位时所受应力较小,由此推测后伸位为较稳定的位置。     

下颌骨撞击试验与有限元分析

目的 利用MTS-858生物材料试验机进行下颌骨撞击试验和三维有限元分析方法揭示下颌骨骨折生物力学机制.方法 根据Hanau合架原理,3例标本分别制备成下颌骨撞击模型,MTS-858生物材料试验机进行下颌骨颏部水平方向撞击试验.人体下颌骨标本利用激光三维扫描系统获得下颌骨模型,有限元软件ANSYS7.0分析.结果 3例标本均在颏部骨折,下颌骨颏部撞击力峰值为(2151.10±125.18)N;响应时间为(17.3±2.3)ms.ANSYS动态显示下颌骨颏部受到撞击后下颌骨内部的应力变化,颏部撞击点应力最大,应力变化曲线显示在颏部距上缘1.92 cm处出现峰值,最大应力为3201.35 kPa.结论 下颌骨撞击试验和三维有限元方法结合量化了颏部受力下颌骨骨折的有关参数,为揭示任意合位下颌骨撞击下颌骨骨折的生物力学机制奠定基础.     

微种植体压低基牙后双端固定桥修复的生物力学分析

目的探讨微种植体压低基牙后,固定桥力学行为的改变,为临床压低基牙后再进行牙体预备提供理论依据。方法建立考虑基牙牙槽骨水平吸收10%上颌后牙分别压低0 mm,0.5 mm,1.0 mm,1.5 mm,2.0 mm后双端固定桥修复的三维有限元分析模型,施加垂直及斜向载荷比较压低基牙前后修复体、牙、牙周膜及硬骨板的应力变化情况。结果随着压低量增加,修复体、牙体上应力在一定程度上有改变,这个改变与修复体结构、牙体结构有很大关系,牙周膜及硬骨板面积增大,整体上应力有所降低,皮质骨和松质骨上应力变化并不明显。结论采用微种植体压低基牙后预备固定桥或全冠能够降低基牙牙备量,减少基牙的损伤,降低失髓风险,增加基牙牙周膜面积,改善冠根比,整体上降低垂直载荷和斜向载荷的不利影响,合理地改变修复体、牙、牙周膜、硬骨板的应力分布。     

两种种植体支持式下颌半口固定义齿种植体应力有限元分析

目的 设计两种种植体支持式下颌半口全牙列固定义齿,研究在不同下颌骨垂直高度降低情况下种植体应力分布情况.方法 利用锥束计算机断层扫描成像(CBCT)扫描下颌骨及上部义齿,形成下颌骨基准模型,将基准模型中下颌骨垂直高度分别下降0、5、10和15mm,组装种植体后,建立颏孔前6枚平行种植体支持和“All-on-four”支持的不同下颌骨垂直高度的种植体有限元模型,分别为6-种植体模型和4-种植体模型,共两组(8个).在右下颌第一磨牙中央窝静态加载250 N垂直力,用Ansys 15.0软件进行模型各部分的应力分析.结果 在相同的加载条件下,种植体最大应力值位于颈部;两组8个模型最大应力值分布显示,不同下颌骨垂直高度下4-种植体组的最大应力值在40.12～49.06MPa之间,6-种植体组的最大应力值在80.62～109.64MPa之间;6-种植体组的最大应力值是4-种植体组的2倍.两组模型中种植体最大应力在下颌骨垂直高度降低5mm时均表现为最低,随着下颌骨垂直高度降低,应力逐渐增大,而垂直高度下降0mm的模型最大应力要略大于下降5 mm模型.结论 4-种植体和6-种植体支持的无牙颌固定义齿在相对极端的载荷下种植体都没有出现破坏性应力,4-种植体有着更加合理的应力分布;下颌骨垂直高度下降5mm组应力最小,说明适当降低垂直高度有利于种植体应力更加合理的分布.     

