鼓膜-听骨链精细三维重建及谐响应有限元分析

目的　建立精细化的鼓膜-听骨链三维模型,并通过有限元方法进行生物力学分析,验证模型的合理性,为后续实验提供理论基础及依据。 方法　通过Micro-CT获取精细断层数据（螺距0.24 mm,断层图像共464张）,利用多软件综合处理,数字化重建鼓膜-听骨链,使用有限元进行谐响应振动力学分析,与激光多普勒在颞骨标本上获取的相应数据进行对比分析。 结果　数字化重建的鼓膜-听骨链模型,于100Hz、800Hz、8000Hz处,鼓膜数据采集点振幅分别为0.022μm、0.031μm、0.0041μm,镫骨足板数据采集点振幅分别为0.011μm、0.015μm、0.000069μm,各频率对应振幅与激光多普勒所得结果区间相符,趋势一致。 结论　利用该方法建立的模型,可以有效的数字化还原鼓膜-听骨链,后续可通过该模型,进一步实验分析听骨链生理及病理模型。     

人工听骨不同接入方式对耳结构动力响应的影响

目的 研究人工听骨接入方式对听力恢复的影响。方法 通过CT扫描技术,结合自编C＋＋程序读取CT数据中体单元建立人耳结构几何模型,将几何模型导入PATRAN中建立有限元数值模型。采用频率响应方法对耳结构模型进行流固耦合计算,同时分析人工听骨不同接入方式及接入位置对耳结构声音传导的影响。结果 通过对正常人耳的动力响应分析,得到数值模型中计算出的鼓膜凸与镫骨底板振幅与试验数据吻合,验证本文模型的正确性。结论接在鼓膜凸的位置其动力响应最好,镫骨振幅高于其他连接方式。即人工听骨接在鼓膜凸的位置比较吻合人耳的生理功能,其重建听力效果更好。     

鼓膜穿孔对听力系统振动的影响

目的研究鼓膜穿孔尺寸及穿孔衍射对听力系统振动的影响。方法利用CT获取志愿者耳部结构临床资料,提取相关结构的边界,导入ANSYS并建立人耳结构数值有限元模型。结果穿孔面积分别为0.97、3.66和7.97mm2,随着穿孔尺寸增大,共振频率分别变为3.6、4.4和4.6kHz,镫骨底板位移振幅随之变小;镫骨底板位移振幅在衍射声波作用下明显变小;在1000Hz处,鼓膜位移云图位移最大值分别为0.32、0.20和0.19μm,在共振频率处,鼓膜位移云图位移最大值分别为0.20、0.14和0.09μm。结论鼓膜穿孔尺寸越大,镫骨底板位移振幅越小,尤其4kHz以下,共振频率升高。鼓膜云图位移振幅最大值随穿孔增大变小,有望对临床治疗提供参考。     

细菌生物膜对置换钛质听骨赝复物听力恢复的影响

目的 探讨生物膜不同成长时期对部分钛质听骨赝复物结构动力行为的影响,为临床治疗分泌性中耳炎等疾病提供理论依据。方法 基于人体正常右耳的CT扫描图像,结合自编程序,重建人耳三维有限元模型,对其进行声音传导动力分析,并与实验数据对比。采用频率响应方法对耳结构模型进行计算,同时分析不同生长时期的细菌生物膜生长在人工钛质听骨上对声音传导的影响。结果 模拟得到鼓膜凸和镫骨底板振幅与实验数据吻合,验证了模型的正确性。生物膜的存在会使患者听力在低频段有0~1.6 dB的损伤;生物膜沿部分听骨赝复物径向生长会使患者听力在中高频阶段有0~12 dB的损伤,尤其是在8 kHz时,听力损伤高达11.2 dB。结论 细菌生物膜对患者听力有影响,在低频段会使患者听力损失,在高频段听力有增加。细菌生物膜在人工听骨上的径向生长会降低听力,影响人工假体对听力恢复正常的工效。     

