足部有限元模型的构建与验证

背景:目前国内所建的足部模型大部分是采用自动划分网格的四面体有限元模型,虽然四面体网格自动剖分技术给三维实体的有限元网格自动剖分带来了极大的方便,但力学性能较差。目的:基于CT图片构建六面体网格足部有限元模型。方法:选取中国正常男性人体足部的CT数据,利用Mimics软件对足部几何模型进行重构,运用NURBS曲面的节点插入算法,对足部几何模型进行了细化,构建了具有较高生物仿真度的人体足部有限元模型,利用Pam-crash软件对模型进行了碰撞仿真分析。结果与结论:仿真结果与尸体实验结果基本一致,证明模型可信。实验基于CT图片构建的六面体网格足部有限元模型,添加了足底肌肉、肌腱、皮肤等结构,更真实的反映了足部解剖学结构特征,进而提高了有限元模型的质量,更能有效地研究足部损伤机制,从而为提高汽车安全性设计提供参考依据。     

儿童肱骨三维有限元建模及验证☆

背景：有限元数值模拟力学实验方法是对人体进行生物力学结构研究的有效手段。目的：建立正常6岁健康儿童肱骨的三维有限元模型。方法：使用某6岁儿童志愿者的人体CT数据,导入到Mimics 10.01软件中,应用阈值分割的方法进行肱骨三维重建。运用Geomagic Studio 12.0对模型表面进行表面优化处理及曲面片的划分,然后使用TrueGrid软件进行网格划分,最后对其进行材料属性赋值,完成有限元模型的构建。施加边界条件及约束,模拟肱骨的三点弯曲试验,输出模拟结果。结果与结论：建立完成的肱骨有限元模型包括3024个节点,8节点六面体单元1875个,实验分别加载0.01 m/s和3m/s的动态载荷,肱骨中部均发生断裂,载荷-位移曲线与尸体试验结果近似。模拟结果显示,儿童肱骨的有限元模型仿真结果与尸体试验结果较为接近,有限元仿真法可以很好的模拟人体骨骼的物理特性。     

兔胫骨骨折的有限元模型

背景：医学生物力学有限元分析的原始资料多为人体CT数据,大范围的CT扫描势必会对人体造成一定的射线伤害。目的：建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型。方法：选取雄性1年龄新西兰大白兔1只,开放锯断左侧胫骨中段,MIMICS10.01软件直接读取以层厚0.625mm对左侧胫腓骨不间断扫描得到以DICOM3.0格式刻盘保存的CT图片135张,经过定位图像、组织图片、内插值处理以及表面光滑化处理建立面网格模型,导入ANSYS10.0软件构建体并划分体网格,在MIMICS10.01中赋材质。结果与结论：建立了外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的胫骨中段骨折有限元模型,经加载分析模型真实有效。可见应用MIMICS10.01和ANSYS10.0软件能快速建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型,为进一步进行实验兔骨折愈合生物力学分析奠定基础。     

髋臼三维有限元分析及其生物力学意义

目的：寻求髋臼三维有限元模型构建的方法并探讨记忆生物力学的临床意义。方法：选择成年湿髋臼尸体标本行CT扫描成像得到髋臼每层横截面图像，提取边界坐标．利用有限元分折软件ANSYS5.6构建髋臼三雏有限元，三维十结点四面体实体单元进行网格划分。结果：所构建髋臼模型共划分为121 239个结点、112 491个单元。客观反映髋臼真宴解剖形态及生物力学行为。结论：构建的髋臼三维有限元模型．为髋臼骨折内固定的记忆力学研究提供可循模型.     

骨盆及髋臼三维有限元模型单元选择及构建生物力学意义

目的：寻求骨盆及髋臼三维有限元模型构建中三维有限元模型单元的选择以及构建，为骨盆、髋臼生物力学研究及手术仿真模拟提供精确模型。方法：在获得的骨盆及髋臼三维CT图像数据矩阵中移动立方体，骨骼内部采用六面体单元，骨骼表面采用Marching Cube算法，建立四面体代替等值面，构建骨盆及髋臼三维有限元模型单元。结果：综合Marching Cube算法和传统方法构建三维有限元模型，所构建模型表面光滑连续，不仅能够分析骨骼表面应力应变分布，同时保留内部应力应变分布的特点。结论：结合传统三维有限元模型构建方法，在模型表面使用四面体单元，模型内部采用六面体单元，构建表面连续平滑的骨盆和髋臼有限元模型，不仅能够反应内部应力应变分布，而且能够模拟分析骨骼表面应力应变分布。     

