膝关节三维有限元模型的建立

目的建立完整的膝关节三维有限元模型。方法获取正常膝关节SCT扫描图像数据,使用3D-Doctor、Geomagic Studio、ABAQOUS等软件建立膝关节三维有限元模型。结果建立的膝关节三维有限元模型具有良好的生物形态,外形与实体标本一致性高。结论采用CT扫描资料建立三维有限元模型是切实可行的,简便、高效,特别适用于骨科领域三维有限元模型的建立。     

膝关节三维有限元模型的建立

目的 建立完整的膝关节三维有限元模型.方法 获取正常膝关节SCT扫描图像数据,使用3D-Doctor、Geomagic Studio、ABAQOUS等软件建立膝关节三维有限元模型.结果 建立的膝关节三维有限元模型具有良好的生物形态,外形与实体标本一致性高.结论 采用CT扫描资料建立三维有限元模型是切实可行的,简便、高效,特别适用于骨科领域三维有限元模型的建立.     

正常人膝关节三维有限元模型的建立

目的 在膝关节MRI基础上建立膝关节三维有限元模型,探讨对半月板及软骨建模的效果.方法 对MRI图像进行处理和转换,在逆向工程理念下,建立膝关节三维有限元模型.结果 建立了包括膝关节所涉及的几乎所有骨骼、软骨、半月板和韧带等基本力学结构的模型,模型形态逼真,能在力学性质上很好地模拟膝关节.结论 MRI基础上建立的有限元模型可较真实地模拟膝关节的几何结构,逆向工程理念在膝关节三维有限元模型建立方面具有可行性和创新性.     

膝关节周围韧带三维有限元模型的建立

目的建立膝关节周围韧带的三维有限元模型,探讨膝关节韧带建模途径。方法选取一无病理改变的膝关节节段标本作为研究对象。首先精细解剖出膝关节周围韧带,用金属线圈标记,止点采用钻孔标记,其中前、后交叉韧带按不同功能束分别解剖并标记;然后进行CT扫描,层厚0.625 mm,应用Mimics软件对数据进行三维重建;最后将数据导入ANSYS有限元软件中,建立膝关节周围韧带三维有限元模型。结果所选膝关节周围韧带三维有限元模型包括了股骨节段、胫骨节段、前交叉韧带两个功能束、后交叉韧带两个功能束、内侧副韧带和外侧副韧带,总单元数235 879,总节点数69 997。结论研究所建立的膝关节韧带有限元模型形态逼真,能真实反映膝关节骨外形和韧带三维结构,为进一步分析膝关节周围韧带损伤的发病机制奠定了基础。     

膝关节三维有限元模型的重建

通过MSC．MARC建立膝关节的三维有限元模型，为膝关节的创伤、骨折的力学分析及人工关节的开发提供方法学的支持。以螺旋CT得到整个膝关节的CT影像图，扫描层间距为1．0mm。以DICOM文件的数据点信息为数据源，通过相关软件读取DICOM数据文件，获得膝关节的二维CT影像，通过平面图形软件编辑和处理得到膝关节的边界，将边界曲线输入MSC．MARC中建立了膝关节三维有限元模型。通过MSC．MARC建立的三维有限元模型能够真实反应膝关节的解剖结构。     

膝关节周围韧带三维有限元模型的建立

目的 建立膝关节周围韧带的三维有限元模型,探讨膝关节韧带建模途径.方法 选取一无病理改变的膝关节节段标本作为研究对象.首先精细解剖出膝关节周围韧带,用金属线圈标记,止点采用钻孔标记,其中前、后交叉韧带按不同功能束分别解剖并标记;然后进行CT扫描,层厚0.625 mm,应用Mimics软件对数据进行三维重建;最后将数据导入ANSYS有限元软件中,建立膝关节周围韧带三维有限元模型.结果 所选膝关节周围韧带三维有限元模型包括了股骨节段、胫骨节段、前交叉韧带两个功能束、后交叉韧带两个功能束、内侧副韧带和外侧副韧带, 总单元数235 879,总节点数69 997.结论 研究所建立的膝关节韧带有限元模型形态逼真,能真实反映膝关节骨外形和韧带三维结构,为进一步分析膝关节周围韧带损伤的发病机制奠定了基础.     