正常人高分辨率CT中耳三维有限元建模方法

目的探索根据正常人颞骨高分辨率CT二维图像建立中耳三维有限元实体模型的方法。方法获得无中耳传音结构病变志愿者高分辨颞骨CT资料,使用Photoshop、Amira、HyperMesh及Abaqus软件根据二维CT图像建立中耳三维有限元实体模型。结果建立了包含鼓膜、听骨链的中耳三维有限元实体模型,模型几何尺寸在正常解剖数据范围内。结论探索出一种基于正常人颞骨高分辨率CT二维图像的中耳三维有限元实体建模方法,具有快捷、方便、廉价、无创性的优点,为进一步进行中耳声音传导机制有限元分析奠定了基础。     

中耳炎病变对圆窗激振听力补偿影响的数值分析

为了研究中耳炎引起的鼓膜病变和听小骨腐蚀对圆窗激振式人工中耳听力补偿的影响,利用计算机断层扫描(CT)技术和逆向成型技术建立了包含耳蜗不对称结构的人耳有限元模型,并与相关实验数据对比,验证模型的可靠性。基于该模型,通过改变相应的组织结构,分别模拟中耳炎引起的鼓膜病变和听小骨腐蚀,并对比相应的基底膜特征频率处的位移响应,来研究中耳炎病变对圆窗激振听力补偿效果的影响。结果表明:鼓膜增厚和鼓膜硬化主要恶化圆窗激振低频段的听力补偿效果;鼓膜穿孔和未导致听骨链脱离的听小骨腐蚀,对圆窗激振的影响较小;不同于前述病变类型的影响,听小骨腐蚀导致听骨链脱离时,将提高圆窗激振低频段的听力补偿性能。因此,设计圆窗激振作动器时,应综合考虑中耳炎病变对其听力补偿性能的影响,特别是鼓膜增厚及硬化对其低频段性能的恶化,适当增大其低频段的输出增益,确保其术后的实际听力补偿性能。     

置换部分听骨赝复物后对人耳听力恢复的影响

目的探讨听骨部分置换术中不同的置换方式对患者术后听力的影响。方法根据人体正常右耳CT扫描结果,用自编程序将CT扫描数值化并导入PATRAN重建人耳三维有限元模型,对其进行声音传导动力分析,并与试验数据对比。结果通过正常人耳结构动力响应分析结果与实验数据吻合,验证了模型的正确性;在0.1～10 kHz频率下保留部分锤骨柄置换人工听骨比不保留锤骨柄术后听力恢复更好,听力恢复值在11.56～28.91 dB之间;保留部分锤骨柄时鼓膜处的最大应力值比不保留锤骨柄时更小;厚2.0 mm软骨片在0.1～0.6 kHz,2～10 kHz频率上听力恢复较好;厚0.1 mm软骨片在0.6～2 kHz频率上听力恢复较好。结论在听骨部分置换术中,保留部分锤骨柄比不保留锤骨柄听力恢复效果更好;鼓膜与人工听骨的接触面上垫置的软骨片厚度在0.1～2.0 mm之间对人耳听力恢复效果较好。     

手舟骨骨内动脉的数字解剖学研究及其临床意义

目的　利用Micro-CT对手舟骨骨内动脉进行可视化数字模型构建并分析其临床意义。 方法 对12例离体人体前臂标本进行动脉血管灌注，Micro-CT扫描并运用Mimics20.0软件对血管进行三维重建，并分析重建数据，整理舟骨的滋养动脉分布。 结果　（1）重建出含骨内血管的腕舟骨数字化可视模型，可自由测量舟骨和血管的解剖数据，并清晰显示滋养动脉在骨内的分布及出入点；（2）右手复合组和左手复合组中滋养血管的数目分别为（4.670±1.366）支、（3.830±0.753）支，掌侧滋养血管分别为（1.670±0.516）支、（1.330±0.516）支，背侧滋养血管分别为（3.000±1.095）支、（2.500±0.548）支。 结论　离体腕部标本动脉灌注后骨内血管三维重建能清晰显示手舟骨骨内滋养动脉的来源及空间分布，为舟骨骨折的临床研究提供了形态学基础。     

