利用螺旋CT数据建立上颈椎三维有限元模型

目的：建立上颈椎三维有限元模型．以期应用于临床相关的生物力学实验研究。方法：通过对正常人的CT薄层扫描获得原始DICOM图像数据．采用CAD数据处理技术进行计算机三维重建．改良建立的模型导进ANSYS9．0软件进行计算机模拟仿真生物力学研究。结果：所建模型外观清晰逼真。几何相似性好。三维重建结构可以单独或联合显示。甚至可行结构的任意取舍，重建结构的任意径线及角度均可进行适时三维测量。结论：该技术为临床医生对枕颈交界区有限元三维模型的建立提供了一种便捷而精确的方法，对计算机分析及研究该模型局部结构在各种受力情况下的生物力学表现创造条件。     

上颌第一磨牙的三维有限元模型的建立

目的 :建立上颌第一磨牙的三维有限元模型 ,为分析上颌第一磨牙的生物力学性质提供一个数字模型。方法 :采正常的头颅骨 ,通过螺旋CT扫描的方法得到上颌第一磨牙的 2 6副断层图像 ,将这些图像描绘在坐标纸上得到 2 6副牙齿平面图 ,将这些牙齿平面图在PentiumⅡ 35 0的计算机上用Super SAP93的程序进行处理得到上颌第一磨牙的三维有限元模型。结果 :建立的有限元模型包括牙齿、牙槽骨、牙周膜在内 ,共 4983个节点 ,42 81个单元。结论 :该模型所包含的数据量大 ,可以满足对该牙在正畸作用下的各种力学分析。     

让昨天告诉今天:颈椎有限元模型建立的学术与技术发展

1972年,荷兰的Brekelmans等道次将有限元分析法引放生物力学领域. 与其他生物力学研究方法相比,有限元分析法可对形状、结构、材料和载荷情况及其复杂的构件进行应力、应变分析,具有实验时间短、费用少、力学性能测试全面及可重复实验等突出优点.     

全颈椎有限元模型的建立与验证

背景:有限元分析作为数值计算中的一种离散化方法,具有实验时间短、费用少、对身体无任何破坏、力学性能测试全面及可重复实验等突出优点.以往研究多将其集中应用于腰椎模型,由于颈椎解剖结构及损伤机制复杂,稳定性差等原因,颈椎有限元模型研究不多,并且研究只局限于单椎体和运动节段.目的:建立更为真实、有效的全颈椎三维有限元模型,用于临床生物力学研究.方法:对1名既往无颈椎病史健康男性志愿者的颈椎进行CT扫描成像,应用CAD造型软件Solid-Works2003、HyperMesh软件和ANSYS11.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎周围组织赋予不同的材料特性,引入接触理论和非线性结构计算方法,建立全颈椎有限元模型.在所建模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转6种工况下的生理活动,并与生物力学实验数据进行对比.结果与结论:所建模型共有97 705个节点,372 896个单元.所建立模型在前屈/后伸、左右侧弯、左右旋转6种方向的运动范围,理论分析结果与生物力学实测数据高度一致.证实建立的全颈椎三维有限元模型细腻有效,具有良好的生物逼真度,可应用于临床生物力学分析.     

CT扫描及计算机辅助设计技术建立的颈椎三维有限元模型

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,采用计算机辅助设计数据处理技术,输入相关的材料特性,通过计算机分析颈椎C_(3~4)的应力分布.验证重建模型的有效性.建立了颈椎C_(3~4)三维有限元模型,分析结果证明其在仿真分析中是可行的.结果提示,建立的颈椎三维有限元模型可以模拟生物力学实验,可为计算机分析该模型的局部结构在各种受力情况下的生物力学表现创造力条件.     

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.     

建立正常人C2～7的三维有限元模型

背景：随着计算机技术的发展,颈椎生物力学研究不再局限于动物或人体尸体实验,计算机模型可以进行更准确的生物力学研究。目的：在已有研究的基础上,建立人体C2～7三维有限元模型,以期为颈椎前路分节段减压融合的生物力学研究提供参考数据。方法：选择1名28岁健康男性志愿者为观察对象,无明显的颈椎病史,扫描前先拍摄颈椎正侧位、斜位、过伸过屈位X射线片以排除颈椎病变。首先根据志愿者CT扫描图片,采用计算机辅助设计数据处理技术,输入相关的材料特性,构建C2～7三维有限元模型。模型重建采用先进的Geomagics系统,可以准确模拟颈椎结构,有限元部分则采用广泛使用的ANSYS系统。其次在1.8N？m作用力下,观察节段运动与力-位移反应,并与国外的实验结果对比,在前屈、后伸、侧弯和旋转等4种工况（载荷状态）下对模型进行验证。结果与结论：整个模型包括C2～7六个椎体、C2/3～6/7五个椎间盘以及后部结构与主要韧带,共有23348个节点和215749个单元。在模拟外力的作用下,模型前屈、后伸、侧弯和旋转工况下的颈椎活动度与以往实验模型结果数据基本吻合。提示所建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验,进行生物力学分析。     

