基于超级计算人体骨骼肌系统弯腰搬物整体有限元的建模与仿真

背景：目前有限元模型的建立大多通过CT成像技术建立三维三角面片模型,然后通过商业软件转换成四面体有限元网格,但建立的有限元模型无实体模型,不能进行切割或植入假体。目的：建立人体骨骼肌系统整体有限元模型,并对人体骨骼肌系统弯腰搬物运动进行基于超级并行计算的整体有限元仿真分析。方法：针对中国数字人工程所获得的冷冻切片数据进行人体骨骼肌系统的整体三维重建;建立人体骨骼肌系统各肢体部分有限元模型,利用系统集成的方法建立人体骨骼肌系统的整体有限元模型;对人体骨骼肌系统弯腰搬物运动行运动捕捉测量实验,进行人体骨骼肌系统弯腰搬物的整体有限元仿真分析。结果与结论：建立了人体骨骼肌系统的整体有限元模型,人体弯腰搬物过程中总体有限元仿真分析显示,腰椎部分是提供人体弯腰搬物运动的主要动力部分,而胸椎则在整个弯腰搬物运动中起的作用不大,结果分析同解剖学和生理学上的解释一致。说明建立的人体骨骼肌系统整体有限元系统集成建模方法和模型,能够有效真实地对人体骨骼肌系统整体运动过程中的微观力学行为进行仿真分析,为从整体角度研究人体骨骼肌系统的深层次力学现象提供了一种新方法。     

C4～C6颈椎有限元模型的建立和多点力学加载方法

背景:人体颈椎运动是多节段之间相互力学及位移关系的变化,建立多节段有限元模型及多点力学加载方法可以为颈椎生物力学研究提供高精度的模型和科学的计算分析方法。目的:建立人体C4~C6颈椎三维有限元模型,并在此基础上提出多点力学加载方法。方法:以正常人C4~C6颈椎CT图像作为数据源,利用Mimics10.0、Ansys11.0有限元分析软件建立三维有限元模型,对其进行多点力学加载测试,模拟生理状态时颈椎的轴向、屈曲、后伸、侧弯、扭转运动,分析各运动状态下C4~C6颈椎关节突和椎间盘的应力和位移改变。结果与结论:建立的C4~C6颈椎有限元模型几何形态逼真,重现了C4~C6颈椎节段解剖结构外形,整体显示直观,表面无过多简化,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。应力Se、Sz在不同加载工况时,前屈/后伸>侧弯>轴向加载。轴向加载载荷明显小,导致应力位移水平低。提示应用正常人体原始资料构建的C4~C6颈椎有限元模型以及多点力学加载分析的方法科学有效,为颈椎的生物力学研究提供了高精度模型和科学的计算分析方法。     

C_4～C_6颈椎有限元模型的建立和多点力学加载方法

背景：人体颈椎运动是多节段之间相互力学及位移关系的变化,建立多节段有限元模型及多点力学加载方法可以为颈椎生物力学研究提供高精度的模型和科学的计算分析方法。目的：建立人体C4~C6颈椎三维有限元模型,并在此基础上提出多点力学加载方法。方法：以正常人C4~C6颈椎CT图像作为数据源,利用Mimics10.0、Ansys11.0有限元分析软件建立三维有限元模型,对其进行多点力学加载测试,模拟生理状态时颈椎的轴向、屈曲、后伸、侧弯、扭转运动,分析各运动状态下C4~C6颈椎关节突和椎间盘的应力和位移改变。结果与结论：建立的C4~C6颈椎有限元模型几何形态逼真,重现了C4~C6颈椎节段解剖结构外形,整体显示直观,表面无过多简化,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。应力Se、Sz在不同加载工况时,前屈/后伸〉侧弯〉轴向加载。轴向加载载荷明显小,导致应力位移水平低。提示应用正常人体原始资料构建的C4~C6颈椎有限元模型以及多点力学加载分析的方法科学有效,为颈椎的生物力学研究提供了高精度模型和科学的计算分析方法。     