三维重建及3D打印技术在骨盆三维特征测量准确性研究

目的　研究分析尸体骨盆与其三维重建数字化模型及3D打印实体模型的三维特征测量结果差异。 方法　选择1具中年男性骨盆标本,根据骨盆的生理学结构特点在骨盆标本表面选取并固定共计14个特征点,并使用三坐标仪测量并记录特征点的三维坐标;使用CT设备对固定了特征点的骨盆标本进行1.0 mm的断层扫描;使用三维医学图像软件（Delta Medical Studio,DMS）对获取的扫描图像进行三维重建,并记录特征点的三维坐标;使用3D打印设备（熔融沉积成型,FDM）及光固化成型（Stereo Lithography Appearance,SLA）打印三维重建模型,三坐标仪测量记录特征点的三维坐标;通过记录的三维坐标分别计算尸体标本、数字模型、3D打印实体模型的特征点之间的距离及夹角;从最大误差、平均误差、t值验证等角度分析三组数据的误差情况。 结果　三维重建数字化骨盆模型的特征测量距离的平均误差约为0.5 mm,角度平均误差约为0.35 o;3D打印模型相对于骨盆标本的距离测量的平均误差约为0.8~1.1 mm,角度平均误差约为0.4°~0.5°。 结论 三维重建模型和3D打印实体模型对于骨盆术前的参考及测量精度方面具备可靠性,可根据实际需求选择3D打印模型作为骨盆术前规划的参考。     

三维重建及3D打印技术在骨盆三维特征测量准确性研究

目的　研究分析尸体骨盆与其三维重建数字化模型及3D打印实体模型的三维特征测量结果差异。 方法　选择1具中年男性骨盆标本,根据骨盆的生理学结构特点在骨盆标本表面选取并固定共计14个特征点,并使用三坐标仪测量并记录特征点的三维坐标;使用CT设备对固定了特征点的骨盆标本进行1.0 mm的断层扫描;使用三维医学图像软件（Delta Medical Studio,DMS）对获取的扫描图像进行三维重建,并记录特征点的三维坐标;使用3D打印设备（熔融沉积成型,FDM）及光固化成型（Stereo Lithography Appearance,SLA）打印三维重建模型,三坐标仪测量记录特征点的三维坐标;通过记录的三维坐标分别计算尸体标本、数字模型、3D打印实体模型的特征点之间的距离及夹角;从最大误差、平均误差、t值验证等角度分析三组数据的误差情况。 结果　三维重建数字化骨盆模型的特征测量距离的平均误差约为0.5 mm,角度平均误差约为0.35 o;3D打印模型相对于骨盆标本的距离测量的平均误差约为0.8~1.1 mm,角度平均误差约为0.4°~0.5°。 结论 三维重建模型和3D打印实体模型对于骨盆术前的参考及测量精度方面具备可靠性,可根据实际需求选择3D打印模型作为骨盆术前规划的参考。     

全腰椎非线性有限元模型的建立与有效性验证

目的　为人体腰椎生物力学有限元分析建立有效的全腰椎非线性数字仿真模型。 方法　采集一名25岁的健康男性腰椎（L1~5）CT影像数据,依次通过Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、UG8.5、Hypermesh 13.0、Abaqus6.14-4五个软件建立模型,赋予各组织对应的属性。首先进行网格收敛性测试,选取合适的网格划分方案以提高分析效率。然后通过给模型施加不同的力矩载荷来模拟腰椎的6种运动（前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转）,计算腰椎各功能节段（functional spinal unit,FSU）的活动度（range of motion,ROM）。 结果　模型得出的结果与体外试验的数据类似,两者变化趋势规律一致。 结论　本研究使用的全腰椎非线性有限元模型的建立与验证方法可用于未来脊柱相关疾病的建模与分析。     

腰椎智能医学图像建模系统的构建及精度检验

目的　构建腰椎智能医学图像建模系统，替代分析人员完成有限元建模过程中对腰椎活动度的繁复计算工作。 方法　利用python语言构建一个附和系统，包括录制程序与回放程序。通过Geomagic的偏差分析功能评估智能建模与人工建模二者的偏差分布，并分别构建腰椎的非线性有限元模型，验证模型对有限元分析结果的影响。 结果　本课题建立智能腰椎复位系统，成功构建腰椎体的三维模型。与人工建模进行偏差分析，超过98%的区域0偏差。有限元活动度存在些许差异，经配对t检验，差异无统计学意义（P=0.2）。 结论　利用智能建模系统构建的三维腰椎模型，精确度较高且对有限元分析结果未产生影响。     

