腰椎运动节段新型有限元模型研究

目的建立成年男性腰椎L4/5运动节段有限元模型,用于进一步的生物力学研究.方法将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX建模建立正常中国男性L4/5运动节段的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转移成有限元模型.结果建立了正常中国男性L4/5运动节段有限元模型,模型总节点数为2 120个,包括1 728个Solid单元,592个Area单元,50个Link单元.结论通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以建立腰椎运动节段的有限元模型,用于脊柱生物力学的研究.     

利用CT图像和ADINA软件建立新型正常中国男性腰椎运动节段三维有限元模型

目的探讨多节段腰椎有限元模型的建立方法,为脊柱生物力学的研究提供条件。方法选取一正常男性自愿者L3～L5节段为研究对象,通过CT断层扫描、图像数字化分析及ADINA软件处理建立多节段腰椎有限元模型,并模拟力学作用进行模型真实性验证。结果建立了正常中国男性L3～L5运动节段三维有限元模型,模型总结点数为16 532个,包括12 130个Solid单元,208个Truss单元,16个planar单元。结论利用CT图像和ADINA软件建立新型腰椎运动节段三维有限元模型,为腰椎运动节段有限元模型的建立提供了一种简便、准确的方法,为探究腰椎多个运动节段三维有限元模型在各种应力应变状态下的生物力学特性创造了条件。     

基于CT建立早期退变腰椎活动节段的三维有限元模型

目的:基于CT建立了脊柱L4-5活动节段早期退变的三维有限元模型,并对其进行力学性能测试.方法:选择1名39岁慢性下腰部疼痛的中国女性志愿者作为模拟对象,对其脊柱L4-5节段进行层厚0.75 mm的连续扫描,共获得CT断层图像138幅,获取用于建立三维模型的相关数据.将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过mimics 10.0软件建模形成L4-5运动节段的三维模型后,结合CAD软件CATIA对该活动节段进行数据优化,并形成实体模型.将模型数据导入有限元分析软件Patran转换成有限元模型.模拟中立位该节段的受力环境,将4个100N力以结点负荷形式分别施加于L4椎体旋转轴等距离的内前外后部椎体结点,以观察验证该模型的准确性.结果:建立了腰椎早期退变的L4-5节段的有限元模型,模型总节点数为27 130个,单元数113 834,其中包括Solid单元113 153个,Area 161个,Link单元520个,力学测试显示负荷在椎间盘分布不均,薄弱的纤维环后部受力增加.结论:通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以以自动化程度较高的方法建立腰椎早期退变活动节段的高精度三维有限元模型,用于脊柱生物力学的进一步研究.     

非限制性人工椎间盘假体植入三维有限元模型的建立

目的:建立非限制性人工椎间盘假体(NAD)及腰椎L4~L5活动节段高精度三维有限元(FE)模型,拟为生物力学实验研究提供标准数学模型?方法:在Auto CAD中设计NAD假体,基于CT数据通过Mimics建立腰椎L4~L5节段三维模型,将NAD模型放置于L4~L5椎间盘,数据导入Abaqus采用有限元装配技术转换成有限元模型?观察NAD置换后FE模型的模拟单元?节点及构成组件?采用轴向负荷400 N以模拟L4~L5节段正常的中立位负荷,采用轴向负荷400 N及10 N?m模拟后伸负荷,验证所建立模型的科学性?结果:建立了非限制性人工椎间盘假体放置于腰椎L4~L5活动节段高精度三维有限元模型,包括:腰椎L4~L5活动节段FE模型34 123个节点及162 858个单元,其中椎体161 679个四面体单元,椎间盘?终板共1 053个六面体单元,韧带?关节囊?纤维共126个Link单元;NAD的FE模型1 583个节点及4 927个单元,其中终板共1 053个六面体单元,髓核3 724个六面体单元?力学测试显示中立位负荷及后伸负荷时所建立FE模型力学分布与现有结果一致?结论:通过计算机辅助设计可以自动化程度较高的方法建立高精度NAD假体有限元模型,Mimics通过基于阈值算法及参数化建模提供精确腰椎活动节段模型,两者可以基于有限元装配技术转换成有限元模型,该模型可用于脊柱生物力学的进一步研究?     

脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析

［摘要］ 目的建立正常脊柱腰段三维有限元模型,为生物力学研究及腰椎损伤研究提供可靠模型。 方法采集1名健康成年男性脊柱腰段CT和MRI断层影像数据,应用Mimics软件依据CT数据对全部腰椎骨及骶骨上部进行三维模型重建,依据MRI数据对L1~L5椎间盘髓核进行三维模型重建。将椎骨与髓核进行空间配准,在此基础上建立椎间盘、关节囊和韧带的三维模型。在Ansys中划分网格并定义材料属性,对模型施加运动性载荷模拟脊柱腰段处于前屈、后伸、侧弯和扭转等运动工况下的生物力学特征,验证模型的有效性。 结果建立了完整的脊柱腰段三维有限元模型,包含椎骨、椎间盘、骶骨上端、韧带、关节囊等重要结构,总节点数为104 190个、总单元数为339 165个。模型通过有效性验证,运动工况下的角位移范围和椎间盘的应力分布特点符合腰椎的生物力学特性。 结论本研究建立的三维有限元模型仿真度高,可用于脊柱腰段的生物力学研究以及模拟疾病和手术对腰椎生物力学的影响。     

退变性腰椎滑脱三维有限元模型的建立

目的建立L4-L5退变性腰椎滑脱节段的有限元模型,用于生物力学研究.方法临床选用L4-L5退变性腰椎滑脱症患者,通过螺旋CT扫描,Adobe Photoshop 5.0系统对图像进行处理,划分节点和单元,建成有限元分析模型.结果建立了L4-L5退变性腰椎滑脱节段的有限元模型,模型总节点数为1162个,总单元数为662个.结论通过CT断层扫描、计算机辅助设计等方法,可以建立退变性腰椎滑脱节段的有限元模型.     

有限元模型分析髓核摘除术后腰椎生物力学特性变化

目的采用三维有限元模型分析方法,探讨腰椎间盘突出症髓核摘除术对腰椎生物力学特性的影响。方法采用新型CAD方法精确建立腰椎L4～L5活动节段有限元模型,构建正常模型、退变模型、髓核摘除即刻模型和瘢痕长入模型,分别模拟正常椎间盘、退变椎间盘、髓核摘除术后即刻和术后中长期随访时的椎间盘,并在压缩、屈曲、伸展、前剪及后剪5种载荷条件下对4组模型进行生物力学测试。结果 (1)各种载荷下退变模型的腰椎节段刚度较正常模型提高;(2)髓核摘除即刻模型的刚度较退变模型减小,但较正常模型提高;(3)瘢痕长入模型腰椎节段刚度大幅回升并超过退变模型;(4)髓核摘除即刻模型在屈曲、后伸和后剪载荷下关节突接触力减小,瘢痕长入模型则表现为在后伸、前剪和后剪载荷下关节突接触力增加;(5)各种载荷下退变模型后向膨出度较正常模型明显减小,髓核摘除即刻模型后向膨出度一定程度回升,但其纤维环内环会发生"内向膨出"。结论腰椎间盘髓核摘除术可在术后不同时段对腰椎运动节段生物力学特性产生不同影响,髓核摘除术后即刻对腰椎稳定性和后部结构应力影响较小,而髓核摘除中长期后则可有腰椎运动节段变硬和关节突的应力增加。     

腰椎三维有限元模型建立和应力分析

目的 建立完整的腰椎三维有限元模型,并对腰3-4运动节段的进行了有效性验证和生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对CT图片进行预处理,后导人大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.分别建立了腰1-腰5各椎体及其椎间盘有限元实体,后组合成整体的腰椎和腰3-4有限元模型,并且还准确的模拟了腰椎的椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.验证了模型的收敛性,并针对腰34运动单元设置了0.3、0.5、1.0、2.0、4.0 mPa 5种载荷进行生物力学分析.结果 在轴向压力作用下,椎间盘纤维环后部存在着明显的应力集中,并向后外侧传导.最大压应力的部位在髓核和软骨终板的中央,椎弓根是椎体多种应力集中的部位.轴向压力增加,应力成比例增大.结论 本研究的有限元模型精确度高,结论符合腰椎的临床特点,较好的模拟了腰椎的生物力学特性.     

