国人第5百分位女性行人下肢生物力学计算模型开发及应用

目的 预测与评估行人-汽车碰撞中小身材女性行人下肢的生物力学响应及损伤机制。方法 基于符合国人第5百分位女性特征的志愿者CT影像数据,重构具有详细解剖学结构的下肢几何模型,进行表面处理和网格化后,构建下肢有限元计算模型。重构动态三点弯曲尸体试验以及高速载荷下膝关节横向弯曲和剪切尸体试验,对模型进行有效性验证。应用该模型参照Euro NCAP技术公告TB024设置4组行人下肢-汽车碰撞仿真试验,探究第5百分位女性行人下肢损伤机制。结果 通过对比仿真试验与尸体试验结果,验证该模型具有较高的生物仿真度。在4种不同车型仿真试验结果中,SUV车型对下肢损伤最轻。小身材女性下肢股骨最易发生骨折,长骨最先骨折,使得膝关节韧带未见损伤。结论 本文所建下肢有限元模型作为国人第5百分位整人模型开发的一个重要组成部分,为模型研发奠定基础。研究结果对小身材女性行人损伤机制研究和行人保护装置研发有重要的应用价值。     

具有详实解剖学结构的国人第5百分位女性胸腹部有限元模型开发及验证

目的 预测与评估汽车碰撞中小身材女性胸腹部的生物力学响应及损伤机制。方法 基于国人第5百分位女性志愿者CT图像,提取精确的胸腹部几何轮廓,借助相关软件构建具有详实解剖学结构的国人第5百分位女性胸腹部有限元模型,并重构3组胸腹部尸体实验,即胸部正面撞锤冲击实验、腹部正面棒击实验和胸腹部侧面撞锤冲击实验,对模型进行有效性验证。结果 仿真实验所得接触力-变形量曲线及胸腹部组织器官损伤生物力学响应与尸体实验结果吻合,验证了模型的有效性。结论 该模型可用于小身材女性胸腹部损伤机制的研究,也能应用于小身材女性乘员约束系统的研发及司法鉴定案例分析,并为开发中国体征第5百分位女性整人有限元模型奠定基础。     

颅-脑在头部受直接撞击时相对位移的模拟研究

颅脑相对运动所产生的相对位移是造成头部损伤的原因之一。以往的研究均是采用真实实验的方法，这样做不仅成本提高，而且也会引起一些社会伦理问题。本研究利用二维的颅脑弹簧．质量系统模型和2个二维颅脑有限元模型，模拟了颅脑在受到撞击时所产生的相对位移。在这些模型中，脑、颅骨通过脑脊液耦合成为一个整体。其中，在弹簧-质量系统模型中，脑脊液以弹簧和阻尼组成的黏弹性系统模拟；而在有限元模型中，脑脊液以线弹塑性模拟。3个模型都有效地求得了与实验相吻合的颅脑最大相对位移。对有限元模型与弹簧-质量系统模型的模拟结果也进行了比较分析。最终得出：在受到外界冲击时，颅脑之间产生的相对位移不超过5mm。     

颅脑有限元模型演化规律及其生物力学研究进展

交通事故中头颈部损伤因其较高的致命性,已成为最严重的损伤类型。有限元模型在创伤性脑损伤生物力学机理研究中得到日益广泛应用。回顾头颈部有限元模型的生物力学研究历史和现状,并阐述车辆碰撞交通事故中人体颅脑典型交通伤演化规律和生物力学研究进展,探索头颈部损伤安全防护的方法,以期为车辆碰撞事故中人体颅脑损伤生物力学研究和相应的汽车安全防护装置研制提供理论依据。     

颅脑有限元模型的研究进展及应用

有限元法(finite element method,FEM)是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种数值分析方法,同时也是一种比较先进的生物力学研究方法。FEM早期应用于工程科学技术领域,近几年来,生物医学工程领域已经广泛应用FEM进行脑方面的研究。随着交通、运输业的发展,颅脑损伤发生的概率越来越高,严重威胁着人类的身体健康。通过建立颅脑有限元模型,可以很好地研究颅脑损伤的生物力学机制。总结颅脑有限元模型的建立、发展和应用,并对未来的研究方向进行展望。     

