跟骨内翻畸形对踝关节应力变化三维有限元分析

目的通过踝关节三维有限元模型的建立,模拟正常负重应力状态下随着跟骨内翻角度的增大,对踝关节的损伤模式的变化。方法取一名28岁男性志愿者,基于踝关节CT的数据建立包括骨骼、软组织和关节囊,考虑材料的非线性和关节接触的踝关节的三维有限元模型。采用统一的模型和方法,志愿者人体重量为60 kg,单腿站立,总加力600 N,垂直朝下,跟踪跟骨内翻角度从4~°、8~°、11~°、14~°的变化共四种情况力学表征形式,关注对踝关节应力分布的影响进行对比分析。应用有限元分析软件(Abaqus6 v6.14,DS System公司,法国)。结果踝关节应力集中区域在内踝与对应距骨关节面的凹陷区域,其次是外侧。距骨应力集中区域在距骨顶与内踝接触位置的区域,其次是外侧。我们发现4种情况下分析结果显示趋势一致,符合线性力学分析基本规律。结论跟骨内翻畸形负重应力集中固定在内踝、距骨接触位置,随着跟骨内翻畸形角度的增大,局部所承载的应力负荷增大,成正相关。跟骨手术治疗时跟骨内翻角变异应控制在患者跟骨生理内翻角+2°内。     

关于腰椎三维有限元模型的建模及有效性验证*

[摘要]目的 利用三维有限元原理，通过三维 有限元软件创建正常人腰骶椎三 维有限元模型，并对 模型进行有效性 考证。方法 选取一名健康成年男性志愿者，在平卧非承重条件下采用螺旋CT行薄层扫描，利用数字软件Simple ware2.0、Geo magic studio9.0、Hypermesh10.0、ANS YS9.0及Abaqus6.10-l等建立正常人腰骶椎（L3-S1）模型。对健康完整模型进行四种状态（前屈、后伸、侧屈和轴向旋转）的加载分析，并将L3-L4在不同工况下的角位移与以往文献结果比较，来验证模型的有效性。结果 建立健康成年男性的L3-S1三维有限元模型，包括72158个节点，173035个单元；模型L3-L4节段在前屈、后伸、侧屈及旋转运动时的角位移数值与其他实验数据对比相似性好，各椎间盘最大Von Mises应力与文献结果一致。结论 通过有效性验证，可认为该基于正常人体L3-S1腰骶部的三维有限元模型在一定的条件下是有效的，可用于生物力学实验。     

三维有限元分析钢板内固定治疗跟骨骨折

背景：有多种钢板治疗跟骨骨折,但究竟哪种效果更好,目前尚无定论。 目的：在跟骨骨折三维有限元模型上模拟加载3种类型的钢板,观察比较应力、应变及移位等生物力学性能。 方法：在踝关节中立位和背伸20°位建立跟骨骨折三维有限元模型,分别模拟使用跟骨Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3种形状钢板对骨折进行固定,加载后计算内固定物自身的应力分布、骨骼的应力分布及骨折块间的移位程度。 结果与结论：①两种体位骨折模型3种固定方式下的钢板应力分布都不均匀,钢板前部应力水平均高于后部,Ⅰ型钢板的应力分布相对比较均匀。②两种体位骨折模型3种固定方式下跟骨的应力最大值均在跟骨前部,而正常跟骨最大应力值在跟结节处,Ⅰ型钢板固定跟骨骨折后骨骼的最大应力值均小于Ⅱ型、Ⅲ型钢板。③两种体位骨折模型3种固定方式下均发生了骨折块间的位移,其位移趋势是一致的。结果显示,与Ⅱ型、Ⅲ型钢板固定相比较,跟骨Ⅰ型钢板固定后所承受应力更小,且应力分布更均匀,较符合生物力学原理。     

脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立

背景：建立逼真的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,关于骨质疏松有限元模型的报道尚少。 目的：建立脊柱腰段各主要结构及骨质疏松腰椎的有限元数字模型,为正常脊柱腰段及骨质疏松患者腰椎的有限元力学分析打下基础。 方法：对1名健康男性志愿者行脊柱腰段的螺旋CT扫描,将所得图像先在Mimics中进行分隔和重建,在Geomagic中进行优化,在Ansys中赋材质及网格划分,建立三维有限元数字模型。 结果与结论：建立了包括全部腰椎、椎间盘及主要韧带的正常腰椎及骨质疏松腰椎三维有限元数字模型。该模型外形逼真,几何相似性好,可以随意旋转,方便从多角度观察、采集三维信息,各主要结构材料属性接近实际,适合进行生物力学研究。提示利用CT数据及mimics、geomagic、Ansys软件可以建立脊柱腰段正常及骨质疏松有限元数字模型。     

