肌骨模型在膝关节生物力学研究中的应用进展

肌骨模型是基于生理学、工程分析和计算机三维图像技术的用于分析人体运动系统中肌肉与骨骼之间相对位置关系的几何模型,是分析人体生物力学特性的基础,由于其在研究人体肌肉骨骼系统生物力学上的优越性而越来越多地被应用.就肌骨模型在膝关节生物力学研究中的应用进展作一综述.     

韧带和跖腱膜在足部有限元分析中的力学作用

目前通过建立足部三维有限元系统模型进行足部生物力学仿真已经逐渐被应用,而在大多数足部三维有限元模型的静态分析中,韧带和跖腱膜等软组织是通过直接连接骨骼上相应的附着点形成的索单元来模拟,而关节软骨把相邻的骨骼直接固连在一起.这种用关节软骨固连的方式代替真实的骨骼间的滑动摩擦,增强了骨骼间的结构强度,可能会造成原本由韧带等起到维持骨骼间相互作用却完全由关节软骨代替,即在有限元模型中,可能韧带等组织对仿真不起力学作用.本文的研究目的是在双足站立、静态载荷,关节采用固连方式时,分析足部三维有限元模型中有无韧带和跖腱膜对足部各种组织应力分布以及组织结构形态变化等的影响.     

3岁儿童C4-C5颈椎有限元模型开发及拉伸、弯曲验证

基于CT扫描,建立具有精确骨骼几何及详细椎间盘解剖学结构的3岁儿童C4-C5颈椎段有限元模型;参考成人颈部生物材料实验数据及相关成人与对比研究结果,采用缩放方法计算得到3岁儿童颈部组织材料参数;分别在准静态、动态拉伸以及准静态弯曲-伸展、侧向弯曲及轴向旋转载荷条件下,对模型进行验证。结果显示,准静态拉伸刚度为211.8 N/mm,动态拉伸最终失效力为759.9 N,最终失效位移为5.08 mm,均与实验值吻合良好;准静态伸展、弯曲、侧向弯曲及轴向旋转运动范围分别为9.75°、9.29°、3.79°和7.04°,均在实验基准数据允许的误差范围内,吻合良好。结论表明:该模型能较好地反映3岁儿童C4-C5颈椎段在准静态、动态拉伸以及准静态弯曲-伸展、侧向弯曲和轴向旋转载荷下的生物力学特性,具有较高的生物逼真度。     

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。     

腕关节有限元模型的建立及应用进展

背景：目前国内外较成熟的三维有限元分析多集中于脊柱和髋关节的生物力学研究,对于手部的有限元分析较少。 目的：腕关节有限元模型的建立及力学研究的应用进展。 方法：由第一作者检索万方数据库和Pubmed数据库相关文献。中文检索词为“力学分析,有限元,腕关节”;英文检索词为“wrist joint,mechanical analysis,finite element”。检索时间范围：1970年1月至2010年12月。经查阅与腕关节有限元的建模方法、可靠性、影响因素等相关文献。最终纳入21篇文献进入结果分析。 结果与结论：手部是一个复合性的机械结构,应用有限元法进行生物力学分析要同时考虑到骨骼、关节面、韧带及肌腱的作用。目前的研究基本是在静态下对腕关节有限元模型进行力学加载,尚难以实现动态模拟、分析和给予腕关节完全真实的生理载荷条件。相信随着计算机技术和有限元理论的不断发展,人们可以模拟各种现实的临床状况,建立有针对性的有限元模型,为研究复杂的手部功能、疾病、治疗及日常生活所需提供更有力的帮助。     