膝关节三维有限元模型的建立及生物力学分析

目的：建立正常中国成年男性膝关节三维有限元模型,并在模型上加载压缩、弯曲、内外翻和旋转力矩进行受力分析,以验证模型的有效性。方法：选取1名正常男性青年膝关节直立位横断CT扫描片一套,利用图像处理和转换技术,运用有限元软件ABAQOUS/STANDARD Version6.5,建立正常膝关节三维有限元模型。在模型上加载压缩、弯曲、内外翻和旋转力矩进行受力分析。结果：建立了正常中国成年男性膝关节三维有限元模型。正常膝关节的内、外翻活动范围较小,且同一膝关节的内、外翻活动范围无统计学差异（P>0.05）。正常膝关节的旋转活动发生在屈膝状态下,且同一膝关节的内旋、外旋活动范围有明显差异（P<0.05）,外旋活动范围较大。结论：本实验建立的模型能逼真地反应膝关节的真实几何结构,模拟膝关节的各种运动,是进行生物力学研究的有效工具。     

胫骨模型对膝关节有限元分析结果影响的探讨

目的：通过有限元法对膝关节进行力学仿真,探讨胫骨模型对膝关节生物力学行为的影响。方法：应用MimiCS建立膝关节三维实体模型并对骨骼赋予不同的材料属性;使用Hypermesh建立膝关节三维网格模型,同时建立了不同胫骨长度的膝关节三维模型;在Abaqus中设置边界条件和软组织材料属性,施加载荷进行膝关节力学仿真。结果：通过有限元分析获得了膝关节主要软组织的应力和相互接触面积,得到胫骨上的Mises应力分布。结论：膝关节骨骼材料属性以及胫骨长度对膝关节软组织的力学行为基本没有影响,可在实际的对膝关节软组织的有限元分析中将骨性结构定义为刚体;胫骨上的Mises应力随骨骼材料属性和长度有明显的变化,在针对骨骼的有限元分析中需要建立完整的骨骼结构以及将骨骼划分为至少10种材料属性。     

建立数字化虚拟中国男性一号膝关节的有限元模型

目的针对数字化虚拟中国男性一号的膝关节断面切片图像,建立可供有限元结构仿真分析的膝关节三维模型。方法将中国数字化虚拟人体男性一号膝关节部位的薄层切片数码图像输入PC机,经过分割、配准等处理后,利用三维重建软件Mimics建立三维图像,然后通过自由造型系统进行表面光滑处理,再对表面图像矢量化,存储为有限元仿真分析可以接受的格式。结果建立了人体膝关节的三维计算机模型,并转换为IGES格式,可以提供膝关节的有限元生物力学仿真分析。结论利用Mimics重建后的三维计算机模型,可经自由造型系统FreeForm plus转换后应用于有限元仿真分析。     

建立数字化虚拟中国男性一号膝关节的有限元模型

目的 针对数字化虚拟中国男性一号的膝关节断面切片图像，建立可供有限元结构仿真分析的膝关节三维模型。方法 将中国数字化虚拟人体男性一号膝关节部位的薄层切片数码图像输入PC机，经过分割、配准等处理后，利用三维重建软件Mimics建立三维图像，然后通过自由造型系统进行表面光滑处理，再对表面图像矢量化，存储为有限元仿真分析可以接受的格式。结果 建立了人体膝关节的三维计算机模型，并转换为IGES格式，可以提供膝关节的有限元生物力学仿真分析。结论 利用Mirnics重建后的三维计算机模型，可经自由造型系统FreeForm plus转换后应用于有限元仿真分析。     

基于参数化联合建模法建立膝关节单髁置换三维有限元模型的研究

目的为膝关节单髁置换有限元分析提供一种参数化联合建模方法。方法获取1例成年男性膝关节炎患者的膝部CT扫描,利用Mimics 13.1软件重建出膝部三维骨性模型,通过参数化软件Pro/Engineer 5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,导入Mimics 13.1建立膝关节单髁置换三维模型,然后通过Ansys 12.1建立膝关节单髁置换三维有限元模型并进行有限元分析。结果参数化联合建模法效率高,所建模型形态逼真,精确度高。结论参数化联合建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了模型基础和新的实验思路,在单髁置换治疗膝关节病的临床和科研中将有广泛的应用前景。     

立体三维膝关节模型的创建

目的本研究利用人体膝关节的CT/MRI二维断层扫描图片数据创建三维模型,并将重建的三维模型以IGES文件输出,可做人体结构的有限元分析等。方法使用逆向工程理论,Mimics逆向工程软件。结果研究人员可以根据特定人膝关节的CT/MRI影像的二维成像数据,通过Mimics逆向工程软件设计并创建三维膝关节模型。结论为膝关节模型数据库的建立提供了方法,给膝关节疾病的治疗,膝关节置换手术,膝关节假体设计提供临床上的精确数据,对假体、植入体的设计意义重大。     

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。

     