种植义齿相对位置对食物嵌塞影响的有限元分析

背景:种植义齿是一种固位、支持、稳定功能都很出色的牙修复体,但其种植后的塞牙现象是困扰广大牙列缺损患者的一个普遍现象。目的:应用有限元分析法针对食物嵌塞这一问题进行生物力学数值模拟分析,给出种植义齿的相对宽度、相对高度、相对角度对食物嵌塞影响的定量关系。方法:为研究种植义齿相对牙齿在不同宽度、高度、角度情况下对食物嵌塞的影响,设计了义齿上部结构不同宽度组(分5个亚组:5.6,5.7,5.8,5.9,6.0 mm)、义齿上部结构不同高度组(分5个亚组:6.6,6.8,7.0,7.2,7.4 mm)、义齿不同种植角度组(分5个亚组:92°、91°、90°、89°、88°)、自然牙牙冠不同宽度组(分5个亚组:5.6,5.7,5.8,5.9,6.0 mm)、自然牙牙冠不同高度组(分5个亚组:6.6,6.8,7.0,7.2,7.4 mm)、自然牙不同生长角度组(分5个亚组:92°、91°、90°、89°、88°)4颗牙齿局部牙列模型,每个亚组通过改变第3个牙齿部件的相对位置来设计,其余条件相同。对所有牙列模型进行食物嵌塞数值模拟,并分析牙齿受力形变情况,比较各组间受力前后牙间隙宽度曲线。结果与结论:①随着种植义齿上部结构宽度的增加,义齿受力后水平总位移缓慢减少;当上部结构宽度为5.9-6.0 mm间时,自然牙受力变形后牙间隙迅速减小,此时种植义齿对食物嵌塞的影响趋近于自然牙情况下的食物嵌塞状况;②当义齿上部结构高度低于邻牙时,随着该义齿上部结构高度的增加,受力后牙间隙先增大后减小;当义齿低于邻牙且高度在6.8-7.0 mm之间时,受力后牙间隙迅速减小;③义齿受力前后水平总位移随着种植角度的增加缓慢减小;④结果表明为减小食物嵌塞现象,种植义齿与邻牙间隙应小于0.05 mm,种植义齿上部结构高度应低于邻牙0.2 mm左右,种植角度应约等于90°。     

主动脉弓位移和变形情况的有限元分析

目的分析主动脉弓在恒定内压下的位移和变形情况,为主动脉弓部位的血流动力学研究和医学诊断提供一定的依据.方法利用ANSYS有限元软件建立主动脉弓的几何模型和有限元模型,通过加载恒定内压,求解计算得到主动脉弓的位移和变形.结果主动脉弓整体的轴线向近心端倾斜,近心端位移值最大,肋间动脉处位移值最小.在恒定内压作用下,直管段均匀膨胀,弯管段膨胀为椭圆形,且椭圆短轴沿"内""外"连线方向.     

6岁儿童头部有限元模型的构建与验证

借助6岁儿童医用头部CT扫描图片,通过图像分析处理,提取几何参数,重构生成三维几何模型。对几何模型进行有限元前处理,构建了一个6岁儿童头部有限元模型。模型中包含颅骨、骨缝、脑脊液、大脑、小脑、脑干、脑室等各个器官,共有44 886个节点,11 675个壳单元,37 482个六面体单元。.各器官材料属性采用来自参考文献的数据。仿真分析计算中,力加载时窗为11 ms时,模型的CPU计算时长低于1 h。采用Nahum尸体实验数据与仿真结果进行对比。仿真分析结果显示:成人头部撞击时撞击压与对撞压的形成规律同样适用于儿童头部碰撞。在7 900 N力作用下,尸体头部撞击侧最大压应力为140 kPa,对撞侧最大压应力为-60 kPa,而儿童头部的值分别为220.2 kPa和-135.2 kPa;在HIC值均为775的作用下,成人头部撞击侧和对撞侧最大压应力分别为140 kPa和-60 kPa,而儿童头部的值分别为160 kPa和-89 kPa。这表明,在相同作用力或HIC值下与成人相比,儿童头部更容易受到损伤。     

