髋关节囊韧带三维有限元模型的构建及其生物力学意义

目的探讨髋关节囊韧带三维有限元模型的构建方法及其生物力学意义。方法选择成人尸体髋关节行CT成像得到髋关节每层横截面图像,提取边界坐标,利用有限元分析软件Un igraph ics NX 2.0和Solid-W orks 2006 SP 0.0构建出髋关节三维有限元模型及人工髋关节假体,并模拟全髋置换术进行装配,将坐股韧带按其术中重建位置进行构建。骨骼与金属模型采用三维十节点四面体实体单元进行网格划分,关节囊六面体连接单元划分,模拟坐位腿交叉动作载荷获取假体撞击过程的角活动度和相应的von M ises应力分布情况。结果所构建的多体连接、大界面划移、大变形的坐股韧带重建有限元模型,客观反映坐股韧带真实解剖形态及生物力学行为,增加坐股韧带重建的模型其关节面的最大主应力值大于仅有金属的模型。结论构建的坐股韧带重建三维有限元模型,为髋关节稳定力学机制及韧带损伤、重建的力学基础研究提供精确模型。关节囊韧带重建具有稳定髋关节的重要作用。     

骨质疏松患者全髋关节置换术后股骨应力变化的有限元分析

[目的]建立骨质疏松患者全髋关节置换术后股骨三维有限元模型,分析骨质疏松患者全髋关节置换术后股骨侧应力分布,为手术操作及假体的选择提供生物力学依据。[方法]采用64排螺旋CT扫描骨质疏松患者(骨密度检查提示)行全髋置换术后数据,建立骨质疏松患者全髋关节置换术后股骨三维有限元模型。对该模型进行模拟加载及仿真计算。分析骨质疏松患者全髋置换术后股骨的应力分布特点。[结果]骨质疏松患者行髋关节置换术后股骨侧应力分布由股骨近端向远端逐渐增大,应力峰值为股骨假体末端周围皮质,主要集中在假体末端与股骨内侧骨皮质交界处。通过有限元力学分析,在骨质疏松患者行关节置换术后,假体周围力学分布在各区域存在差异,差异有统计学意义(P<0.05)。[结论]通过对骨质疏松患者行全髋关节置换术后假体周围应力分布特点的分析,在手术操作过程中,应选择远端压配型假体,假体放置需避免内外翻,以减少假体远端与股骨皮质的应力集中区。     

活体人工髋关节假体植入位置的有限元分析

目的建立人工髋关节置换术后的三维有限元模型,分析假体和股骨的力学分布,为研究活体内假体及评估手术实施情况提供新的方法。方法选择1例生物型人工髋关节假体置换后志愿者,64排CT扫描髋关节,通过三维建模软件建立三维有限元模型,模拟单肢负重站立状态下的受力,分析假体和股骨的应力分布;实际植入位置为实验组,对假体植入的角度进行-10°、-5°、+5°、+10°的模拟作为对照组,研究相应位置的应力变化情况,并与实际手术情况进行对比。结果患者人工股骨头假体置换术后CT扫描图像建立的三维有限元模型,经受力比较发现并非为最佳植入位置。结论活体人工髋关节模型的应力分布是假体置换后的应力传导真实反映。人工髋关节活体建模可以对手术结果进行更为合理、可靠的分析。     

数字技术在人工全髋关节置换术中的应用研究

目的探索把数字技术应用于人工全髋关节置换术,为临床选择更适配的人工全髋关节假体提供新的方法。方法6例成人病变的髋关节和42-56号的髋臼假体和01-04号钛合金股骨柄(矩形,HA微孔)假体连续CT扫描,将CT扫描数据经Mimics软件处理,3D计算建立髋关节和假体的数字模型。将数据输入SPSS 17.0进行统计学分析。根据术前选择的假体施行手术,术后6个月根据Harris评分进行评价,并与同期6例行传统人工全髋关节置换术患者髋关节Harris评分进行统计学比较。结果 6例骨盆三维模型数据测量结果分析:髋臼前倾角、外展角与身高、性别、侧别因素无显著性差异;股骨颈前倾角及颈干角与侧别、性别及身高因素无统计学差异。结论数字技术可以指导选择更匹配的全髋关节假体,提高人工全髋关节置换术的近期效果,为临床术前选择全髋关节假体提供一种新的方法。     