聚己内酯半月板支架应力-应变特性的有限元分析

目的：分析聚己内酯（PCL）半月板支架在膝关节中的应力-应变特性,评估其作为植入材料的可行性。方法：通过磁共振成像（MRI）扫描志愿者膝关节获取平面图像数据,建立包括股骨、胫骨、腓骨、股骨髁及胫骨平台关节软骨、内和外侧半月板及韧带在内的完整膝关节三维有限元模型,通过计算胫骨平台的接触面积与既往文献对比验证模型的有效性;分别建立内侧半月板切除术后的膝关节三维有限元模型及PCL半月板支架替代后的膝关节模型;对比分析在1400N股骨轴向垂直压力下3种膝关节模型的半月板位移和接触压力变化以及股骨髁关节软骨和胫骨平台关节软骨的压缩应力变化。结果：在1400N股骨轴向压缩载荷下健康膝关节模型内、外侧半月板位移分别为0.83和1.76mm,PCL模型内、外侧半月板位移分别为1.15和2.20mm。在同等载荷下,健康膝关节在胫骨平台关节软骨内、外侧最大压缩应力分别为2.5和1.7MPa,在内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力分别为2.7和2.1MPa。在内侧半月板完整切除模型,内、外侧胫骨平台关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增加260.0%和311.7%;内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增长214.8%和271.4%。而在将内侧半月板替换为PCL支架的模型中,内、外胫骨平台关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增加8.0%和5.9%;内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增加11.1%和4.8%。结论：PCL支架在膝关节三维有限元模型中具有较好的生物力学特性,能够降低半月板切除后股骨髁及胫骨平台关节软骨的应力,达到保护关节软骨的目的。     

膝关节运动过程的应力数值模拟

目的观察膝关节关节面在整个运动过程中的应力、应变分布范围、大小及变化规律。方法利用有限元数值模拟方法对行走过程中膝关节关节面应力、应变情况进行分析。结果与结论行走过程中关节面产生应力、应变随时间推移而增加，并且变化规律近似的服从抛物线变化。通过对不同体重的人在行走时膝关节面上产生的应力分析得出，体重对关节面上的应力的大小并不产生重大影响，体重带来的应力差异仅占总应力的10％。     

前交叉韧带重建术后移植物应力的有限元分析

目的: 探究前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)重建后移植物应力分布特征,为ACL重建的手术方案提供理论参考。方法: 基于三维磁共振及CT影像,建立完整膝关节有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内侧副韧带、外侧副韧带、ACL、后交叉韧带;建立ACL重建后膝关节有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内侧副韧带、外侧副韧带、ACL移植物、后交叉韧带。模型采用线弹性材料属性,骨组织材料属性设置为弹性模量17 GPa,泊松比(Poisson’s ratio)为0.36;完整膝关节及ACL重建膝关节的模型中的韧带组织及ACL移植物的材料属性设置为弹性模量390 MPa,泊松比0.4;将股骨固定设置为模型边界条件,施加胫骨前向134 N的拉力为载荷条件,求解分析完整膝关节的ACL及重建术后的ACL移植物的拉应力、压应力、剪切应力、等效应力的受力状态。结果: 重建后的ACL移植物的最大压应力(6.34 MPa)、等效应力(5.9 MPa)、剪切应力(1.83 MPa)均在前侧股骨端,与完整膝关节ACL最大压应力(8.77 MPa)、等效应力(8.88 MPa)、剪切应力(3.44 MPa)位置一致。移植物最大拉应力也出现在股骨端,但位置在后侧,与完整膝关节ACL最大拉应力位置一致,且ACL移植物最大拉应力的值仅为0.88 MPa,小于完整膝关节ACL的2.56 MPa。结论: ACL移植物压应力、等效应力、剪切应力最大值均在前侧股骨端,最大拉应力出现在股骨端后侧,均与完整膝关节ACL最大拉应力位置一致;ACL移植物的前侧部分承受力较大,后侧部分承受力较小,与ACL的生物力学特性相符合。     

基于全膝关节置换的三维术前规划实践

目的：通过关节置换虚拟手术,以有限元法全面分析术后的膝关节接触面的受力状况,借此数据制订“三维手术规划”督导天节置换临床手术。方法：以CT／MR扫描患侧膝关节,激光扫描假体,经逆向软件数字化重建假体、膝关节及其韧带并测量下肢力线,根据膝关节置换标准,以Mimics的Simulation性能模拟关节置换手术的截骨、假体植入术程,再将术后模型导入ANSYS划分网格、材料赋值、施加载荷,以有限元法分析接触应力分布。在这些力学数据所提炼成的“三维术前规划”的指导下施行20例（实验组）临床关节置换术,另外20例临床关节置换术作为对照组作无术前规划介导的情况下按传统术式施行。结果：筛选最佳的TKA模拟术后3D膝关节有限元模型,ANSYS分析数据与前人在力学实验中对假体直接测试所获得基本一致,其合理性由此确认。从这些基于TKA的虚拟资料所提炼出来的三维术前规划的指导下,实验组的临床手术精度（影像学测量技AKS评分）明显高于对照组。结论：以有限元方法分析出虚拟置换术后膝关节的结构形变、应力分布、内部能量变化等资料,提供了可靠的术前规划依据,有利于临床手术时寻找假体植入的最佳位置、优化截骨、预见手术结果,提高了关节置换的成功率。     

