基于有限元法对足跟痛在推离期的生物力学研究

基于有限元法对推离期下足跟痛的发病和康复机理进行研究。采集一位足跟痛患者的CT和MRI图像用于三维重建,利用Geomagic软件对得到的模型表面优化,再通过Hypermesh软件对模型进行有限元前处理,最后将得到的下肢有限元模型导入到Abaqus中分析计算,与足底压力板测试结果对比验证模型的有效性,并根据计算结果分析小腿三头肌力的变化对足踝步态推离期生物力学行为特性的影响。结果表明,小腿三头肌肌肉力从550 N增大到1 100 N的过程中,第一趾骨区的峰值压力增大了32. 8%,跖骨区的峰值压力增大了14. 3%;第一根足底筋膜的应力高达4. 69 MPa;跟腱与跟骨连接处和跟骨结节部位的应力峰值分别为28. 36和32. 79 MPa。由此可见,小腿三头肌挛缩和推离期的绞盘效应会导致足底筋膜过度拉伸,引起跟骨结节处的应力水平提高,使得足部生物力学环境发生变化,从而诱发足底筋膜炎,导致足跟痛。缓解小腿三头肌挛缩、减小肌肉力、避免足底筋膜过度拉伸及降低附着点处的应力水平以恢复足部正常生物力学环境,是治疗足跟痛的主要康复机理。     

个性化足跟痛缓冲鞋垫的生物力学研究

目的研究带有不同结构后跟垫的个性化鞋垫对足跟痛患者足部应力集中的作用效果。方法结合统计学和有限元分析方法,建立足跟痛患者足部及个性化鞋垫有限元模型,仿真模拟不同鞋垫对足跟痛患者足部软组织内外及足底筋膜应力的作用效果。结果足部软组织内部所受应力高于足底表面,足底筋膜应力在第3根筋膜上的应力最高。裸足站立时足跟区软组织内部应力峰值是表面峰值的1.34倍,足底第3根筋膜的应力为1.50 MPa。通过正交试验得到的优化鞋垫模型能够降低足跟区软组织内部应力峰值51.0%,同时缓解足底第3根筋膜应力11.3%。结论带有竖轴椭圆形、蜂窝状孔槽结构后跟垫的个性化缓冲鞋垫方案较优,后跟垫能辅助跟骨脂肪垫吸收或缓冲震荡,较好地减轻足底应力分布集中的同时具有缓解足底筋膜张力的作用。结果有助于认识足跟痛足部的应力分布情况,对研究足跟痛的病理和治疗具有重要的意义。     

基于三维膝-踝-足有限元模型的足跟痛足底压力生物力学分析

目的通过有限元方法研究鞋垫参数变化对足跟痛患足生物力学机制的影响。方法基于CT图像数据建立足跟痛患者足部、小腿骨骼、腓肠肌及膝关节三维有限元模型,通过改变鞋垫形状、厚度及硬度仿真计算足底压力分布及应力峰值。结果有限元模型足底压力分布与压力测量板的足底压力分布部位大体一致,数值非常接近。与裸足站立相比,穿着平板式、半接触式和全接触式鞋垫时足跟区压力峰值分别下降20.5%、59.2%和38.4%,跖骨头区压力峰值分别下降9.9%、18.1%和46.7%。足跟痛患者足底表面足跟区和跖骨头区域压力峰值均随鞋垫常规厚度的增加而减小,并随硬度的减小而减小。结论鞋垫参数的改变对足底压力产生显著的变化。有限元分析有助于足跟痛病因病理的了解,为临床治疗提供理论基础。     

基于有限元法研究足跟痛发生与康复机制

目的研究足跟痛病症的发生与康复机制,为临床上足跟痛治疗方法的有效性提供理论依据。方法对足跟痛患者足膝部CT、MRI影像数据进行三维重建,建立患者足膝部的骨骼-肌肉复合有限元模型。基于所建模型采用有限元方法,仿真模拟小腿肌肉挛缩对足踝部生物力学性能的影响。结果在小腿肌肉提升力的作用下,足底压力从足跟区向足掌区转移,且不同肌肉作用力组合方案对压力分布不产生明显差异。足底筋膜张力升高,跟骨表面产生应力集中。在240 N作用力下,跟腱附着位置和跟骨结节处产生应力峰值,分别高达10.82、11.2 MPa。结论小腿部肌肉和跟腱中产生应力集中,会导致足踝部生物力学特性发生变化,引发足跟部疼痛。释放集中应力恢复踝关节中各骨骼和关节的位置,从而改善整体生物力学环境的方法是治疗足跟痛的康复机制。     

康复辅具与生物力学

随着老龄化加剧,康复辅具的作用和意义凸显.近来,国务院发布了发展中国康复辅具产业的若干意见,对康复辅具创新提出了新的要求.无论是运动康复训练系统、矫形器、假肢、还是助行器等康复辅具,都与生物力学有密切的关系.本期专刊收录了数篇与康复、康复辅具研发密切相关的生物力学论文,为康复工程、康复辅具研发提供参考.     