CT扫描建立下颌后牙固定义齿三维有限元模型后的应力分析

目的：研究采用CT扫描建立下颌后牙固定义齿三维有限元模型后基牙的应力分布，为临床修复设计提供理论依据。方法：采用螺旋CT扫描获取健康人下颌骨、牙齿及牙周支持组织的二维图像，通过图像合成软件建立三维数字模型，并应用三维有限元分析软件生成下颌后牙固定桥的三维有限元分析模型。在相同垂直和水平载荷情况下，分析两基牙牙槽骨不同吸收程度时固定桥各基牙的应力分布。结果：当固定桥两侧基牙牙槽骨无吸收时固定桥各基牙应力分布均匀；当一侧单根基牙牙槽骨吸收达20％时，此基牙出现应力集中；当一侧多根基牙牙槽骨吸收达30％时．此基牙出现应力集中；当两侧基牙牙槽骨均有吸收达25％时，两侧基牙均出现应力集中。结论：下颌后牙固定桥基牙应力分布与基牙牙槽骨吸收程度密切相关，但二者之间不是线性关系而是存在临界区。     

建立正常人C_(2～7)的三维有限元模型

背景:随着计算机技术的发展,颈椎生物力学研究不再局限于动物或人体尸体实验,计算机模型可以进行更准确的生物力学研究.目的:存已有研究的基础上,建立人体C2～7三维有限元模型,以期为颈椎前路分节段减压融合的生物力学研究提供参考数据.方法:选择1名28岁健康男性志愿者为观察对象,无明显的颈椎病史,扫描前先拍摄颈椎正侧位、斜位、过伸过屈位X射线片以排除颈椎病变.首先根据志愿者CT扫描图片,采用计算机辅助设计数据处理技术,输入相关的材料特性,构建C2～7三维有限元模型.模型重建采用先进的Geomagics系统,可以准确模拟颈椎结构,有限元部分则采用广泛使用的ANSYS系统.其次在1.8 N·m作用力下,观察节段运动与力-位移反应,并与国外的实验结果对比,在前屈、后伸、侧弯和旋转等4种工况(载荷状态)下对模型进行验证.结果与结论:整个模型包括C2～7六个椎体、C2/3～6/7五个椎间盘以及后部结构与主要韧带,共有23 348个节点和215 749个单元.在模拟外力的作用下,模型前屈、后伸、侧弯和旋转工况下的颈椎活动度与以往实验模型结果数据基本吻合.提示所建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验,进行生物力学分析.     

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。     

脊柱颈胸结合部有限元模型的建立

目的：建立脊柱颈胸结合部椎体的三维有限元模型,以期应用于指导临床实践以及作为体外生物力学实验研究的有益补充。方法：通过对正常人的CT薄层扫描获得的原始DICOM数据图像,采用Mimic10.01软件进行数据处理,进行骨质的三维重建,使用Magic 9.9改良建立的模型,导入ANYSY 10.0软件进行计算机模拟仿真生物力学研究。结果：所建模型外观逼真,几何相似性好。三维重建结构可单独或联合显示,甚至可以进行任意结构的取舍,重建结构的任意径线及角度均可以适当的三维测量。结论：该模型的结构完整,空间结构测量准确度高,单元格划分精细重点突出,较为准确地模拟了脊柱颈胸结合部的生物力学特点,为临床医生对脊柱颈胸交界区的三维有限元模型的建立提供了一种便捷而精确的方法,为计算机分析及研究该模型局部结构在各种受力情况下的生物力学表现创造了条件。     

腰椎牵引三维有限元模型分析

目的 :研究腰椎牵引条件下三维有限元分析。方法 :使用Abaqus 6 .1有限元软件建立有限元模型。平卧位腰椎的轴向荷载为 1 50N ,垂直位轴向荷载为 40 0N。牵引力作用于腰椎设定为 40 0N。结果 :牵引下髓核内压力下降 ;牵引下可将垂直位小关节应力解除 ;牵引下纤维环应力增加 ;椎间盘后外侧边缘和中点均有位移。结论 :三维有限元分析可以用于研究腰椎牵引的研究 ,以验证生物力学的研究结果并弥补其不足     

基于CT图像构建的腰椎三维有限元模型

背景:与实验生物力学研究相比,有限元分析方法具有独特的优越性。如何准确地构建腰椎节段有限元模型是有限元分析的关键。目的:建立人体腰椎三维有限元模型用于生物力学分析。方法:利用GE64排螺旋CT对成年男性腰部进行扫描,得到351层DICOM格式断层图像,应用Mimics软件进行三维重建,将所得模型以.stl格式导入Solidworks,生成实体模型,最后导入Ansys赋予材料属性并划分网格,得到便于分析的有限元模型。与体外生物力学实验数据对比,完成模型验证。结果与结论:成功地建立了表面光滑、外观逼真的腰椎有限元模型。该模型共有144411个节点,88742个单元,具有较高的准确性,且可以方便地施加约束和载荷,进行有限元分析。为临床腰椎三维有限元模型建立提供了一种精确而实用的方法,所建模型可以用来模拟腰椎生物力学实验。     