有限元法在髋关节运动力学研究中的应用进展

人工关节置换术是治疗多种髋关节疾病的有效方式,置换后的运动生物力学研究日益受到重视。有限元法对复杂物体的运动生物力学分析具有独特优势,在人工髋关节置换术后的运动力学研究中有较多应用。该文回顾该领域文献,对有限元分析法应用于髋关节置换术后运动力学的研究进展作一综述,涉及髋臼及股骨体的应力应变分布、应力遮挡、假体松动、假体的优化设计、假体的初期稳定性以及肌肉力载荷影响等方面。     

有限元分析与髋关节研究进展

髋关节具有独特的解剖学特点及复杂的生理功能,其生物力学研究日益受到重视.对人体髋关节力学结构进行研究时力学实验主要通过动物模型模拟,在人体直接进行力学实验几乎不可能.有限元分析是计算机力学分析的重要方法之一,可在一定程度上替代生物力学实验,模拟人体生物力学情况.有限元分析在全髋关节置换术前术后应力分布和应力遮挡研究、骨水泥残余应力分析、假体的优化设计、假体表面磨损和术后脱位原因等方面取得了很大进展.有限元分析已成为儿童髋关节发育不良研究的新领域.     

成人髋臼发育不良伴骨性关节炎行全髋置换术不同髋臼安装方法的力学比较

目的通过有限元实验对比四种髋臼安装方法的力学差异,探讨髋关节骨性关节炎行全髋置换的最佳髋臼安装方法。方法建立髋关节三维有限元模型,模拟四种不同髋臼安装方式,在单髋站立位时,分析髋臼假体周围的等效应力和位移大小。结果大假体臼穿透型的Mises应力和位移最大。小假体臼次之,Harris截骨加盖型Mises应力最小。结论对于髋臼发育不良所造成髋关节骨性关节炎在行全髋关节置换时,大假体臼内移穿透型局部有害应力增大,术后易诱发假体松动,小假体臼的完整性包容可减少髋关节置换术后并发症的发生。     

髋关节有限元模型的建立与分析

目的建立全髋关节有限元模型,并对其进行分析。方法对1名患有腰痛病的男性志愿者的腰椎进行双能X线扫描记录其骨密度,同时进行CT扫描成像,应用CAD造型软件minics10.1、magics13.0软件和abaques 6.9软件,采用四面体网格划分方法,对腰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,建立全髋关节有限元模型。在所建模型上加载模拟髋关节的前屈、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具有一致性。结论建立的全髋关节三维有限元模型有效,具有良好的生物逼真度,可应用于临床患者生物力学分析。     

不同骨质密度下生物型及骨水泥型股骨假体置入后的三维有限元分析

目的 对不同骨密度下股骨假体类型选择进行模拟对比力学实验,从而确定不同年龄段患者临床全髋关节置换术选择股骨假体的标准,为患者选择股骨假体类型提供骨量上的理论依据.方法 利用Solidworks计算机软件建立人体股骨三维有限元模型.将不同年龄段骨质的密度及弹性模量分别输入计算机,模拟人体单足站立状态.测量2种人工股骨假体在不同股骨密度下的应力分布、界面应力,以及初始微动3个生物力学特性.结果 生物型股骨假体上的整体应力分布,男性30～40岁组和女性30～40岁组总相对较均匀,初始微动变化较小.骨水泥型股骨假体上的整体应力分布,在男性60～70岁组和在女性50岁组相对较均匀,初始微动变化较小.结论 男性55岁以骨和女性50岁以骨采用生物型优于骨水泥型人工股骨假体的定量性标准,为临床工作提供了理论依据.     

全髋关节置换术

人工全髋关节置换术 (TotalHipReplacement ,THR )是通过植入人工全髋关节假体治疗髋关节疾患的外科技术 ,是成人髋关节成形术中最常用的方法 ,是近年来发展最快的骨科分支之一。目前全球每年的人工全髋关节置换术病例超过10 0万。人们从 19世纪中叶就开始了人工髋关节置换的探索 ,先后使用过玻璃、粘性胶体、丙烯酸等作为人工关节的材料 ,并采用过多种手术方法 ,但均因较多而严重的并发症而失败。上个世纪 60年代 ,英国的JobnCharnley根据髋关节低摩擦的生物力学原则 ,设计出直径 2 2 5mm的金属股骨头与高分子聚乙烯髋臼假体组合的假…     