天然上颌中切牙与种植体应力规律的三维有限元分析

背景：生物力学相容性是保证种植体与骨结合后长期稳定并行使功能的必要条件,因此,了解上颌中切牙与其周围骨组织应力应变分布情况对种植义齿修复尤为重要。 目的：根据天然牙5种不同解剖分型,探讨上颌中切牙牙根与种植体的应力分布规律。 方法：根据天然上颌中切牙5种不同解剖分型,通过UGNX、ANSYS等软件建立种植体及周围局部结构的三维有限元模型(B1、B2、M1、M2、P1),对种植体施加与牙长轴的夹角成0°、30°、45°、60°、90°的100 N静态荷载力,分析5类上颌中切牙牙根与种植体的应力分布情况。 结果与结论：5种分型中,天然中切牙与种植体等效应力随着加载力角度的增大而增大,种植体上升趋势高于天然牙。天然牙等效应力最大值集中在B1,最小值在M1,而种植体等效应力最大值在M1,最小值在M2。天然牙牙根等效应力有2%-31%的差距,种植体等效应力有4%-21%的差距,种植体的应力分布区间小于天然牙牙根的应力分布区间。说明种植体与天然牙随着咬合力角度的增大与受力呈正比,种植体所能承受的咬合力小于天然中切牙。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程全文链接：     

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.     

国人头颅三维有限元模型有效性检验

目的检验国人头颅三维有限元模型有效性。方法依据Nahum头颅冲击尸体实验参数，对有限元模型加载额部冲击载荷，载荷位于正中矢状面上，由前向后，呈正弦波形，峰值6．8kN，时程15ms。计算分析头颅结构的力学响应。分析不同部位结构的应力改变。由应力值计算颅内压，对模拟计算结果与尸体实验测定结果进行比较。结果头颅不同结构的应力改变不同，由额、顶及枕部硬膜节点主应力计算出的颅内压时间曲线与尸体实验测定的颅内压曲线吻合。结论由硬脑膜节点应力计算所得的颅内压与尸体实验测定值吻合。该头颅三维有限元模型可用于头颅冲击的模拟计算，模型有效。     

Calcaneal angle in Ugandans

We investigated the calcaneal angle from 206 unilateral radiographs of the lateral aspect of the foot in Ugandans, comprising 114 males and 92 females, aged 20-40 years. The mean angle in males was 35.1 degrees with a standard deviation (SD) of 7.5 degrees and, in females, 37.6 degrees with SD 5.6 degrees. The range of the angle for both sexes together was 20-50 degrees with females having a significantly higher mean value than males (P < 0.01). There was also a significant difference in the angle between Ugandan and Nigerian men (P < 0.01) and between Ugandan and Nigerian women (P < 0.001). Our reported range was the widest so far documented in Africans. Our study reinforces the need to establish the normal range of the angle in a given population and also highlights the clinical importance of the angle to orthopedic surgeons managing calcaneal fractures in this part of the world.     

三维有限元方法构建足部健康骨骼与常见疾病模型及生物力学分析

文题释义： 有限元分析：利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟,还利用简单而又相互作用的元素,即单元,用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的近似解,然后推导求解这个域总的满足条件,从而得到问题的解。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。 DICOM：即医学数字成像和通信,是医学图像和相关信息的国际标准(ISO 12052)。它定义了能满足临床需要的可用于数据交换的医学图像格式。DICOM被广泛应用于放射医疗、心血管成像以及放射诊疗诊断设备(X射线、CT、核磁共振、超声等),并且在其他医学领域得到越来越深入广泛的应用。在数以万计的医学成像设备中,DICOM是部署最为广泛的医疗信息标准之一。当前大约有百亿级符合DICOM标准的医学图像用于临床使用。 背景：在创伤骨科方面,三维有限元分析不仅仅作为骨折内固定治疗过程中生物力学评估和内固定器材设计、优化的常规手段,近年来也为创伤骨科基础与临床研究开拓新的方向。 目的：对足部正常骨骼、扁平足、马蹄足、足部骨折病例进行三维建模及生物力学分析。 方法：选取健康受试者以及扁平足、马蹄足、足部骨折患者进行足部CT检查,根据检查数据利用计算机三维成像技术进行三维有限元建模及生物力学分析,根据分析结果得到足部健康骨骼、扁平足、马蹄足及足部骨折应力分布图以及应力值等数据,并对数据结果进行分析。该研究获得福建医科大学附属闽东医院伦理批准。 结果与结论：建立足部正常骨骼、扁平足、马蹄足、足部骨折模型并进行生物力学分析,扁平足患者跖骨、跗骨应力值较正常明显增加,马蹄内翻足的应力主要集中于踝关节周围,尤其是在距骨关节面。单纯跖骨骨折对于足跗骨区域应力变化影响较小,Lisfranc损伤患者的足跗骨区应力较正常足部增加较明显。该研究以足部三维有限元建模和生物力学分析将计算机技术与临床实际相结合,为人体足部生物力学研究提供参考,通过应力分析将多种足部情况的力学信息数值化,为足部的临床治疗提供了重要的力学依据。 ORCID: 0000-0002-7688-6990(何晓宇) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