基于有限元分析腓肠肌作用力对足部生物力学的影响

目的探讨不同腓肠肌作用力变化对足跟痛生物力学机制的影响。方法运用Mimics软件对临床计算机断层扫描足部图像进行三维实体模型重建,建立包括骨骼、软组织、韧带及足底筋膜的足部有限元模型。腓肠肌作用在足部上的作用力取人体半体重320 N的40%~90%,每隔5%半体重(即16 N)增加,并计算足底表面压力分布及峰值、足底筋膜应力等。结果足底表面压力分布主要集中在足跟处和跖骨头区域,足底足跟处压力峰值随着腓肠肌作用力的增加而减小,而足底前部压力峰值先减小后增大,在224 N(70%)时达到最小值。足底筋膜的应力随腓肠肌作用力的增加而增加。结论腓肠肌作用力的改变对足底压力及足底筋膜应力产生显著影响。有限元分析有助于对足部疾病病因病理的了解以及对腓肠肌松解术后生物力学结果预测,为治疗提供理论依据。     

有限元法在足踝生物力学研究中的应用进展

有限元法以其高效、精确、可重复利用等特点成为生物力学研究的有效工具。由于足踝部位复杂的解剖结构和运动特性,有限元法可以借助强大的仿真建模和数据计算能力解决真实实验难以解决的问题,具有独特的优势并得到了广泛应用。本文归纳整理了近5年来国内外应用有限元法研究足踝生物力学问题的文献资料,从足踝在不同运动状态下的生物力学分析、组织特性研究、临床治疗分析以及支具与鞋的研究4个方面进行综述,为足踝生物力学的研究提供理论参考,并对未来有限元法在足踝生物力学领域的应用发展提供新思路。     

口腔修复生物力学中三维有限元法应用的研究进展及展望

自 2 0世纪 6 0年代以来 ,随着计算机技术的进步 ,有限元分析法已逐步发展成为工程中广泛应用的方法。有限元法也是生物力学研究中的重要手段之一。它可对复杂几何形状物体建模 ,求得整体和局部的应力和位移值及其分布规律 ,并可根据需要改变受载与边界条件等力学参数 ,在维持原模型几何形状不变的情况下 ,可方便地对其应力大小和分布的变化进行对比分析。这种方法高效、精确、低成本 ,已成为结构优化设计、材料非线性和几何非线性分析的一种实用、有效、方便的应力分析方法。本文就口腔修复生物力学中有限元方法的应用研究现状进行了回顾 ,…     

颈椎生物力学有限元法研究进展

有限元方法于40年代创立,随后广泛用于工程技术的各领域,自1972年Breke Imam等[1]首次将其引人生物力学领域以来的短短30年时间里,有限元分析法已取得了长足的发展.     

基于三维有限元静态分析的人体足部生物力学研究

目的:建立一个基于健康人体的、系统的、具有高度几何相似性的足部三维有限元模型,并用此模型静态地分析人体双足站立相时的足部内部的生物力学特性,量化足部内部的应力/应变状况、足部内侧纵弓变化等。方法:基于志愿者右足的3维CT层切数据,对足踝系统相关组织进行几何重建及其网格划分,建立完整的有限元模型并对人体站立状态进行了静态模拟。结果:站立姿态下的足底表面接触压力分布、内部软组织应力分布以及内侧足弓的变形等人体足部生物力学特性被量化。结论:本研究中创建的三维有限元足部模型,经验证是一个正确、可靠的模型,可以帮助临床医生和其他研究人员更好的理解足部内部的许多生物力学特性。     

儿童头部有限元模型研究进展

头部损伤是导致儿童死亡与伤残的重要原因,对儿童头部损伤生物力学的深入研究意义重大。近年来,通过构建真实的儿童头部有限元模型来研究儿童头部损伤的方法日益成熟,逐步代替了尸体实验、动物实验以及物理实验。对儿童头部有限元模型的年龄特点、构建方法、模型应用以及发展趋势等进行较为全面的综述,并对该领域还有待研究的内容以及未来的发展方向做出展望。     

基于磁共振图像的人体骨盆三维重建及有效性验证

目的：利用磁共振图像重建人体骨盆,并利用有限元方法验证建立该模型的有效性,为临床上不适合CT扫描的患者,提供了从MRI图像重建人体模型和骨盆生物力学研究的另一种方法。方法：采用1.5T的核磁成像仪扫描获取正常骨盆MRI图像,利用Hypermesh进行网格划分和韧带添加,采用Mimics和Geomagic对图像数据进行重建。对模型施加适当的界条件,运用有限元分析方法,分析该模型的应力应变和位移结果,同实验测量文献和CT重建的模型有限元模型结果对比。结果：骨盆上关键点的应力应变和位移数值基本吻合引用的参考文献对应点数值,趋势基本相似。坐位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力由骶骨经骶髂关节向下传递,经坐骨上支、到达坐骨结节;应力主要集中在坐骨大切迹和坐骨结节。站位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力分别经骶骨翼、骶髂关节,坐骨大切迹,弓状线,至髋臼;应力主要集中在骶髂关节和坐骨大切迹。结论：成功利用MRI建立的有限元模型,其基本可以反应骨盆的力学结构特点,准确性较高,可以作为用于研究骨盆及其植入物生物力学的基础。站立位时,骨盆的主要负重和稳定结构位于后方;坐位时,骨盆承载人体重量并在上下应力传导中起着非常重要的作用。     