半月板三维有限元模型建立及力学分析

目的:建立正常膝关节及半月板三维有限元模型,较真实模拟膝关节及半月板的解剖形态及特点,通过初步有限元生物力学分析验证模型的有效性,并阐释半月板的部分生物力学机制。方法:利用CT和MRI扫描一健康男性志愿者膝关节获得其图像信息,导入至Mimics 10.01及Geomagic Studio软件构建膝关节各组织结构三维模型,利用ANSA软件对结构模型进行组合建立完整的膝关节模型,并对模型进行网格划分,最终建立了完整膝关节三维有限元模型。最后将有限元模型导入到ANSYS软件中,设置材料属性、建立边界条件和施加载荷,进行有限元分析,验证模型有效性,并分析半月板的生物力学特性。结果:所建立的模型包含膝关节骨、关节软骨、半月板及主要韧带结构,能有效模拟膝关节及半月板的解剖形态及特点。内侧半月板接触面积为771.05 mm2,外侧半月板接触面积为634.31 mm2,内外侧半月板接触面积比为1.216。内外侧半月板的应力分布均匀,但内侧半月板所受应力高于外侧半月板,其峰值应力分别出现在内侧半月板后角及外侧半月板前角,其峰值应力为4.11 MPa。半月板最大位移位于其体部,内侧较外侧形变更大,最大位移形变值为0.33 mm。所获得的力学分析结果于文献相一致,验证了模型的有效性。结论:本研究所建立的膝关节及半月板有限元模型具有有效性,可为半月板撕裂及半月板切除术等有限元分析研究提供有效的模型。所获得的有限元分析结果能够阐释半月板的部分生物力学机制,为临床半月板损伤和治疗提供理论指导。     

髋臼翻转造盖术治疗成人髋臼发育不良的生物力学研究

目的探讨髋臼翻转造盖术治疗成人髋臼发育不良的力学机理。方法收集适宜行髋臼翻转造盖术的成人髋臼发育不良12例的术前术后X线片,建立有限元网格,分析其力学变化并与正常髋关节进行对照研究。结果术后与术前各部位受力明显改变具有显著性差异(P<0·01),其中术前髋臼应力集中于外上缘,术后髋臼应力分布于臼顶,应力分散,与正常髋臼受力接近。结论髋臼翻转造盖术可明显改善髋臼局部受力情况,使成人髋臼发育不良术后髋关节受力趋于正常。     

准确构建个体化膝关节有限元解剖模型的方法

目的利用多模态影像数据融合和多种建模软件协同应用的方法准确构建膝关节有限元解剖模型,为研究膝关节生物力学行为奠定基础。方法采集正常膝关节CT和MRI影像数据,导入Mimics软件,提取骨、软骨、韧带和半月板,分别构建三维工程化模型。以外部标记物为参照进行模型的配准融合。将膝关节工程化模型导入SC/Tetra和Hypermesh软件,分别进行干涉面删除、网格自定义划分、局部网格优化和体网格划分,构建包含多解剖结构的膝关节有限元模型。结果基于CT和MRI影像数据构建出膝关节骨、软骨、韧带和半月板的三维工程化模型。以三维工程化模型为基础,多种建模软件协同应用构建的有限元模型充分保持了膝关节各结构的解剖学特征。结论利用CT和MRI影像数据融合和多种建模软件协同应用的方法可以构建活体膝关节有限元模型,并保持膝关节各解剖结构的解剖真实性,为准确模拟膝关节生物力学特征提供前提。     

下颌第一磨牙半切术三维有限元模型的建立

目的:建立下颌第一磨牙半切术的三维有限元模型。方法:薄层CT扫描,联合应用CAD软件AMIRA和UnigraphicsNX建立三维几何模型,然后导入有限元分析软件ALGOR软件中生成实体模型。结果:所构建的三维有限元模型具有良好的几何相似性,共有单元47155个,节点数41878个,可以按照不同的研究要求进行删除、旋转、切割和添加。结论:所构建的下颌第一磨牙半切术的三维有限元模型结构完整,单元划分精细的优点,能够较精确地模拟实体状态,为进一步的生物力学研究打下基础。     

Stress distribution in the ulna following a hinged elbow arthroplasty. A finite element analysis

The failure rates for total elbow arthroplasty, in comparison to those for hip arthroplasty, are quite high, and a precise understanding of the underlying causes still remains elusive. The presence of abnormal stresses is a known factor that accelerates loosening of hip and knee arthroplasties. Although a large number of biomechanical studies have led to a better understanding of elbow joint kinetics, very little is known about the stress distribution in this joint. The implantation of a Coonrad humeral component increases stresses in the bone and cement adjacent to the stem tip and hinge regions. An analysis of implanted ulnar stresses and a comparison of those stresses to implanted humeral stresses would improve our understanding of hinged elbow arthroplasty. For this reason, the distribution of mechanical stresses in the ulna are investigated in this study. Using a specially developed casting and sectioning technique, three-dimensional finite element meshes were obtained from an intact human cadaver ulna and an ulna fitted with a Coonrad prosthesis. The material properties were derived from values presented in the literature. Stress distributions in response to axial compression, axial torque, and anteroposterior (AP) force were computed. The cancellous bone and cement regions adjacent to the stem tip of the prosthesis exhibited higher stresses than those in the same regions of the intact case. The higher stresses in the ulna with an implanted prosthesis, as compared to the intact model, might initiate loosening or failure of the prosthesis. The stresses in the cortical bone region adjacent to the prosthesis head were decreased. This is consistent with the clinical observations of bone atrophy following total elbow arthroplasty.(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)     