应用于头部损伤生物力学研究的三维有限元模型发展概况

在交通事故中,头部损伤因其高发率和高致命率成为最严重的损伤.为了研究头部损伤,出现了一系列诸如物理试验、动物试验及尸体试验等研究方法.近年来,随着计算生物力学的发展,人体头部的有限元模型逐渐成为研究头部损伤生物力学的重要工具,文中就头部有限元模型的发展过程及最新进展进行了较为全面的综述,并探讨了该领域未来需要研究的问题.     

颅脑损伤患者血糖增高预后评估的意义

目的 分析重型颅脑创伤急性期血糖增高与预后的关系.方法 2002年1月至2005年12月收治80例,颅脑损伤的患者测其伤后及24 h内的空腹血糖值并追踪观察预后情况.结果 轻型颅脑损伤患者血糖(4.9±0.5)mmol/L与正常值比较无明显变化(P＜0.05),中型颅脑损伤血糖值(5.3±0.7)mmol/L有显著差异(P＜0.01),重度颅脑损伤患者血糖值(13.0±0.9 )mmol/L有高度显著差异(P＜0.01).结论 血糖升高伤情越重死亡率越高,血糖值超12 mmol/L为预后不良的一个客观指标.     

Finite element analysis of brain contusion: An indirect impact study

The mechanism of brain contusion has been investigated using a series of three-dimensional (3D) finite element analyses. A head injury model was used to simulate forward and backward rotation around the upper cervical vertebra. Intracranial pressure and shear stress responses were calculated and compared. The results obtained with this model support the predictions of cavitation theory that a pressure gradient develops in the brain during indirect impact. Contrecoup pressure-time histories in the parasagittal plane demonstrated that an indirect impact induced a smaller intracranial pressure (−53.7 kPa for backward rotation, and −65.5 kPa for forward rotation) than that caused by a direct impact. In addition, negative pressures induced by indirect impact to the head were not high enough to form cavitation bubbles, which can damage the brain tissue. Simulations predicted that a decrease in skull deformation had a large effect in reducing the intracranial pressure. However, the areas of high shear stress concentration were consistent with those of clinical observations. The findings of this study suggest that shear strain theory appears to better account for the clinical findings in head injury when the head is subjected to an indirect impact.     

跳伞着陆过程中膝关节损伤的有限元研究

目的利用膝关节有限元模型和模拟跳伞着陆实验数据,对半蹲式跳伞着陆过程进行数值模拟,并分析膝关节损伤的机理。方法对16名健康志愿者进行半蹲式模拟跳伞实验,跳落高度分别为0.32m,0.52m和0.72m。基于核磁共振成像建立人体膝关节的三维有限元模型,采用实验测得的膝关节运动学和地面反力数据对跳伞着陆过程进行数值模拟。结果关节内组织的应力水平随着跳落高度的增加而增加,外侧半月板和关节软骨承受了较大的载荷,前交叉韧带和内侧副韧带在屈膝角度达到最大时产生明显的应力集中。结论跳伞着陆的高速冲击是造成关节损伤的直接原因,外侧关节软骨和半月板更易受到损伤,前交叉韧带和内侧副韧带较易在屈膝幅度最大时发生撕裂。     