骨质疏松椎体经皮骨移植增强的有限元研究

目的:利用骨质疏松腰椎三维有限元模型,探讨松质骨粒和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)增强后对治疗节段和相邻非治疗节段椎体生物力学影响.方法:选取青壮年男性正常人体脊柱标本一具,范围为L1-L2建立L1-L2的三维脊柱功能单位的骨质疏松有限元模型.模拟经皮穿刺椎体后凸成形术(PKP)过程在L2椎体中分别置入松质骨粒和PMMA,分析轴向压缩、前屈和后伸3种加载状态下手术前后治疗节段和相邻非治疗节段椎体应力和应变的变化.结果:松质骨粒和PMMA均对邻近椎体生物力学的影响极小,但治疗节段椎体增强区域的应力增加和应力分布变化明显.结论:三维有限元力学分析表明两种材料均增强治疗节段的总体强度和刚度水平,有利于椎体功能的重建.但松质骨粒的增强对恢复治疗节段内部的应力水平要优于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA).     

过伸内翻型胫骨平台骨折新型钢板的设计及有限元分析

背景:目前尚无适用于前内侧平台的解剖型锁定钢板,因此通常采用胫骨平台内侧锁定钢板偏前放置来固定过伸内翻损伤导致的前内侧压缩骨折。由于锁定螺钉无法实现对骨折线的垂直固定,再加上髌韧带的影响,临床效果仍不尽人意。目的:通过有限元分析比较新型钢板与传统内固定方式治疗胫骨平台前内侧骨折的生物力学性能。方法:收集20例内翻型胫骨平台前内侧骨折的CT数据,并对其形态学特征,如前内侧胫骨平台后倾角、骨折面角度、骨折块表面积、高度和角度等进行测量。选择1位24岁、身高175 cm、体质量65 kg的男性志愿者,将其胫骨CT数据导入Mimics 21.0软件生成三维模型。在SolidWorks 2017软件中导入内固定模型,根据测量的形态学数据建立新型钢板、内侧锁定钢板、后内侧锁定钢板和6.5 mm拉力螺钉固定数据模型。使用Ansys17.0软件对4种固定模型进行应力加载,比较其生物力学性能。结果与结论:①随着轴向载荷的增加,不同内固定模型的应力峰值近似同比增大,500 N时应力峰值:螺钉组(6.9737 MPa)<新型钢板组(14.733 MPa)<内侧钢板组(16.445 MPa)<后内侧钢板组(25.199 MPa);②500 N时骨折块的应力峰值:螺钉组(3.6579 MPa)<新型钢板组(4.5108 MPa)<内侧钢板组(5.2259 MPa)<后内侧钢板组(6.1812 MPa);③随着轴向载荷的增加,骨折块和内固定位移也近似等比增大,位移分布特征无明显变化;500 N时钢板位移:新型钢板组(1.0307 mm)<内侧钢板组(1.503 mm)<螺钉组(2.0965 mm)<后内侧钢板组(2.2582 mm);500 N时骨折块位移:新型钢板组(0.2128 mm)<内侧钢板组(0.31154 mm)<螺钉组(0.42779 mm)<后内侧钢板组(0.45498mm);④提示在治疗过伸内翻型胫骨平台骨折时,新型钢板的稳定性和力学性能优于传统内固定方式。     