颈枕部三维非线性有限元模型的有效性验证

背景：人体组织属性主要表现为非线性,颈枕部的生物力学特点更易受软组织材料属性变化的影响,因此建立非线性有限元模型与人体真实属性更接近. 目的：构建正常成人颈枕部三维非线性有限元模型并验证其有效性. 方法：利用MarConi MX8000多层螺旋CT对健康成人进行颅底-C3段扫描,获取二维图像.直接读入Dicom格式原始图像,图像分割,数据光顺,三维重建后生成颅底-C3节段脊柱三维实体模型;将此模型导入ScanFE模块,进行体网格划分;在ANSYS 10.0软件中直接导入以上三维模型,构建颅底-C3段内韧带单元,模拟韧带力-位移曲线,建立完成颅底-C3段的三维非线性有限元模型.垂直向下方向施加40 N预载荷,1.5 N？m力矩模拟前屈、后伸、侧屈及旋转运动,对比分析实验结果,判断模型应力分布与临床相符度. 结果与结论：构建的三维非线性有限元模型包括663551个单元,178247个节点.施加预载荷及1.5 N？m力矩后,寰枕关节运动范围为前屈13.3°、后伸11.9°、侧屈4.3°、旋转8.7°;寰枢关节运动范围为前屈15.5°、后伸12.6°,侧屈6.4°、旋转30.8°,与尸体标本实验结果相符.从整个模型的纵向应力分布看,在任何相对位置状态下,枢椎齿状突后方的应力均较高,后伸位时应力增高区域加大.上颈椎的应力主要集中于椎管周围,寰椎侧块两端及枢椎横突的应力则较小.对比研究发现,在不同相对工况下前屈、后伸、侧屈、旋转时C2-C3小关节应力均大于钩椎关节,颈枕部三维非线性有限元模型的应力分布特点符合临床实际情况.结果提示应用多层螺旋CT扫描得到的二维图像及simple ware、Ansys10.0软件,建立的颈枕部三维非线性有限元模型符合人体真实的运动规律,可以很好地模拟颈枕部的生物力学特性.     

Mimics辅助快速建立颅上颌复合体的三维有限元模型

背景:颅颌面部是骨骼系统中结构最复杂、功能最多样的的结构之一,要进行颅上颌骨复合体生物力学分析,就必须建立一个精准的三维有限元模型.目的:探索快速建立完整颅上颌复合体三维有限元模型的方法.方法:以牙列完整、咬合关系正常、磨牙为中性关系、牙周组织健康的成年志愿者作为建模素材.进行多层螺旋CT扫描,利用Mimics软件和MSC.Patran软件建立颅上颌复合体三维有限元模型.结果与结论:探索出一条快速建立颅上颌复合体三维有限元模型的新方法.建立了三维坐标系下的可以从任意角度观察的健康人颅上颌复合体三维重建生物医学模型和三维有限元模型,由76 035个节点和373 819个单元组成.该模型具有较好的几何相似性和力学相似性.     

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.     

人工髓核置换三维有限元模型的建立

背景：目前人工髓核置换主要集中在临床使用及观察方面，尚缺乏更多力学实验数据的支持，需要可靠的物理模型或大量体外实验论证分析。目的：建立L4/L5节段人工髓核置换三维有限元模型，拟为生物力学实验研究提供标准数学模型。设计、时间及地点：观察性实验，于2006-07／11在南方医科大学珠江医院骨科中心完成。材料：健康志愿者及人工髓核置换患者各1名，进行64层螺旋CT扫描。扫描数据以Dicom3．0标准直接存储。根据国人实际情况，实验选用最常用PDN—SOLO-7型进行建模，PDN-SOLO-7型代表假体高度7．0mm，横径25mm，弹性模量为45MPa，泊松比为0．49，面接触摩擦系数为0.3MU。方法：在Mimics10．11软件建立L4，k运动节段及PDN-SOLO-7型人工髓核模型。模仿腰椎后路人工髓核置换，建立人工髓核置换三维有限元几何模型。各组件在ANSYS11．0转化成体单元网格。L4和L5体单元网格导回Mimics根据灰度值进行材质分配。余组件直接定义材料参数。在ANSYS用高级有限元装配技术，建立VL，节段人工髓核置换三维有限元模型。主要观察指标：观察人工髓核置换后有限元模型的模拟单元，节点及构成组件。结果：建立了人工髓核置换后三维几何和有限元模型。人工髓核置换模型分为92516个四面体单元，153963个节点，由L4、k、纤维环、上下终板、7条韧带和人工髓核13个组件构成，由三维10节点SOLID92固体单元模拟。结论：通过64层螺旋CT扫描获得腰椎精确几何数据，Mimics通过基于阈值算法及参数化建模提供精确模型，利用灰度值赋材质，建立高仿真脊柱节段及人工髓核置换有限元模型。