第二代数字化人体骶骨纵形骨折微创内固定的有限元分析

目的比较经皮骨盆后方张力带钢板和经皮骶髂螺钉固定Denis 3类骶骨纵行骨折的术后稳定性和力学相容性,为不同类型骨折的内固定术式选择提供依据。方法采用第2代中国数字化人体"男性第23号"CT和MRI,构建完整骨盆有限元模型,骶骨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区纵形骨折伴同侧耻骨上下支骨折的经皮后方张力带钢板内固定有限元模型,以及这3类骨折的经皮骶髂螺钉内固定有限元模型。根据腰骶脊柱三柱加载模式和骶髂关节生理运动模式采用多方案有限元分析及实验验证。结果骶骨Ⅰ区骨折时,张力带钢板组(P组)的后环与前环器械应力均比骶髂螺钉组(S组)明显增加,骶骨位移也增加。骶骨Ⅱ区骨折时,P组后环与前环器械应力均比S组减小,骶骨位移明显减小。骶骨Ⅲ区骨折时,P组后环与前环器械应力以及骶骨位移均比S组明显减小。结论从内固定术后稳定性、骨折愈合的力学相容性及手术操作的安全性等方面考虑,经皮骶髂螺钉比较适合治疗骶骨Ⅰ区纵形骨折的垂直不稳定型骨盆,而经皮后方张力带钢板比较适合治疗骶骨Ⅱ区和Ⅲ区纵形骨折的垂直不稳定型骨盆。     

推拿手法对腰椎间盘突出症腰椎结构三维位移的影响

目的通过观察推拿手法对腰突症患者腰椎三维空间位移的影响,探讨推拿手法治疗腰突症"骨错缝"的干预机制。方法选取10名腰突症患者,分为理筋手法组(5例,简称理筋组)和理筋手法加调整手法组(5例,简称理调组)进行治疗;正常志愿者5例为理筋手法(简称正常组)。应用ITK重建软件重建腰椎椎体并进行有限元分析,比较3组手法干预前后腰椎椎体三维位移变化情况。结果 3组腰突症患者推拿手法治疗后L1～5各椎体的空间位置发生了一定改变。理调组L3在X轴角位移为(1.77±0.46)°;L4在X、Y轴角位移分别为(1.78±0.53)°、(1.89±0.75)°,显著大于理筋组和正常组(P<0.05);理调组L1～5在X轴三维角位移分别为(1.50±0.47)°、(1.55±0.57)°、(1.77±0.46)°、(1.78±0.53)°、(1.61±0.39)°,均显著大于正常组(P<0.05);理调组L3在Y轴三维位移为(2.87±0.74)mm,L4在X轴三维位移为(1.68±0.64)mm,显著大于理筋组和正常组(P<0.05);理调组L1、L4、L5在X轴三维位移分别为(1.28±0.21)、(1.68±0.64)、(1.30±0.51)mm,L1～3在Y轴三维位移分别为(1.92±0.42)、(2.25±0.61)、(2.87±0.74)mm,均显著大于正常组(P<0.05)。理筋手法组L1～5各节段三维角位移和位移与正常组相比,均呈现大于正常组的趋势。结论理调手法比理筋手法更能调整失稳或退变节段的空间位置,使腰椎椎体产生水平及旋转移位,而非上下移位,对纠正腰椎"骨错缝"产生重要作用。理筋手法对腰突症患者腰椎结构有一定的影响,但不显著。     

Generation of geometry of closed human head and discretisation for finite element analysis

Medical &; Biological Engineering &; Computing -     

A three-dimensional finite element analysis of the human hip

Abstract

A three-dimensional hip model was created from the MRI scans of one human subject based on constructing the entire pelvis and femur. The ball and socket joint was modelled between the hip’s acetabulum and the femoral head to analyse the multiaxial loads applied in the hip joint. The three key ligaments that reinforce the external surface of the hip to help to stabilise the joint were also modelled which are the iliofemoral, the pubofemoral and ischiofemoral ligaments. Each of these ligaments wraps around the joint connection to form a seal over the synovial membrane, a line of attachment around the head of the femur. This model was tested for different loading and boundary conditions to analyse their sensitivities on the cortical and cancellous tissues of the human hip bones. The outcomes of a one-legged stance finite element analysis revealed that the maximum of 0.056?mm displacement occurred. The stress distribution varied across the model which the majority occurring in the cortical femur and dissipating through the cartilage. The maximum stress value occurring in the joint was 110.1?MPa, which appeared at the free end of the proximal femur. This developed finite element model was validated against the literature data to be used as an asset for further research in investigating new methods of total hip arthroplasty, to minimise the recurrence of dislocations and discomfort in the hip joint, as well as increasing the range of movement available to a patient after surgery.     