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。     

兔胫骨骨折的有限元模型

背景:医学生物力学有限元分析的原始资料多为人体CT数据,大范围的CT扫描势必会对人体造成一定的射线伤害。目的:建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型。方法:选取雄性1年龄新西兰大白兔1只,开放锯断左侧胫骨中段,MIMICS10.01软件直接读取以层厚0.625mm对左侧胫腓骨不间断扫描得到以DICOM3.0格式刻盘保存的CT图片135张,经过定位图像、组织图片、内插值处理以及表面光滑化处理建立面网格模型,导入ANSYS10.0软件构建体并划分体网格,在MIMICS10.01中赋材质。结果与结论:建立了外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的胫骨中段骨折有限元模型,经加载分析模型真实有效。可见应用MIMICS10.01和ANSYS10.0软件能快速建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型,为进一步进行实验兔骨折愈合生物力学分析奠定基础。     

表面髋关节置换三维有限元模型的建立及意义

背景:目前髋关节的三维有限元模型大都是基于人体尸骨数据或通过CAD重建获得的,其效果不够理想.目的:通过64排螺旋CT扫描提供数据,建立表面髋关节置换的三维有限无模型,拟为生物力学实验提供标准数学模型.方法;选择1名行表面髋关节置换后的成年男性志愿者,经X射线检查排除健侧髋关节疾患.螺旋CT扫描表面髋关节置换后患者所得数据导入Mimics软件.采用域值法建立三维立体模型,之后导入Abaqus软件,进行网格划分.建立起表面髋关节置换术后的三维有限元模型.结果与结论:建立了表面髋关节置换术后三维几何和有限元模型.表面髋关节置换模型分为三维六面体单元165 886个,节点213 343个.可见,通过Mimics软件、Abaqus软件可以利用表面髋关节置换术后患者薄层断面图像构建出其三维几何模型与三维有限元模型.该模型具有较高的形态学及力学仿真度.     

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。     

应用CT断层图像快速构建人体骨骼有限元几何模型的方法

目的:寻求更为快捷、精确的基于CT断层图像重建人体骨骼结构有限元几何模型建立方法。方法:利用Philips/Brilliance64排螺旋CT各向同性分辨率0.625mm的薄层扫描技术,基于0.4mm层厚118层人体寰枢椎的连续断层图像,Mimics直接读入Dicom格式原始图像,界定骨组织阈值后软件自动提取各层面轮廓线,每层图像经边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得寰枢椎骨骼三维几何模型,面网格可保存为后缀名.lis的ANSYS文件,能直接导入Ansys有限元分析软件生成三维有限元模型。结果:建立了更为精确、快捷的寰枢椎骨骼三维有限元几何模型,面网格可直接导入Ansys有限元软件,进一步行模型求解。结论:薄层CT扫描技术,Dicom标准的应用使有限元模型的建立更为精确,Mimics软件直接建立人体骨骼结构的有限元几何模型,极大程度提高了建模效率。     

股骨头坏死有限元模型的建立

背景：股骨头坏死有限元分析法已经被许多研究者应用,但作为分析的数字模型还存在几何以及物理相似性不够等不足。目的：借助股骨头坏死患者的CT扫描图片建立更加逼真的股骨头坏死有限元模型。方法：将以各向同性扫描所得的层厚0.625mm股骨头坏死髋关节连续断层142层Dicom格式CT图像,直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得股骨头坏死三维几何面网格模型,将其保存为后缀名.lis的Ansys文件,直接导入Ansys有限元分析软件进行体网格划分,再将体网格转入Mimics根据CT值给予赋值,再次导入Ansys生成有限元模型。结果与结论：快捷建立了外形逼真、计算精确的股骨头坏死三维有限元模型。提示应用精细CT扫描技术,Mimics软件根据CT值直接赋值使股骨头坏死三维有限元模型的建立更加快捷、精确。     