轻度青少年特发性脊柱侧凸有限元模型构建及分析

目的　构建轻度青少年特发性脊柱侧凸患者的有限元模型,验证该模型的有效性,并进行有限元分析。 方法　建立1例轻度青少年特发性脊柱侧凸患者第6颈椎至第5腰椎的有限元模型,从几何形态及力学两方面对该模型进行有效性验证。分析该有限元模型在模拟前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6种运动状态下,各椎体的应力变化。 结果　成功构建了轻度青少年特发性脊柱侧凸患者的有限元模型,模型总节点数为2561811个,总单元数为1547806个,并验证了该模型有效。模拟后伸、旋转活动时,畸形最明显处的椎体应力变化趋势与静态时相反。 结论　本实验所构建的轻度青少年特发性脊柱侧凸有限元模型有效,可进一步用于该疾病的相关研究。     

2~5掌指关节屈伸活动中关节面应力分布的有限元分析

目的　建立掌指关节三维有限元模型,分析掌指关节屈伸活动中掌指关节面应力分布情况。 方法　健康男性志愿者1名,对其右手掌指关节分别于0°、30°、60°、90°屈曲位进行CT扫描,利用扫描数据建立掌指关节三维有限元模型;于4个角度沿指骨径向分别施以10、20、30、40、50 N荷载,观察掌指关节应力分布,并对结果进行分析。 结果　4组不同弯曲角度的掌指关节网格模型节点数量、单元数量基本相同,每组模型约40070个节点,178903个四面体单元。相同载荷作用下,弯曲的角度越大,各掌指关节面的应力越大。在实现0°、30°、60°、90°屈曲过程中,2~5掌指关节掌骨头应力峰值变化范围分别为0.20~2.46、0.22~1.58、0.22~1.69、0.22~2.25 Mpa。 结论　掌指关节屈伸过程中,弯曲的角度越大,掌指关节面的接触应力越大,其应力分布范围亦增大。     

手腕部不同载荷状态下舟月骨间韧带应力分布分析

目的　建立腕关节三维有限元模型研究腕关节舟月骨间韧带（Scapholunate interosseous ligament,SLIL）在腕部不同运动中的应力分布。 方法　选取正常腕关节CT数据,将其导入Mimics软件构建腕关节三维有限元模型,分析腕关节不同运动方向受力时的SLIL应力分布。 结果　随背伸角度增大,SLIL应力增大,背伸角度增加到 90°时,SLIL受到最大应力为1.3787 MPa。背伸角度为 30°时,腕关节掌屈时SLIL受到的最大应力为 0.1596 MPa,掌屈角度增加到 90°时,SLIL的最大应力降低至0.2452 MPa。桡偏 25°时,SLIL受到的最大应力为0.8145 MPa,尺偏 25°时,SLIL受到的最大应力为 0.1356 MPa。腕关节做桡侧受力 20N 时,SLIL受到的最大应力为 0.4465 MPa,尺侧受力 20N 时,SLIL受到的最大应力为 0.4635 MPa。 结论　腕关节三维有限元模型可以模拟SLIL在腕部不同运动中的受力情况。腕关节背伸角度达90°时,SLIL的应力最大。做尺偏、桡偏动作时,相同偏转角度下,SLIL桡偏时最大应力是尺偏最大应力的6倍左右。     

机翼型Ni-Ti合金固定峡部裂对椎间盘的影响

目的　在自制机翼型Ni-Ti合金固定器基础之上,建立腰椎峡部裂内固定的有限元模型,分析其对椎间盘的影响。 方法　CT数据建立腰椎峡部裂模型,数字装配固定器,测算人体各工况下椎间盘应力峰值及分布。 结果　在前屈、后伸、左侧屈和左旋转工况下,患椎间盘的最大应力值分别增加到105%、102%、101%和111%,在使用机翼型Ni-Ti合金内固定技术重建后,患椎间盘最大应力值分别减少至67%、55%、88%和83%。 结论　机翼型Ni-Ti合金固定器构造特别,可有效减少同节段及相邻节段的椎间盘应力,防止椎间盘远期退变,具备良好的生物力学特性,有望进入临床应用,为腰椎峡部裂的治疗提供更多的选择。     