Finite element analysis of the strain distribution in the humeral head tubercles during abduction: comparison of young and osteoporotic bone

Aim

The aim of this work was to design an accurate 3D digital model of the humerus and rotator cuff muscles. This model was then used to study strain distribution in humeral tubercles according to bone density.

Materials and methods

The geometry of bone and muscle structures was reproduced using SURFDRIVER© software, based on anatomical sections, CT scans and MRI images from the Visible Human Project image library. The contours were transferred to PATRAN© software to rebuild volumes and mesh them. Calculations of strains and their distribution were performed using NASTRAN© software. All the elements were considered to be isotropes.

Results

The study of the distribution of stress magnitude according to the type of bone modeled, shows that some stresses in cortical bone are greater than those in cancellous bone and are also greater in old bone, implying more deformation in old bone at constant force. This study also shows that stresses do not penetrate deeply into cancellous tissue.

Conclusion

Observing the simulation results led understanding of the pathology of certain fractures of the proximal end of the humerus. This study also helped explain why certain types of osteosynthesis fail due to tubercles reconstruction failures.     

具有详细解剖学结构的1岁学步儿童头部有限元模型构建及验证

目的构建详细的1岁学步儿童头部有限元模型,探究其颅脑损伤机制,完善人体有限元生物力学模型数据库。方法基于我国1岁儿童真实详细的头部CT数据,借助医学软件Mimics获得头部几何结构数据,利用逆向工程软件划分NURBS曲面片和构建工程模型,利用有限元前处理软件划分网格,参照解剖学和尸体实验等数据,验证1岁学步儿童头部有限元模型的有效性并初步分析其损伤机制。结果构建了中国男性1岁儿童头部有限元模型,模型包括并区分了大脑及小脑的灰质和白质、海马体、囟门、矢状骨缝、冠状骨缝、脑干、脑室等,几何尺寸符合解剖学统计数据。利用头部模型重构了儿童头部静态压缩尸体实验和跌落尸体实验,结果表明,该头部模型与尸体实验表现了相近的力学特征,验证了模型的有效性。计算表明不同压缩速率下颅骨刚度不同,会导致不同损伤结果。结论所构建的包含详细解剖学结构的1岁儿童头部有限元模型具有较高的生物仿真度,借助构建的模型可分析深部脑组织各部位的详细损伤情况,特别是闭合性颅脑损伤,为相关研究及临床应用提供有效的工具和手段。     

Finite element modelling of the tricuspid valve: A preliminary study

The incomplete efficacy of current surgical repair procedures of the tricuspid valve (TV) demands a deeper comprehension of the physiological TV biomechanics. To this purpose, computational models can provide quantitative insight into TV biomechanical response and allow analysing the role of each TV substructure.We present here a three-dimensional finite element model of the tricuspid valve that takes into account most of its peculiar features. Experimental measurements were performed on human and porcine valves to obtain a more detailed TV anatomical framework. To overcome the complete lack of information on leaflets mechanical properties, we performed a sensitivity analysis on the parameters of the adopted non-linear hyperelastic constitutive model, hypothesizing three different parameter sets for three significant collagen fibre distributions.Results showed that leaflets’ motion and maximum principal stress distribution were almost insensitive to the different material parameters considered. Highest stresses (about 100 kPa) were located near the annulus of the anterior and septal leaflets, while the posterior leaflet experienced lower stresses (about 55 kPa); stresses at the commissures were nearly zero. Conversely, changes in constitutive parameters deeply affected leaflets’ strains magnitude, but not their overall pattern. Strains computed assuming that TV leaflets tissue are reinforced by a sparse and loosely arranged network of collagen fibres fitted best experimental data, thus suggesting that this may be the actual microstructure of TV leaflets.In a long-term perspective, this preliminary study aims at providing a starting point for the development of a predictive tool to quantitatively evaluate TV diseases and surgical repair procedures.     

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。