基于AnyBody骨骼肌肉多体动力学分析的有限元仿真

目的研究AnyBody骨骼肌肉多体动力学仿真技术的建模和有限元建模相结合的方法,进行临床骨外科生物力学分析。方法根据志愿者身高、体质量及CT数据,利用AnyBody软件建立志愿者个性化上肢的骨骼肌肉运动力学模型,模拟正常人肘关节屈曲运动,导出肱骨在屈曲运动过程中所受肌肉力、关节力、力矩及约束条件,作为有限元分析的边界条件。根据CT数据在MIMICS软件中进行三维重建,在Geomagic Studio软件中完成肱骨曲面化和位置坐标匹配,并在HyperMesh软件中进行网格划分和材料赋值。把三维重建的肱骨有限元模型导入ABAQUS软件中,施加AnyBody软件导出的边界条件数据并执行应力计算分析。结果在ABAUQUS软件中计算得到肘关节屈曲运动过程中肱骨的应力、位移结果,肘关节屈曲运动约90°时肱骨受到的应力和位移最大,分别为0.76 MPa、20μm。结论实现了肘关节屈曲运动过程中肱骨应力、位移的一个连续动态的分析,更符合人体生理解剖要求,为研究临床骨外科问题提供一个高效的分析平台及新的方法。     

骨科生物力学测试技术及其意义

对骨科生物力学测试技术--实验生物力学测试中的电测法、光测法及计算生物力学测试中的有限元法进行描述并综述其应用及意义。电测法灵敏度与精确度高；可以用于现场测定和模拟测定，具有测试方法比较直接的优点。但它不能直观得到构件上应力分布的全貌。光测法是一种全场性测量法，可了解到结构物内应力（或位移）分布的全貌，获得的图像信息可长期储存。人体结构的复杂性，骨骼结构的不规则性决定了光测法仍将继续发挥其重要作用。有限元方法涉及了骨骼系统的应力分析、内外固定系统的研究，以及人工各种假体的设计与优化。近年有限元技术在计算结果的可靠性方面已经跃上了新的台阶，建模更加逼真，计算结果更加可靠，结论更加可信。计算生物力学技术与实验生物力学技术相辅相成，互为补充，缺一不可。     

踏跳瞬间足后部骨骼的三维有限元分析

目的建立足部三维有限元模型,对足后部骨骼在踏跳中的应力分布进行分析。方法应用CT扫描和CAD/CAM软件处理,建立足后部骨骼三维模型。通过对背跃式跳高踏跳的足底压力测量和逆向肌肉力量计算,确定载荷约束条件,并进行有限元计算。结果获得了踏跳瞬间,跟骨、距骨、舟骨等易损伤部位的生物力学响应和应力分布,发现跟骨后距关节,距骨背面均为应力集中处。结论本研究建立的模型可用于足后部骨骼生物力学研究,为踏跳中的运动损伤力学机理提供数据。     

基于CT图像重建人体膝关节3D骨骼优化模型

目的:重建一个含有股骨远端和胫骨近端的人体膝关节3D骨骼优化模型。方法:采用螺旋CT机扫描人体膝关节部位,从胫骨近端到股骨远端,获得DICOM格式图像数据。利用Mimics软件进行图像数据输入和视图图像处理重建3D骨骼模型,并使用它自带的3-matic软件对所建的3D模型进行优化处理。结果:使用Mimics软件重建了一个含有股骨远端和胫骨近端的左侧人体膝关节3D骨骼模型,其自带的3-matic软件重建了一个含有股骨远端和胫骨近端的左侧人体膝关节3D骨骼优化模型。结论:该优化模型可清晰精确地模拟股骨远端和胫骨近端的三维几何形态,能导入到ANSYS/ABAQUS等有限元软件进行力学特性分析,也能结合MRI重建含有半月板的人体膝关节生物力学模型,为仿生膝关节的结构设计提供理论依据。     

三合一骨融合治疗儿童先天性胫骨假关节的三维有限元分析

背景:对腓骨完整型先天性胫骨假关节进行三合一骨融合可增加假关节愈合处横断面积、减少再骨折发生率,但也改变了胫腓骨的形态及承重生物力学,而这种生物力学改变目前尚不明确.目的:建立三合一骨融合治疗先天性胫骨假关节实现骨性愈合后的骨骼三维有限元模型,分析其在不同应力状态下的Von Mises应力峰值及分布特点.方法:选择湖南...     