中国数字人CT数据颈椎运动节段有限元模型的建立(英文)

背景:课题组前期实验已建立了数字人体多个部位的骨骼有限元力学模型,但如何能在保证模型收敛的情况下提高模型精度与有效性,有待进一步研究。目的:建立精确的数字力学人颈椎运动节段模型。方法:采用中国数字人男1号数据,使用经Materialise公司授权试用的MIMICS13.1医学图像重建软件进行三维有限元建模,其结果导入ABAQUS6.7有限元系统进行处理,观察试运行结果,对模型的有效性进行验证。结果与结论:在大型有限元软件ABAQUS6.7中调用颈椎运动节段三维模型的.lis文件,获得颈椎运动节段的有限元模型,此模型共有节点10465个,单元52752个,模型经验证有效。结果证实,实验成功建立了高度拟真的数字力学人颈椎运动节段有限元模型。     

中国数字人CT数据颈椎运动节段有限元模型的建立

背景：课题组前期实验已建立了数字人体多个部位的骨骼有限元力学模型,但如何能在保证模型收敛的情况下提高模型精度与有效性,有待进一步研究。目的：建立精确的数字力学人颈椎运动节段模型。方法：采用中国数字人男1号数据,使用经Materialise公司授权试用的MIMICS13.1医学图像重建软件进行三维有限元建模,其结果导入ABAQUS6.7有限元系统进行处理,观察试运行结果,对模型的有效性进行验证。结果与结论：在大型有限元软件ABAQUS6.7中调用颈椎运动节段三维模型的＂.lis＂文件,获得颈椎运动节段的有限元模型,此模型共有节点10465个,单元52752个,模型经验证有效。结果证实,实验成功建立了高度拟真的数字力学人颈椎运动节段有限元模型。     

集成逆向工程系统进行人体造型的功能与信息模型分析

目的:对基于集成逆向工程系统的人体三维造型过程进行系统分析,为快速高效建立人体三维模型提供技术支持。方法:从系统建模的角度,采用系统分析的方法,建立基于集成逆向工程系统进行人体造型设计的功能模型与信息模型,并在上海理工大学人体测量与生物力学实验室对人体面部石膏模型与尸骨等部分复杂曲面进行三维重建。结果:利用本文提出的系统功能模型与信息模型可快速实现人体三维模型重建,精度可达0.1mm,满足临床医学的需求。结论:通过系统分析人体三维造型过程,可以为医生与生物医学工程师理解此系统并高效地建立人体模型提供保证。     

骨质疏松股骨三维有限元模型的建立

背景:通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体且模型间可比性低,对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段.目的:建立骨质疏松股骨三维有限元模型.方法:根据国人股骨平均参数,选择重度骨质疏松老年男性患者1例,年龄86岁,排除髋关节疾患.通过螺旋CT扫描获得骨质疏松股骨图像数据,将图像数据导入图像处理软件Mimics 11.1进行图像处理,生成股骨骨皮质内、外表面的轮廓曲线;再将轮廓曲线数据导入建模软件Unigraphic NX4.0进行实体建模,得到具有骨皮质、骨松质、骨髓腔的股骨三维模型;将三维模型数据导入有限元分析软件Ansys11.0进行赋值、网格划分、定义接触等操作建立骨质疏松股骨三维有限元模型.结果与结论:建立了骨质疏松股骨三维有限元模型,为骨质疏松股骨限元模型的建立提供了切实可靠的方法,为研究骨质疏松股骨骨折的固定方法、关节置换等创造了条件.     