基于有限元法分析钝力性脾损伤的机制

Objective To explore the biomechanical mechanism of blunt spleen injury based on finite element analysis. Methods A fist finite element model was used to simulate the impact at 4-8 m/s in the spleen area of THUMS4.0 human body model from the front of the left costal area, the left anterior axillary line and the rear scapular line. The strain distribution and damage of the spleen under different conditions were observed. The simulation results were compared with the clinical cases of spleen rupture to analyze the mechanism of spleen injury. Results The damage location and strain distribution of the spleen could vary under different conditions. Due to the special anatomical location of the spleen, a blunt impact at the speed of 4-8 m/s on the front side did not easily cause spleen injury, and the strain was distributed mainly in the front of the spleen and the spleen hilum; a similar blunt impact on the left side was likely to cause spleen diaphragmatic surface injury, the splenic visceral surface could be injured by the compression of the medial tissue and organs and the traction of the splenic pedicle, and the strain was distributed in the spleen diaphragmatic and visceral surfaces; an impact on the back side was likely to cause injuries in the posterior portion and hilum of the spleen, and the strain was mainly concentrated in the injured area. Conclusion Blunt spleen injuries caused by punches on the abdomen are mostly caused by direct impact on the ribs, the compression by the surrounding tissues and organs and the traction by the spleen pedicle.     

三维有限元分析内侧半月板全部切除后不同软骨缺损面积对膝关节应力的影响

目的  利用核磁共振成像（MRI）二维图像数据准确构建出膝关节三维有限元模型,采用有限元方法分析内侧半月板全部切除后股骨软骨缺损面积大小对膝关节应力变化的影响。方法  利用膝关节MRI图像建立包括股骨、胫骨、内外侧半月板、内外侧副韧带、前后交叉韧带、髌骨及髌韧带的仿真膝关节数字化模型,在内侧半月板全部切除后的仿真数字化模型上于股骨内侧髁部最容易损伤部位虚拟0.49、0.80、1.0、1.70、2.56及3.24 cm2大小的缺损模型,在股骨上施加1 150 N垂直压应力,类似于在步态周期中的伸直状态,主要分析膝关节软骨及半月板最大压应力与最大剪切应力。结果  内侧半月板全部切除后股骨内侧髁部软骨缺损对内外侧间室接触应力均有影响,但以内侧间室影响较为明显。结论  利用仿真膝关节数字化模型可以有效模拟正常膝关节生物力学变化及内侧半月板全部切除后缺损面积大小对膝关节应力变化的影响。

     

桩核冠、髓腔固位冠和嵌体冠修复低矮磨牙残冠后产生的生物力学效应比较及其临床意义

目的：应用有限元分析对比桩核冠、髓腔固位冠和嵌体冠修复低矮磨牙残冠后的应力分布情况及固位效果,探讨低矮磨牙残冠的优选修复方案。方法：选择志愿者健康、完整的左侧下颌第一磨牙作为实验样本,应用锥形束CT（CBCT）扫描获得其影像学数据。利用Mimics、Geomagic和CATIA等逆向工程软件建立完整的下颌第一磨牙有限元模型。在此基础上构建3组低矮磨牙残冠模型（剩余临床牙冠的高度分别为1、2和3mm）,并建立桩核冠、髓腔固位冠和嵌体冠3组修复体分别修复上述3组残冠的有限元模型,共9个实验组。在Abaqus软件中对模型施加垂直向及斜向静态载荷模拟咀嚼时牙齿受力,施加强制性旋转位移载荷模拟修复体旋转脱位。观察各组模型牙本质的von Mise应力峰值和分布云图,以及各组修复体为抵抗旋转脱位所产生的非轴向固位力和脱位时粘接剂的破坏情况。结果：von Mises应力峰值,垂直载荷下,嵌体冠 > 髓腔固位冠 > 桩核冠;斜向载荷下,髓腔固位冠 > 嵌体冠 > 桩核冠。应力分布云图,桩核冠的根尖1/3处、髓腔固位冠髓室底部和嵌体冠牙颈部及根部应力集中现象明显。非轴向固位力,1mm残冠组,桩核冠 > 嵌体冠 > 髓腔固位冠;2和3mm残冠组,嵌体冠 > 桩核冠 > 髓腔固位冠。刚度退化云图,旋转脱位时粘接剂开裂的面积由大到小依次为嵌体冠>髓腔固位冠>桩核冠。结论：从保护牙体组织及维持修复体长期稳定性的角度分析,桩核冠是修复低矮磨牙残冠较为理想的修复方式。