Graphic-based musculoskeletal model for biomechanical analyses and animation

The ability to combine physiology and engineering analyses with computer sciences has opened the door to the possibility of creating the 'Virtual Human' reality. This paper presents a broad foundation for a full-featured biomechanical simulator for the human musculoskeletal system physiology. This simulation technology unites the expertise in biomechanical analysis and graphic modeling to investigate joint and connective tissue mechanics at the structural level and to visualize the results in both static and animated forms together with the model. Adaptable anatomical models including prosthetic implants and fracture fixation devices and a robust computational infrastructure for static, kinematic, kinetic, and stress analyses under varying boundary and loading conditions are incorporated on a common platform, the VIMS (Virtual Interactive Musculoskeletal System). Within this software system, a manageable database containing long bone dimensions, connective tissue material properties and a library of skeletal joint system functional activities and loading conditions are also available and they can easily be modified, updated and expanded. Application software is also available to allow end-users to perform biomechanical analyses interactively. This paper details the design, capabilities, and features of the VIMS development at Johns Hopkins University, an effort possible only through academic and commercial collaborations. Examples using these models and the computational algorithms in a virtual laboratory environment are used to demonstrate the utility of this unique database and simulation technology. This integrated system will impact on medical education, basic research, device development and application, and clinical patient care related to musculoskeletal diseases, trauma, and rehabilitation.     

肌力对足关节接触特征影响的生物力学研究

目的 探究足踝体外生物力学实验中肌力对足关节接触力、峰值压强以及接触面积的影响,为选择合适的加载方式提供依据。 方法 踝关节中立位状态下,对新鲜小腿和足离体标本分别进行有无肌力两种方式加载,测量加载状态下第 1 跖趾关节、第 2 跖趾关节、第 1 跖楔关节、第 2 跖楔关节、内侧楔舟关节、中间楔舟关节、距舟关节、 跟骰关节、距下关节(后关节面)以及胫距关节的接触力、峰值压强和接触面积,并对结果进行对比分析。 结果 与无肌力加载状态相比,进行肌力加载时足第 1 跖趾关节、第 2 跖趾关节、第 1 跖楔关节、第 2 跖楔关节、内侧楔舟关节、中间楔舟关节、距舟关节和胫距关节的关节接触力均显著增大( P < 0. 05),变化百分比分别为 719. 28%、311. 37%、128. 67%、50. 82%、54. 89%、57. 63%、79. 98% 和 50. 34% ;足第 1 跖趾关节、第 1 跖楔关节和距舟关节的关节峰值压强显著增大(P<0. 05),变化百分比分别为 176. 14%、62. 91% 和 40. 07% ;足第 1 跖趾关节、第 1 跖楔关节、中间楔舟关节以及距下关节(后关节面) 的关节接触面积均显著增大( P < 0. 05),变化百分比分别为 132. 20%、55. 41%、30. 97% 和 26. 87% 。 结论 足踝标本生物力学实验中,进行肌力加载对足各关节的关节接触力、峰值压强或接触面积均产生显著影响,前足表现尤甚。 在进行相关体外标本研究时,需要考虑肌力加载对足踝受力情况的影响,为足踝生物力学实验提供参考。     

A Population of Patient-Specific Adult Acquired Flatfoot Deformity Models Before and After Surgery

Following IRB approval, a cohort of 3-D rigid-body computational models was created from submillimeter MRIs of clinically diagnosed Adult Acquired Flatfoot Deformity patients and employed to investigate postoperative foot/ankle function and surgical effect during single-leg stance. Models were constrained through physiologic joint contact, passive soft-tissue tension, active muscle force, full body weight, and without idealized joints. Models were validated against patient-matched controls using clinically utilized radiographic angle and distance measures and plantar force distributions in the medial forefoot, lateral forefoot, and hindfoot. Each model further predicted changes in strain for the spring ligament, deltoid ligament, and plantar fascia, as well as joint contact loads for three midfoot joints, the talonavicular, navicular-1st cuneiform, and calcaneocuboid. Radiographic agreement ranged across measures, with average absolute deviations of <5° and <4 mm indicating generally good agreement. Postoperative plantar force loading in patients and models was reduced for the medial forefoot and hindfoot concomitant with increases in the lateral forefoot. Model predicted reductions in medial soft-tissue strain and increases in lateral joint contact load were consistent with in vitro observations and elucidate the biomechanical mechanisms of repair. Thus, validated rigid-body models offer promise for the investigation of foot/ankle kinematics and biomechanical behaviors that are difficult to measure in vivo.     