下颌骨角部受力时应力分布的三维有限元分析

背景：关于下颌骨撞击后,下颌骨不同部位的骨折危险性的相关研究比较薄弱。 目的：应用有限元方法分析下颌骨角部受瞬间外力作用下应力分布的情况和特点。 方法：采用薄层CT扫描技术、医学影像三维重建软件Amira联合Unigraphics NX造型软件建立下颌骨三维模型。在Ansys软件中,于左侧下颌角区分别施以与矢状面垂直,平行的两个不同方向的1 000 N压力,获取受力后下颌骨应力分布状况和薄弱区域受力大小。 结果与结论：建立了下颌骨有限元模型,当左侧下颌角受到水平向右垂直于矢状面的外力时,左右两侧的下颌角及髁状突颈部极易造成骨折,正中联合区域内侧面,左侧颏孔区可能会出现骨裂,而右侧颏孔区仅会造成轻微损伤。当左侧下颌角下缘受到垂直向上平行于矢状面的外力时,左右两侧的下颌角及髁状突颈部极易造成骨折,正中联合区域内侧面和左侧颏孔区可能会出现骨裂,而右侧颏孔区仅会轻微损伤。提示当下颌骨角部受到瞬间外力时,应力主要集中在下颌骨的薄弱区域,应力较大部位与骨折易发部位密切相关。且在薄弱区域中,两侧下颌角及髁状突颈部的损害最为严重。     

动力髋螺钉和Gamma钉置入固定不稳定股骨转子间骨折的三维有限元分析

背景：对于不稳定型股骨转子间骨折的修复有两种观点：髓外固定或髓内固定。理论上讲,髓内固定符合微创原则,更具力学和生物学优势。但是循证医学及相关研究表明髓内固定与髓外固定比较并没有体现出理论上应有的优势。目的：通过有限元法比较目前修复股骨转子间骨折常用的2种内固定系统动力髋螺钉和Gamma钉的生物力学性能,评价二者治疗不稳定型股骨转子间骨折的优劣。方法：分别建立人股骨不稳定股骨转子间骨折的三维有限元模型(31-A2;骨折AO分类)和动力髋螺钉、Gamma钉的三维有限元模型,按骨科手术要求予以固定,模拟体质量700 N成人步态周期中关节承载处于峰值时刻的参考负载,分析骨、骨-内固定模型和锁钉或螺钉的应力分布状态、骨和骨-内固定模型表面的应变、骨折位置的变形,沿着股骨的应力分布情形以及沿着内固定物的负载传递情形等。结果与结论：①动力髋螺钉和Gamma钉具有良好的滑动加压功能,使骨折断面持续性、动态地轴向加压。在载荷条件下,动力髋螺钉的位移值较大。②在不稳定型股骨转子间骨折的治疗中,Gamma钉比动力髋螺钉坚强。两种内固定均使近端股骨承担负荷减少。③在31-A2型不稳定型股骨转子间骨折的治疗中,若股骨矩粉碎不严重,缺损不多或者无缺损,术中能够立即重建股骨矩区的稳定性,宜选择动力髋螺钉固定;反之则宜选择更坚强的内固定即Gamma钉固定。  中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

步幅大小及髋关节外展角度对坏死股骨头影响的三维有限元分析*

背景：目前对于日常生活中步幅及髋关节外展角度大小是否会对坏死股骨头影响认识不多,也缺乏相关的实验研究。 目的：应用三维有限元方法分析步幅大小及髋关节外展角度对坏死股骨头应力分布的影响。 方法：选取1例男性ARCO Ⅱ期股骨头坏死患者行股骨近段螺旋CT扫描,应用专业医学建模软件MIMICS及HYPERMESH建立三维有限元模型。设置边界条件和加载条件,应用有限元分析软件ANSYS执行计算。 结果与结论：随着步幅的加大(0~60°),外展角度增加(0~10°),股骨近段应力分布改变最大应力值逐渐增大,提示步幅及髋关节外展角度的大小能够影响股骨头应力分布,股骨头坏死患者日常治疗生活及功能练习时应减小步幅及外展角。关键词：步幅;股骨头坏死;三维;有限元;外展角 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.17.004     

3D打印技术与有限元分析在脊柱侧凸矫形中的应用优势

背景:脊柱侧凸是脊柱外科中常见的脊柱畸形疾病,常好发于许多儿童和青少年.严重的脊柱侧凸给患者带来身体与心理上的伤害,接受适当的手术治疗成为解决问题的有效方法.目的:文章综述了3D打印技术与有限元分析的研究背景及发展,总结并归纳了3D打印技术与有限元分析的广泛使用推动了脊柱外科矫形的发展.方法:以Scoliosis,3...     