髋臼三维记忆内固定系统全真三维有限元模型快速建立及其对力学仿真的意义

目的:目前,有限单元法(finiteelementmethod,FEM)已成为生物力学研究的有力手段。尽管随着计算机图形学、数字图像处理学的发展,建立可视化三维数字模型的技术已经逐步成熟并走向了应用。但是,由于内固定器种类繁多、形状复杂,建立可以进行生物力学计算分析的有限元模型依然是一件繁琐而复杂的工作,包括髋臼三维记忆内固定系统(acetabularthree-dimensionalmemoryfixationsystem,ATMFS复杂形状内)固定器全真三维有限元模型快速建立方法。方法:引入材料坐标系和运动变形方法,快速有效建立ATMFS复杂形状内固定器全真三维有限元模型。结果:所构建的ATMFS三维有限元模型能够准确反映内固定器结构特征,能够进行力学分析。结论:此建立全真三维有限元模型方法对ATMFS复杂形状内固定器的建模是快速而有效的。     

弓齿形状记忆合金接骨器模型构建及三维有限元分析

目的:介绍弓齿形状记忆合金接骨器三维模型的构建并进行三维有限元计算及分析,探讨相关的记忆生物力学意义。方法:采用大型有限元分析软件ANSYS5.6,通过对接骨器结构拆分,分别将各部分建模后,生成体积从而建立三维模型。结果:所构建三维模型,逼真反映弓齿形状记忆合金接骨器的真实形态及生物力学行为,可以进行相应的力学运算。结论:弓齿形状记忆接骨器三维有限元模型的构建,可以为治疗复杂性骨盆髋臼骨折的力学行为以及相关力学基础研究提供精确模型。     

人体系统变质量块体动力学研究

在人体系统变质量力学模型研究基础上,开展了人体系统变质量块体动力学研究.主要内容有人体系统变质量块体的概念、人体系统变质量块体坐标系与基本定义、人体系统变质量块体的质心运动定理、人体系统变质量体定点的运动定理,为人体系统变质量力学模型和人体系统在质量变化过程中的物质流、能量流、信息流的运动规律的数字化研究提供理论基础.     

CT扫描结合逆向工程软件建立下胸椎三维有限元模型

背景:脊柱生物力学的研究有赖于三维有限元模型的建立,对于下胸椎的生物力学研究,由于其结构特点,使其对有限元模型的准确性和精确性要求更高.目前脊柱有限元研究通常以颈、腰段为多见,对于下胸段方面的研究,目前文献报道不多.目的:通过CT扫描结合逆向工程软件建立下胸椎三维有限元模型,为其进一步生物力学研究奠定基础.方法:选择内蒙古医学院附属医院影像科标本1例,志愿者无脊柱疾患和骨质疏松,对试验方案知情同意.利用非脊柱疾患病例CT资料,利用医学图像处理软件Mimics实现直接从CT图像中提取数据,再利用逆向工程技术平台Geomagic,在可视化的界面下对模型进行修改,建立人完整下胸椎、椎间盘及韧带的有限元模型.结果及结论:利用Mimics,Geomagic等逆向工程软件,结合CT技术对人下胸椎进行了三维重建,精确再现了下胸椎外形解剖特征,实现了对椎体组织内部不同结构的精细区分,下胸椎共具有112 540个四面体单元.提示此方法可以提高建模的效率和可操作性,能够成功的建立符合实验要求的下胸椎有限元模型.     

Hangman骨折相关三维有限元模型的建立和验证

背景:目前有关上颈椎多节段有限元模型的相关文献很少,尚无建立Hangman骨折有限元模型的报道。目的:建立C2~4节段正常颈椎及不同程度Hangman骨折的三维有限元模型,并对各模型进行模拟及加载验证。方法:选择一健康成年男性志愿者进行C2~4节段CT扫描,以CT扫描图像为基础,在计算机工作站利用ANSYS等有限元分析软件,建立C2~4节段颈椎三维有限元模型,模型包括椎体和椎弓、椎间盘、韧带成分,在此模型基础上逐步模拟切断双侧C2椎弓峡部、切除C2~3前纵韧带和部分椎间盘的Hangman骨折模型,分别计算正常颈椎、不同Hangman骨折模型在模拟施加50N载荷下,C2~3,C3~4节段三维六自由度的角位移(ROM)。结果与结论:C2~3节段Hangman骨折加韧带椎间盘切除模型在各个方向上均较正常和固定模型ROM增大,在屈伸运动时增大最明显,而在旋转和侧屈时与正常标本相差不多。C3~4节段各组间的ROM相差不超过0.16°。各种三维有限元模型的位移和应力验证结果与实验生物力学结果基本相符,提示建立的三维有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验。     