3-PH/R踝关节康复机器人的运动轨迹

目的 研究3-PH/R踝关节康复机器人在不同轨迹下对关节及肌肉受力的影响.方法 分析3-PH/R踝关节康复机器人的运动学原理,将机器人模型简化后导入生物力学建模软件中,以踝关节康复机器人的实际运动轨迹作为模型驱动,比较在跖背屈、内外翻和章动3种不同运动轨迹下关节和肌肉的受力情况,并对3种运动轨迹进行相关性分析.结果 章...     

Biomechanical study of tarsometatarsal joint fusion using finite element analysis

Complications of surgeries in foot and ankle bring patients with severe sufferings. Sufficient understanding of the internal biomechanical information such as stress distribution, contact pressure, and deformation is critical to estimate the effectiveness of surgical treatments and avoid complications. Foot and ankle is an intricate and synergetic system, and localized intervention may alter the functions to the adjacent components. The aim of this study was to estimate biomechanical effects of the TMT joint fusion using comprehensive finite element (FE) analysis. A foot and ankle model consists of 28 bones, 72 ligaments, and plantar fascia with soft tissues embracing all the segments. Kinematic information and ground reaction force during gait were obtained from motion analysis. Three gait instants namely the first peak, second peak and mid-stance were simulated in a normal foot and a foot with TMT joint fusion. It was found that contact pressure on plantar foot increased by 0.42%, 19% and 37%, respectively after TMT fusion compared with normal foot walking. Navico-cuneiform and fifth meta-cuboid joints sustained 27% and 40% increase in contact pressure at second peak, implying potential risk of joint problems such as arthritis. Von Mises stress in the second metatarsal bone increased by 22% at midstance, making it susceptible to stress fracture. This study provides biomechanical information for understanding the possible consequences of TMT joint fusion.     

外侧楔形鞋垫对足踝生物力学影响的有限元分析

目的 探究外侧楔形鞋垫对足踝内部组织(包括足骨、关节和韧带)的生物力学影响。 方法 建立并验证足踝-鞋垫-地面三维有限元模型,探究步态 3 个关键瞬间赤足模型和鞋垫干预模型的足底压力分布、关节接触压力、跖骨及主要韧带的应力。 结果 5°外侧楔形鞋垫模型足底峰值压力比赤足模型减小 65. 8% 。 鞋垫干预使楔舟关节处峰值接触压力减小;距下关节处峰值接触压力和第 4、5 跖骨处峰值应力增大。 结论 本研究量化评估了外侧楔形鞋垫对足踝各部分的生物力学影响,提出了可适当减小外侧楔形鞋垫第 4、5 跖骨处倾斜角度的设计建议。     

正常步态下髋臼底接触面积与压力分布的三维有限元分析

背景：认识髋关节的正常压力分布特点,将有助于进一步了解正常髋关节的力学机制与异常载荷下关节软骨的病理学行为。 目的：运用三维有限元的方法,分析正常步态过程中头臼间接触面积和应力分布情况。 方法：应用CT扫描技术和计算机图像处理系统,建立髋臼的三维有限元模型,利用髋臼模型模拟髋臼在完整步态过程中连续32个位相时的受力状况,并对各位相时接触面积进行计算。 结果与结论：获得了髋臼在32个位相时的应力峰值分布呈双峰形,在起步位相时达到峰值(4.2 MPa),支撑期接触面积明显高于跨步期。始终接触部位集中在髋臼顶部,偏内侧,而髋臼前角与后角始终没有应力传导。髋臼软骨在不同位相的应力分布明显不同,支撑期应力增高区分布在臼顶区,而跨步期应力增高区在臼软骨的内侧缘。结果显示髋臼的接触应力增高区及接触面的分布对临床研究有重要意义,可提示导致髋臼骨性关节炎的好发因素。     