儿童股骨近端解剖钢板生物力学及三维有限元分析

背景：以往的三维有限元研究多集中在成人骨科生物力学方面。 目的：以三维有限元方法分析儿童股骨近端解剖钢板固定股骨转子下骨折的生物力学性能。 方法：从6具儿童尸体上取股骨12根,X射线排除骨病后分为2组,实验组采用儿童股骨近端解剖钢板固定,对照组采用重建钢板固定。分别进行生物力学实验,测试其轴向压缩、扭转刚度、弯曲刚度。选取1名健康男性儿童进行螺旋CT扫描技术,获得股骨近端图像数据,建立儿童股骨近端三维有限元模型,并进行三维有限元力学分析。 结果与结论：在轴向压缩刚度、扭转刚度上儿童股骨近端解剖钢板与重建钢板两者比较差异无显著性意义(P > 0.05);在抗弯曲刚度上,两者相比差异有显著性意义(P < 0.05)。结果显示儿童股骨近端解剖钢板的抗压能力、抗扭能力上与重建钢板相当,而在抗弯曲能力上强于重建钢板。生物力学三维有限元分析显示儿童股骨近端解剖型钢板的设计符合生物力学原理,具有较好的强度、刚度和稳定性,能够满足对儿童股骨近端骨折固定的需要。儿童股骨近端解剖型钢板对固定股骨转子下骨折具有良好的生物力学性能。     

功能梯度牙种植体三维有限元力学分析与结构优化

背景：将生物活性陶瓷与钛进行整体的梯度设计,从而能最大程度地起到增强种植体早期骨结合与长期稳定的作用。 目的：通过三维有限元方法分析功能梯度牙种植体生物力学特性。 方法：建立功能梯度牙种植体及部分颌骨三维有限元模型。整个功能梯度牙种植体从头部到底部的弹性模量梯度变化分别设计为线性、指数函数、对数函数变化3种情况,以钛种植体为对照组。在Abaqus软件中进行三维有限元应力分析。 结果与结论：与对照组相比,功能梯度牙种植体每一层面上及相应骨界面上的应力均有减小。从种植体头部到底部,种植体表面应力下降为3%~50%,骨界面上应力下降为10%~30%,均以指数函数变化组下降最为明显。提示功能梯度牙种植体的设计能减小种植体与骨界面之间的应力,尤以指数函数变化的设计方案更为明显。     

基于CT图像和逆向工程方法建立正常人体腰椎三维有限元模型◆

背景：利用有限元法可以分析静止及活动时正常脊柱的生物力学,并预测应力时的风险。 目的：建立腰椎L3~L5三维有限元模型。 方法：选取一名健康30岁男性志愿者L3~L5薄层CT扫描图像,使用工具软件 Geomagic 和 Ansys,应用逆向工程原理构建三维有限元模型,设定边界条件进行加载,记录角位移及应力集中部位,计算模型的平均刚度。 结果与结论：建立L3~L5椎体三维有限元模型,包括椎体、韧带、椎间盘、纤维环和小关节,模型总单元数51 905个,通过定量和定性两方面验证模型有效。说明所建立的L3~L5椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特征,可用于进一步脊柱生物力学研究。     

三维有限元分析在脊柱生物力学中应用研究

三维有限元分析方法作为脊柱生物力学研究方法之一,随着人们对脊柱力学特性的认识,有限元分析软件在国内外不断开发与应用,不但促进了有限元技术的发展,而且推动着脊柱生物力学研究更深入发展。作者从有限元法概念及原理、脊柱有限元模型构建、颈椎和腰椎三维有限元应用、内固定器械三维有限元分析等方面综述了近年来的一些研究进展。     

终板凹陷角变化对腰椎运动节段生物力学影响的有限元分析

目的:研究终板凹陷程度变化对腰椎运动节段生物力学影响。方法:在以往建立的腰椎L4～5运动节段三维非线性有限元模型基础上,采用CAD方法精确构建三种不同终板凹陷角改变的有限元模型,有限元模型的椎间盘前凸角、小关节间隙等其余形态学参数及网格划分均保持一致。垂直压缩、屈曲、伸直、前后剪力5种载荷条件下,分别对三种有限元模型生物力学参数进行测试。结果:负载条件下,终板凹陷角增加、终板凹陷程度减小可导致终板-椎间盘界面应变减小,椎间盘刚度及髓核内压增加,椎间盘膨出、纤维环纤维张应力、纤维环基质应力、腰椎后部结构应力以及关节突接触力减小。结论:终板凹陷程度的减小增强了椎间盘对椎体的保护作用;同时可通过影响终板的形变减少对椎间盘的营养传递。