Application of a calibration method provides more realistic results for a finite element model of a lumbar spinal segment

BACKGROUND: An important step in finite element modeling is the process of validation to derive clinical relevant data. It can be assumed that defect states of a finite element model, which have not been validated before, may predict wrong results. The purpose of this study was to show the differences in accuracy between a calibrated and a non-calibrated finite element model of a lumbar spinal segment for different clinical defects. METHODS: For this study, two geometrically identical finite element models were used. An in vitro experiment was designed, deriving data for the calibration. Frequently used material properties were obtained from the literature and transferred into the non-calibrated model. Both models were validated on three clinical defects: bilateral hemifacetectomy, nucleotomy and interspinous defects, whereas in vitro range of motion data served as control points. Predictability and accuracy of the calibrated and non-calibrated finite element model were evaluated and compared. FINDINGS: Both finite element models could mimic the intact situation with a good agreement. In the defects, the calibrated model predicted motion behavior with excellent agreement, whereas the non-calibrated model diverged greatly. INTERPRETATION: Investigating the biomechanical performance of implants and load distribution of different spinal structures by numerical analysis requires not only good agreement with the intact segment, but also with the defect states, which are initiated prior to implant insertion. Because of more realistic results the calibration method may be recommended, however, it is more time consuming.     

腕保护器抗冲击载荷的有限元分析(英文)

背景:人体防滑倒腕部保护支具对手腕部有明显的保护作用。目的:采用有限元分析验证腕保护器防护腕部骨折的有效性。方法:以中国力学可视人原始资料为依据,应用Abaqus6.51软件构建带软组织的正常手腕和佩带腕保护器手腕的三维有限元模型,对整个手腕模型加载2m/s的速度载荷,经程序运算后对比手腕部三维有限元模型佩带腕保护器前后的应力应变分布云图及腕部尺骨远端掌面最大应力值随时间变化规律图。结果与结论:与未佩带腕保护器比较,佩带腕保护器后在跌倒过程中小鱼际和腕关节背面的软组织等效应力、腕部桡尺骨下段的等效应力均明显变小,力学结构最薄弱的桡尺骨远端应力变小尤为最明显,而第2～4掌骨、食指近节、钩骨等力学结构相对坚强的短管状骨和不规则骨所受应力明显增大,提示腕保护器可分散、吸收一部分桡尺骨远端应力,转移至腕、掌、指骨上一部分,对保护腕关节尤其是防止桡尺骨远端骨折有积极的作用。     

A surgical simulation system of skin sutures using a three-dimensional finite element method

OBJECTIVE: To establish a surgical simulation system of skin sutures using a three-dimensional finite element method. DESIGN: Three-dimensional finite element models were developed from point data obtained with a rapid three-dimensional surface-measuring device and postoperative profiles were evaluated using these models. BACKGROUND: Since suturing a wound may result in undesirable skin extrusion, it is important to make the extrusion as inconspicuous as possible. We have investigated a means of determining appropriate suture methods to decrease the extrusion. METHODS: Affected body parts were measured non-invasively with a rapid three-dimensional surface-measuring device. Finite element models were prepared, and an appropriate method for reducing skin extrusion was evaluated by attempting various suturing methods. RESULTS: Two kinds of finite element models were prepared: a conventional spindle model and a modified S-shape model. The height of the extrusion of the modified S-shape model was decreased by 40% in comparison with that of the spindle model. These results agreed with clinical findings. CONCLUSIONS: Due to this surgical simulation system of skin sutures, with a rapid three-dimensional surface-measuring device and three-dimensional finite element analysis, it was possible to design an appropriate suturing method and to evaluate the postoperative skin profiles. The modified S-shape suture method would be a recommendable method. RELEVANCE: Using this surgical simulation system of skin sutures, a surgeon can evaluate an appropriate suturing method before operation. It is expected that this system will reduce a surgeon's labor.     