踝关节内翻的有限元力学分析

背景：近年来,骨科生物力学领域的研究不断成熟和发展,研究方法多采用有限元分析软件。作者检索文献发现国内外学者对于踝关节的研究也日益增多,但是所见研究均为静态状态,而且对于非中立位相踝关节损伤的研究鲜有报道。 目的：对已建立的踝关节数字模型进行有限元力学分析,观察踝关节在不同内翻角度时,其组成骨在不同空间维度上的位移、剪切力变化及应力变化规律,探讨内翻时踝关节的损伤机制。 方法：经Mimics、Geomagic和Ansys处理后,生成的踝关节三维数字模型导入软件Ansys中,经过约束条件、施加载荷、求解试算等阶段,对不同内翻角度时的踝关节各组成骨进行有限元分析。 结果与结论：实验模拟了踝关节内翻角度在10°,15°,20°,25°,30°,45°,60°,70°,80°,85°的10种不同工况,分别对踝关节进行有限元力学分析,得到其各组成骨在不同空间维度上发生的位移、剪切力和应力分布情况。分析数据,发现其所发生位移、所受应力及剪切力均随着内翻角度的增加不断增加,最大应力分布区即外踝、距骨滑车髁间线外侧部,为临床上最常见发生骨折的部位。随着内翻角度的增加,距骨x轴上发生的位移增加,从而影响整个踝关节的应力分布。     

Asymmetric knee loading at heel contact during walking in patients with unilateral knee replacement

Increased load on the knee joint by excessive levels of impact forces during initial contact has been suggested to lead to knee osteoarthritis (OA). Asymmetric loading after knee replacement may also relate to the development of OA in the contralateral limb, therefore this study investigated the heel strike transient vertical force and subsequent lower extremity kinematic, kinetic and spatio-temporal parameters during level walking between the operated and the contralateral limbs in patients 12 months following unilateral knee replacement. A six camera motion analysis system with a force plate was used to investigate the differences between limbs in the heel strike transient vertical GRF and its relative timing, and hip, knee and ankle angles and moments at initial contact, as well as spatio-temporal parameters during the stance phase of walking in 19 subjects with unilateral knee replacement. Paired t tests showed a significant difference in the contralateral limb relative to the operated limb in the heel strike transient magnitude (p=0.03), hip moment (p=0.01), knee moment (p=0.02) and ankle moment (p=0.03). No significant differences were found for the joint angles at heel contact or the spatio-temporal parameters (p>0.05). The heel strike transient magnitude was lower for the operated limb with no differences in the spatio-temporal parameters or the joint angles at initial contact between the limbs. Differences in the hip, knee and ankle moments were also found indicating an asymmetric loading of the impact force at initial contact on the lower extremity. The current findings may indicate an asymmetric loading on the knee joint and therefore may be clinically relevant in patients undergoing unilateral knee replacement.     

男性青年踝关节外侧副韧带损伤后行走步态分析

目的 获取青年男性踝关节外侧韧带损伤者行走时踝关节的运动学和动力学参数,探讨损伤者行走步态的生物力学特性。方法 采用Qualisys MCU500三维运动影像捕捉系统与Kistler三维测力台,对踝关节外侧副韧带损伤者与健康者各15名的行走步态进行三维同步测试。结果 踝关节外侧副韧带损伤者竖直方向的地面反力变化平缓;在支撑时相中前期,损伤者前后方向的力要比健康者大;在步态周期的60%之前,损伤者左右方向的力明显大于健康者。损伤者关节跖屈力矩变化与健康者相似,患侧外翻力矩、外旋力矩最大,损伤者健侧输出功率最大。结论 损伤者踝关节的稳定性下降,行走时步态异常,为减少患侧负荷,健侧出现代偿效应,足着地瞬间加速过度到垂直支撑时相。本研究为预防踝关节以及损伤后的临床治疗以及康复训练等提供一定的理论参考。