腰椎L4～L5活动节段有限元模型的建立与验证

目的:采用一种新型计算机辅助设计(CAD)方法精确建立腰椎L4～L5节段三维非线性有限元模型并进行充分验证.方法:采用改良的"非种子区域分割方法"提取腰椎CT图像数据中目标区域得到二值图像,用Marching Cubes方法由二值数据生成初始表面模型.采用反映腰椎生理曲度的"最佳切割平面"从初始表面模型获得非平行的切割轮廓线并建立"分段线性子空间",后者经仿射变换到"规则子空间"快速重构腰椎曲面,最后逆变换恢复腰椎原三维空间形状特征.将表面模型所有结点的坐标数据和三角面片信息导入ANSYS进行网格划分精确建立L4～L5节段三维非线性有限元模型,并进行加载验证.结果:所构建的L4～L5活动节段有限元模型包括94 794个Solid单元,1 196个Link单元,1 170个Shell单元,768个Target单元,464个Contact单元;同时包含了几何非线性、材料非线性与接触非线性3种非线性类型.不同载荷条件下L4～L5节段有限元模型的移位/旋转角度、椎间盘内压等预测结果与文献中相同载荷条件的试验生物力学结果相符合.结论:基于先进算法建立的腰椎L4～L5节段表面模型实现了二值图像提取、腰椎曲面重构的全数字化过程,具有极佳的仿真效果.     

腰椎运动节段数字模型建立及三维可视化研究

目的 寻求基于CT断层图像重建腰椎运动节段数字模型及三维可视化的方法.方法 基于腰椎L4-5的64排螺旋CT连续断层二维图像,Mimics软件分别对腰椎骨性结构及各种软组织进行重建,并导人有限元分析软件进行模型验证.结果 建立腰椎L4-5运动节段三维数字模型,包括两个椎体、皮质骨、松质骨、终板、纤维环、髓核及6种韧带,数字模型可输出用作CAD(计算机辅助设计)、RP(快速成型)及FEA(有限元分析)研究.结论 薄层CT、Dicom标准的应用使数字模型的建立更为精确,Mimics软件建立人体骨骼及软组织各种结构更为方便,并可以输出数字模型用于进一步研究.     

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。     

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。     

Mimics软件结合薄层CT扫描构建下颌第一前磨牙桩核冠三维有限元模型

目的 Mimics软件结合薄层CT技术建立下颌第一前磨牙桩核冠的三维有限元模型.方法应用Mimics软件直接读取通过CT扫描所获取的建模所需一维影像图像(共72张,层厚0.3 mm,无间隔)的边界数据;再利用Ansysworkbench的曲面造型和加减布尔运算建立桩核冠各个三维实体模块模型,并进行三维重组;最后在Ansys软件中建立三维有限元模型同时划分力学单元并进行力学分析.结果建立了包括全瓷冠、桩核、粘固剂、牙周膜、牙胶尖、牙槽骨的三维有限元模型.结论应用薄层CT结合Mimics软件建模的方法方便快捷,能较好地实现有限元模型的几何相似性、边界约束和载荷相似性、力学性能相似性要求.     

嵌体修复下颌第一磨牙残冠的三维有限元模型的建立

[目的]建立带桩嵌体修复下颌第一磨牙残冠的三维有限元模型.[方法]制成第一磨牙残冠的制锁式带桩嵌体修复体的模型,将该模型置于水杯中,利用螺旋CT扫描,通过图像合成软件建立三维数字模型,结合大型有限元软件ANSYS进行建模.[结果]建成后三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性.[结论]将牙体修复模型置于水中,经螺旋CT扫描并与有限元方法结合起来,可以建立复杂的牙模型,且能真实地模拟实际情况,使用性好.     