钢板骨折区增加螺钉帽对胫骨骨折内固定影响的有限元分析

目的　探讨固定胫骨骨折时骨折区钢板置入螺钉帽对固定结构生物力学性能的影响。 方法　通过CT扫描数据和三维图像重建,模拟临床手术固定建立胫骨中段粉碎性骨折锁定钢板固定有限元模型,13孔钢板布钉位置为1、2、4、5、9、10、12、13孔,骨折区钉孔为6,7,8,并设计两种钢板固定方式：A（骨折区置入螺钉帽）和B（骨折区不置螺钉帽）,对模型A和模型B分别进行600N压缩试验和1000N三点弯曲试验,计算分析模型各部位的力学指标并进行比较分析。 结果　压缩试验中,模型A钢板最大应力出现在钢板下端,模型B钢板最大应力出现在骨折区,模型A钢板最大应力明显小于模型B;三点弯曲试验中,两种模型钢板最大应力均出现在骨折区,模型A钢板最大应力明显小于模型B。 结论　在钢板骨折区空螺钉孔处增加螺钉帽,可以明显降低钢板的最大应力,减少钢板骨折区的应力集中,从而减少在骨折端处钢板发生疲劳性断裂的风险。     

全髋关节置换术中臼杯水平位移对股骨侧非骨水泥型假体-骨界面应力影响的有限元分析

目的　利用三维有限元力学分析方法, 研究全髋关节置换术中臼杯水平位移对股骨侧非骨水泥型假体-骨界面应力分布的影响。 方法　选取正常人体的骨盆及股骨为实验对象, 螺旋CT 扫描,利用计算机仿真技术对CT图像进行三维重建,建立髋关节及股骨模型,进行全髋关节置换的模拟手术, 臼杯位置从髋关节旋转中心外侧10mm处起,水平内移,每隔2 mm为一个实验组,至内移至旋转中心内侧10 mm,共分11个实验组。加载关节负荷,观察股骨侧假体-骨界面间的Von Mises应力分布情况, 对结果进行统计分析。 结果　臼杯的水平位移没有改变股骨总体的应力云分布;各组假体-骨界面应力均值（4.728±2.152）-（5.431±2.465）MPa,均值有差异,差异有统计学意义;应力均值、极差、标准差均随内移而降低,呈高度的负相关。近端假体-骨界面的应力变化,与整个股骨的应力变化相似。 结论　假体的水平内移可以降低股骨侧假体-骨界面间的Von Mises应力,内移可以使界面的应力分布更均匀。     

基于3D模型并肩胛骨接骨板设计的肩胛骨测量

目的　测量肩胛骨关键部位数据,为设计类“F”形实用性肩胛骨接骨板系统提供解剖数据支持。 方法　采集50例正常成人肩胛骨CT数据,男女各25例,导入计算机建立3D模型,测量肩胛骨骨折主要固定区域数据并分析。 结果　肩胛颈CD=（10.35±0.95）mm、外侧缘DE=（72.99±6.53）mm和EF=（52.14±6.73）mm、肩胛体HJ=（36.42±2.23）mm和HK=（41.00±2.57）mm,颈-外侧缘∠CDE=（127.89±6.02）°、外侧缘扭转角∠DEF1=（167.20±3.67）°和∠DEF2=（172.46±4.76）°,各点厚度：C=（15.65±1.99） mm、D=（17.53±2.83）mm、G=（10.21±1.83）mm、H=（9.74±1.99） mm、I=（9.62±1.65） mm、J1=（10.21±1.35） mm、J2=（9.12±1.36）mm、K1=（7.22±1.99）mm、K2=（8.58±2.22） mm。其中,CD、DE、EF,∠DEF2,点D、G、H、I、J1、J2厚度,男女分组差异有统计学意义（P＜0.05）。 结论　根据测量数据,结合解剖及手术特点,可以设计合理实用的类“F”形肩胛骨锁定接骨板系统。