股骨远端骨折髓内钉与锁定钢板内固定方式的有限元分析

目的模拟股骨远端骨折髓内钉与锁定钢板内固定,比较2种常用内固定的效果,并探索其对膝关节生物力学的影响。方法建立精确的膝关节三维有限元模型,在此基础上建立股骨远端A型骨折理想模型、髓内钉内固定手术有限元模型（Ⅰ型模型）和锁定钢板内固定手术有限元模型（Ⅱ型模型）。通过对多个关节屈曲度（0°、60°、90°、120°）的模型加载重力载荷来分析内固定物、关节软骨及半月板的应力变化和股骨远端最大位移等。结果Ⅰ、Ⅱ型模型的内固定物、关节软骨和半月板各有1个最大应力部位,最大应力峰值均出现在关节屈曲90°状态下。股骨远端位移峰值总体随着关节屈曲角度的加大而增加。同样屈曲角度下,胫骨平台软骨、半月板的最大应力值均大于股骨髁软骨,锁定钢板的最大应力值大于髓内钉,Ⅱ型模型的股骨远端最大位移值大于Ⅰ型模型。结论内固定方式有限元分析可以模拟膝关节不同运动状态下的受力情况,有效分析出不同模型中内固定物、关节软骨和半月板在不同运动状态下的生物力学特征。     

对Mimics V10.0软件三种三维重建方法 的研究

目的对MimicsV10．0软件3种三维重建方法加以阐述，为该软件在基础医学教学、术前模拟等领域的开发应用提供数字模型。方法选取3个无器质性病变成年男性膝关节，利用GELightspeed16排螺旋CT的薄层扫描技术，基于1．25mm层厚，85层人体膝关节的连续断层图像，Mimics直接读入Dicom格式原始图像，采用各种模型处理技术，获得表面漏洞及其髓腔填充后的左膝关节新蒙罩，以该新蒙罩为基础将所选取的阈值范围内的相邻象素连接并重组成图像后获得三维实体模型，将该模型表面数据网格化后得到面网格化重建模型，此外提取新蒙罩每一层的外轮廓线并重叠起来得到表面轮廓重建模型。结果3种三维重建方法得到的左膝关节模型轮廓清晰，均能旋转，方便测量。其中三维实体重建模型可被剖割，得到任意多平面重建曲面。面网格化重建模型可直接导入有限元软件，行运动生物力学分析。表面轮廓重建模型，可用于胫骨平台假体的设计。结论在Mimics软件中所获得的3种三维重建模型，为进行有限元分析、手术过程模拟、快速原型制造等奠定了数字模型基础。     

前交叉韧带生物力学止点重建的解剖学与有限元分析

目的 解剖研究大体观察膝关节前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)胫骨止点的形态,并利用有限元分析软件分析ACL的力学止点分布,为临床ACL重建提供新理念。方法 选取10例新鲜成人膝关节标本,男6例,女4例,采取标准髌旁内侧入路打开关节腔,暴露并解剖剔除ACL,观察并记录ACL胫骨止点形态,测量胫骨止点前后径和左右径。利用三维重建软件MIMICS及有限元分析软件ANSYS建立膝关节模型,模拟临床体格检查Lachman试验和pivot-shift试验,观察ACL在胫骨和股骨端止点的受力分布情况。结果 ACL胫骨致密止点大体观呈扁长的弧形,其前后径为(13.8±2.0) mm,体部左右径为(5.3±0.6) mm,前缘左右径为(11.5±1.2) mm。有限元分析显示,股骨端应力较高区域为住院医师嵴(residents’ ridge)附近一类椭圆形区域,胫骨端应力较高部分延内侧髁间嵴(medial intercondylar ridge)狭长分布,与解剖观察相符,从理论上验证了ACL止点的生物力学分布特点。结论 解剖研究及有限元分析均证实ACL胫骨止点为一扁长的弧形,理想的ACL重建技术应依据其生物力学特点进行重建, 基于解剖学研究和生物力学分析本课题组提出前交叉韧带生物力学止点重建理念,并建立手术模型。