螺旋CT扫描建立成人股骨头坏死三维有限元模型

目的:通过螺旋CT扫描获取相关数据,建立成人股骨头坏死的三维有限元模型,为分析股骨头坏死后的力学改变及治疗方法的评价打下基础。方法:采用健康成人股骨上段为研究对象,应用螺旋CT扫描技术,获取股骨上段三维坐标,结合松质骨、皮质骨的材料特性参数,输入通用三维有限元分析软件ANSYS8.0中,建立正常成人股骨上段三维有限元模型,并在此基础上建立具有不同大小、方向、深浅坏死区的成人股骨头坏死模型。结果:建立的模型在几何形状、材料特性方面贴近真实情况,坏死区的设计能够全面覆盖临床常见的类型,可以满足临床进一步分析的需要。结论:采用螺旋CT扫描资料建立三维有限元模型,几何模拟、材料模拟、更加接近于自然情况,简便、高效,为进一步的分析提供一个理想的平台。     

颧上颌骨复合体骨折坚强内固定三维有限元模型的建立及其初步分析

目的:建立生物相似性和力学相似性较高的颧上颌骨复合体骨折坚强内固定三维有限元模型,为进一步分析颧上颌骨复合体骨折坚强内固定的固定效果打下基础。方法:用螺旋CT断层扫描技术及ANSYS有限元软件在计算机上建立颧上颌骨复合体三维有限元模型。在此模型中,改变骨折处单元的属性模拟骨断层;并进一步在颧上颌骨复合体骨折模型的基础上建立坚强内固定三维有限元模型。利用此模型对正中咬合情况下颧上颌骨复合体的应力分布进行了初步分析。结果:建立了颧上颌骨复合体不同部位的坚强内固定三维有限元模型。结论:该方法可以用来建立各种类型的颧上颌骨复合体坚强内固定三维有限元模型,并可应用于颧上颌骨复合体骨折等方面的研究。     

下颌磨牙不同类型缺损的纤维桩核冠三维有限元模型的建立

目的:建立下颌第一磨牙不同类型缺损及纤维桩核冠的三维有限元模型。方法:通过螺旋CT三维扫描方法,应用MIMICS10.01、Multiple Slice Edit、Calculae 3D、Edit Mask in 3D、Geomagic Studio、Ansys一系列操作软件,并按口腔修复学设计要求建立第一磨牙不同组织的三维有限元模型。结果:建立的烤瓷冠、纤维桩核、牙本质、牙骨质、牙周膜、牙槽骨等不同组织及各种牙缺损修复的三维有限元模型,准确、清晰、直观、完整、适合生物力学研究。结论:本实验建模方法科学先进、方便快捷,所建模型有良好的生物力学与几何力学相似性。为临床口腔提供了一种快捷而精确的有限元建模方法。     

近远中(牙合)支托对末端游离缺失修复应力分布的影响

目的 建立下颌双侧末端游离缺失修复方案的有限元模型库.方法 将模块化建模与参数化建模相结合,利用HyperMesh 7.0、UG 5.0、Abaqus 6.5软件,建立下颌双侧末端游离缺失(765┬567)及其不同修复设计方案的三维有限元模型.结果 获得有限元模型导入Abaqus 6.5软件,可直接运行,无任何信息丢失现象;模型临床几何相似性良好.结论 成功建立下颌双侧末端游离缺失及其修复方案的三维有限元模型库,建模过程快速高效,进一步细化了口腔组织模块化建模库.     

模块化与参数化结合建立牙列缺损三维有限元模型

目的 建立下颌双侧末端游离缺失修复方案的有限元模型库。方法 将模块化建模与参数化建模相结合,利用HyperMesh 7.0、UG 5.0、Abaqus 6.5软件,建立下颌双侧末端游离缺失(765-567)及其不同修复设计方案的三维有限元模型。结果 获得有限元模型导入Abaqus 6.5软件,可直接运行,无任何信息丢失现象;模型临床几何相似性良好。结论 成功建立下颌双侧末端游离缺失及其修复方案的三维有限元模型库,建模过程快速高效,进一步细化了口腔组织模块化建模库。