腰椎L3-L5三维有限元模型的有效性验证：

背景：建立精确的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,精确的腰椎有限元模型报道较少。目的：采用正常人腰椎CT资料建立L3-L5三维有限元模型,并进行有效性验证。方法：健康男性志愿者,39岁,身高175cm,体质量65kg,采用16排螺旋CT机对L3-L5节段进行扫描,得到1．25mm层厚的CT图片共101张,Geomagic9．0软件下建立几何实体模型,然后确定单元类型、划分有限元网格,建立有限元模型进行加载计算。结果与结论：建立了正常人L3-L5三维有限元模型,整个模型共有213736个节点和799779个单元。该模型L3-L4,L4-L5节段活动范围与文献尸体标本生物力学测试结果一致,验证了模型的有效性,可用于实验研究。     

基于CT图像应用Mimics软件快速构建人体胸腰段骨骼有限元模型

将以各向同性分辨0.625mm薄层扫描所得的层厚0.65mm人体胸腰段连续断层210层Dicom格式CT图像,直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得胸腰段三维几何面网格模型,将其保存为后缀名.lis的Ansys文件,直接导入Ansys有限元分析软件进行体网格划分,再将体网格转入Mimics根据CT值给予赋值,再次导入Ansys生成有限元模型.快捷建立了外形逼真、计算精确的人体胸腰段脊柱三维有限元模型.结果提示,应用精细CT扫描技术,图像Dicom标准,Mimics软件能直接与Ansys软件进行对接,并能根据CT值直接赋值使胸腰段脊柱三维有限元模型的建立更加快捷、精确.     

应用Mimics软件建立下颌骨双侧矢装劈开内固定后的有限元模型

背景：双侧升支矢状劈开截骨术是正颌外科常见的治疗方法之一,仃限元法成为研究双侧升支欠状劈开内阎定后生物力学的重要方法。目的：快速建立下颌骨双侧矢装劈开内固定后有限元模型,寻求一种更为快捷、精确的矢装劈开内固定的三维有限元模型,为研究下颌骨矢装劈开内固定后生物力学打下基础。方法：应J用簿层CT,Dicom标准和Mimics软件,结合MSC．Patran三维有限元专用软件对CT断层影像进行分析处理。结果与结论：建立了精确的下颌骨双侧矢装劈开内固定后三维有限元模型。使用Dicom标准和Mimics软件获取三维模型,直接写入MSC．Patran三维有限元软件,提高了建模效率。提示薄层CT、Dicom标准的应用使得有限元模型的建立更为精确,司时Mimics软件直接建立矢装劈开内固定三维模型,极大程度提高了建模效率,为生物力学分析打下基础。     

基于正常人体资料建立胸腰椎多椎体压缩性骨折三维有限元模型

将健康志愿者扫描所得的胸腰段210层Dicom格式CT图像直接读入Mimics后,界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理去除冗余数据,三维化处理后获得胸腰段三维几何面网格模型,直接导入Ansys划分体网格,再将体网格转入Mimics根据CT值给于赋值,再次导入Ansys添加韧带、关节约束后生成三维有限元模型.在生成的模型上约束L_1下端、在T_(12)上缘由前向后施加位移载荷,运算求解.将单纯T_(12)L_1双椎体压缩性骨折患者的CT扫描图片按同法建立有限元模型,并将2个骨折模型施加拉力力矩验证其有效性.结果显示,建立了外形逼真、生物力学特性全面的胸腰段脊柱椎体压缩性骨折三维有限元模型.结果提示,应用正常人体原始资料,依据骨折受伤机制构建相应骨折有限元模型的方法科学有效.     

腰椎间盘膨出节段数字模型及三维可视化

背景：从生物力学入手研究腰椎间盘膨出意义重大。目的：探讨构建腰椎间盘膨出节段数字模型及三维可视化研究方法。方法：基于L3～4的16排螺旋CT连续断层114层二维图像,Mimics软件分别对腰椎骨性结构及各种软组织进行重建,并导入有限元分析软件进行模型验证。结果与结论：建立了L3～4间盘膨出节段三维数字模型,包括两个椎体、终板、纤维环、髓核及6种韧带,数字模型外形逼真,实体感强,可进行三维测量、复位、手术模拟以及输出用作CAD（计算机辅助设计）,RP（快速成型）及FEA（有限元分析）研究。说明薄层CT,Mimics软件阈值分割、区域增长使数字模型的建立更为精确、快捷,数字模型可被输出用于进一步研究。