腭部种植支抗三维有限元模型的建立

目的：建立含腭部种植体(支抗种植体)的上领骨三维有限元模型，为进一步研究腭部种植体加强磨牙支抗的生物力学特征打下基础。方法：采用螺旋CT断层扫描、计算机图像处理、计算机辅助设计和有限元软件处理。建立含腭部种植体的上领骨三维有限元模型。结果：建立了符合生物力学研究需要的腭部种植支抗的三维有限元模型。结论螺旋CT扫描、图像数字化处理及CAD技术提供了一种准确可靠的建立三维有限元模型的方法。本实验有限元模型的建立为上领骨种植体的生物力学研究提供了一个平台。     

不同股骨头颈直径比与髋臼角对人工髋关节活动的影响

目的：探讨不同股骨头颈直径比和髋臼安置方位对人工全髋关节活动范围的影响。方法：应用计算机模拟技术建立人工全髋关节三维计算机模型，模拟测试三种不同头颈直径比全髋假体在体外不同安置方位的活动范围。结果：全髋关节置换术后的活动范围不仅取决于假体设计的某些参数，如头颈直径比，还取决于假体安置的某些参数，如臼杯的外展角和前倾角，假体柄的前倾角，以及臼杯和柄的相互方向等等。人工全髋关节在合适的安置方位内产生最佳的活动范围。头颈比越大，同一安置方位同一方向的活动范围越大。结论：人工全髋关节相对较大的头颈直径比在合适的安置方位内产生最佳的活动范围，可减少全髋关节置换术(THA)后假体撞击机会。国产镁硅玉全髋假体由于头颈比太小，在任何安置方位内其活动范围都较小，将难于满足日常生活需要。     

髂骨翼与髋臼上置钉技术在Tile B1型骨盆骨折外固定的有限元研究

目的 对髂骨翼(IW)与髋臼上方(SA)2种置钉技术在Tile-B1型骨盆骨折固定的生物力学机理进行有限元分析,为临床治疗提供参考.方法 构建包含韧带结构的骨盆三维有限元模型,模仿Tile B1型骨盆骨折工况.在Abaqus有限元软件中进行模拟加载,比较SA外固定支架、IW外固定支架及耻骨联合钢板固定等工况的生物力学特点.结果 位移分析提示耻骨联合部位坚强的固定有利于控制水平方向的位移.Mises应力云图显示IW外固定支架主要通过直接将健侧应力传导至患侧髂骨翼;而SA外固定支架一方面将健侧应力直接传导至患侧髋臼上方,另一方面也增加了骶髂关节的应力传导.由于髋臼上骨质厚实,置入较粗固定钉的安全性较好.结论 SA外固定支架技术可有效恢复骨盆前方稳定性,且有利于后方骶髂关节稳定性的重建,生物力学性能总体优于传统IW外固定支架技术,是Tile B1型骨盆骨折的良好固定方式.

Abstract：

Objective To compare iliac wing (IW) and supra-acetabular (SA) external fixations for treatment of Tile Bl pelvic fracture through a finite element biomechanical analysis. Methods A three-dimensional finite element model of the pelvis including the ligament structure was constructed. Conditions of Tile B1 pelvic fracture were simulated in the model. In the Abaqus finite element software, simulated loads were applied to compare biomechanical parameters of SA, IW, and pubic symphysis (PS) fixations.Results Displacement analysis indicated that strong PS fixation benefited control of the horizontal displacement. Mises stress contour showed that the IW bracket directly transmitted the stress from the unaffected side to the affected side to restore the stability of the sacroiliac joint. The SA bracket not only directly transmitted the stress from the unaffected side to the superior part of the affected side, but also increased the stress transmission throughout the sacroiliac joint. On the thick SA bone, strong nails could be used for better fixation. Conclusions SA external fixation can effectively restore the anterior stability of the pelvis, and benefits reconstruction of the posterior stability of the sacroiliac joint. Since overall biomechanical properties of SA external fixation are superior to those of the traditional IW bracket, SA fixation is better than IW one for Tile Bl pelvic fractures.