下颌后牙双端种植桥及其支持组织修复前后三维有限元模型的建立

背景:三维有限元分析法是研究种植桥及其周围骨组织力学分布规律的重要手段,其精度受控于模型的准确及对真实状态的模拟.目的:建立下颌后牙双端种植桥及其支持组织修复前后的三维有限元模型.方法:利用Pro/E建模软件与CT结合,建立部分下颌骨、牙冠以及种植体的三维实体模型,通过无缝接口功能导入有限元软件中,最终分别建立双端种植桥修复前后的有限元模型.结果与结论:采用CT扫描技术、Pro/E与ANSYS软件相结合所建立的下颌种植桥及其支持组织修复前后模型切实可行,具有高度的几何相似性和力学相似性,可满足模拟加载的需要.     

基于CT扫描及CAD技术建立下腰椎三维有限元模型

背景:近年来,计算机技术和有限元理论的飞速发展为构建腰椎模型提供了技术支持,有限元模型的精确性和可靠性显著提高,为研究椎间盘、椎板切除、腰椎融合、脊柱内固定材料等临床相关的生物力学问题提供了更好的平台。目的:应用三维有限元法建立L3～5腰椎活动节段力学模型。方法:通过CT扫描、Unigraphics V18.0软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用CAD数据处理技术,输入相关的材料特性,验证重建模型的有效性。结果与结论:建立下腰椎的三维有限元模型(L3～5),分析结果证明其在仿真分析中是可行的,可以模拟生物力学实验。建立的模型共有6482个节点,31326个单元,生成网格时利用网格生成器的扫掠和优化功能,尽量依据模型的几何外形,使网格生成的最少,兼顾了对建模准确性和计算可行性,同时又能充分满足对腰椎的生物力学研究。     

纤维桩核冠修复上颌中切牙三维有限元模型的建立

背景:建立有限元模型对缺损的上颌中切牙进行应力分析可为临床修复方法提供选择依据。目的:建立纤维桩全瓷冠修复上颌中切牙的三维有限元应力分析模型。方法:通过螺旋CT扫描、Mimics软件和Ansys软件建立冠缺损1/2的上颌中切牙采用纤维桩全瓷冠修复的三维有限元模型,模拟咬合加载,记录组织的VonMises应力和最大拉应力。结果与结论:建立了冠缺损1/2的上颌中切牙三维有限元模型,并模拟纤维桩核全瓷冠修复,与临床实际情况接近。运用螺旋CT、Mimics软件、Ansys软件能有效建立牙齿组织的三维有限元模型,模拟临床实际情况,并能以此演化为其他修复情况的模型。     

模拟腰部推拿手法建立“腰-盆-髋”有限元模型

背景：对局部椎体或整个脊柱进行推拿手法的有限元分析具有一定的局限性。目的：通过建立＂腰-盆-髋＂有限元模型对腰部推拿手法进行相关生物力学分析。方法：利用螺旋CT数据通过Mimics10.01建立具有高度几何相似性的腰椎、骨盆和股骨近端复合体骨骼的面模型,利用geomagic9精修模型,在hypermesh10.0中划分网格,添加椎间盘和主要韧带。并对有限元模型各部件进行材料属性赋值。利用有限元分析软件模拟腰椎推拿手法三工况加载,计算特征部位位移、最大应变及应力。结果与结论：有限元模型在三工况载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反映＂腰-盆-髋＂特有的力学结构特性,模型的仿真性较好。在近似的几何外形下,据生物力学资料报道的材料赋值建模保证了有限元模型计算的正确性;模拟接近生理状况下的边界及载荷条件进行计算可以确保结果的准确性。