基于伽辽金有限元法的磁感应断层成像正问题仿真

磁感应断层成像（MIT）的正问题计算为系统建模和研究提供了重要依据,由于MIT中涡流场微分方程的非正定性,增加了MIT正问题计算的复杂度。本研究提出一种基于伽辽金有限元法的正问题求解方法,该方法对微分算子无特殊要求,解决了涡流场微分方程非正定性的问题,利用该方法对成像区域内的磁场分布、涡流强度以及检测线圈的相位差等参数进行了分析。计算结果表明,成像区域内磁感应强度的幅值主要由实部决定,而虚部对场域内电导率的变化较为敏感,因此,可以用磁感应强度的虚部进行图像重建。同时,与目标导体的位置越近、激励线圈的位置越远,检测线圈中的相位差值越大;同一位置的目标导体,检测线圈的相位差与电导率大小成线性关系。经理论推导与仿真实验的验证,所采用的伽辽金有限元法能够有效求解MIT正问题,进而为MIT硬件系统的测量及重建算法的研究提供实验参考和理论依据。     

基于有限元方法的心脏除颤仿真研究

临床动物电击除颤实验无法精确测量放电电场在心脏上的实际分布情况,且存在诸多不便利和不安全因素.鉴于此,提出了一种基于心脏建模及有限元求解的心脏除颤电场分布仿真研究方法,心脏模型包含了完整的心房心室解剖结构和左右心腔,考虑了心肌细胞和血液的电阻率,然后采用有限元方法进行分析,并使用Abaqus集成环境进行求解,求解结果与文献报道的参考标准进行对比.仿真结果在除颤电压阈值和能量阈值方面与目前的植入式心脏复律除颤器( ICD)的临床应用效果具有相当的吻合度,能量阈值相对误差仅为10％,验证了所提出方法的可行性.     

The Response of Cranial Biomechanical Finite Element Models to Variations in Mesh Density

Finite element (FE) models provide discrete solutions to continuous problems. Therefore, to arrive at the correct solution, it is vital to ensure that FE models contain a sufficient number of elements to fully resolve all the detail encountered in a continuum structure. Mesh convergence testing is the process of comparing successively finer meshes to identify the point of diminishing returns; where increasing resolution has marginal effects on results and further detail would become costly and unnecessary. Historically, convergence has not been considered in most CT‐based biomechanical reconstructions involving complex geometries like the skull, as generating such models has been prohibitively time‐consuming. To assess how mesh convergence influences results, 18 increasingly refined CT‐based models of a domestic pig skull were compared to identify the point of convergence for strain and displacement, using both linear and quadratic tetrahedral elements. Not all regions of the skull converged at the same rate, and unexpectedly, areas of high strain converged faster than low‐strain regions. Linear models were slightly stiffer than their quadratic counterparts, but did not converge less rapidly. As expected, insufficiently dense models underestimated strain and displacement, and failed to resolve strain “hot‐spots” notable in contour plots. In addition to quantitative differences, visual assessments of such plots often inform conclusions drawn in many comparative studies, highlighting that mesh convergence should be performed on all finite element models before further analysis takes place. Anat Rec, 2011. © 2011 Wiley‐Liss, Inc.     

基于有限元法的人类头部损伤生物力学的模拟分析

根据正常头部螺旋CT扫描影像，通过对CT扫描影像的图像处理，利用计算机辅助工程技术，采用单元网格划分和三维重构技术，开发、建立了三维的人类头部有限元计算模型。应用本模型模拟颅脑在直接碰撞中的生物力学问题。计算模型比较真实地反映了头颅实际碰撞实验中的物理反应，比较忠实地再现了某些实验的结果，如头部撞击合力和脑压力/强等。同时，脑压力，强的分布再次证实了经典的撞击压-对撞压产生理论。本研究的计算模型可为进一步的头部损伤生物力学研究提供一种新的工具。     

交通事故中颈部损伤的有限元模型研究现状

汽车交通事故是当今世界造成儿童和年轻人死亡的主要原因,其中头颈部的损伤是交通事故中最为常见的致命性损伤.由于碰撞条件复杂和不可重复,再加上尸体和动物研究的伦理问题,致使头颈部损伤机理的实验研究存在较大困难,因此有限元分析在人体头-颈部耐撞性研究得到广泛应用.有限元方法的应用对于交通事故中不同撞击条件损伤程度的评估以及汽车工业损伤保护标准的开发起重要作用.本文从头颈部损伤机理、有限元几何模型获取、有限元网格划分,及所研究材料特性和实验验证方法等方面,对近年来国际上开发的应用有限元模型对交通事故中的头颈部损伤的研究现状进行综述,并对各个模型的优势和特点加以分析归纳,并对未来相关研究提出建议.