半月板有限元分析的研究进展

对半月板生物力学研究一直是医学科研热点之一。有限元分析法(FEA)提供了一种新的思路和方法。通过建立半月板有限元模型,利用软件分析可获得正常半月板的应力应变分布特点,也可模拟半月板撕裂、半月板切除、以及膝关节各组织损伤,研究半月板力学特性的改变,为临床疾病的预防治疗以及康复提供理论力学依据。但目前的有限元分析法存在其局限性,未来建立高质量的有限元模型,使模型更真实反应半月板的解剖特点,以及将有限元分析法运用到更多的膝关节损伤中应是研究的方向。     

膝关节盘状半月板有限元模型的构建及生物力学分析

[目的]通过CT和MRI数据融合构建膝关节盘状半月板有限元模型,并进行有限元分析和验证,为盘状半月板研究提供可靠的有限元模型。[方法]采集包含盘状半月板膝关节CT和MRI影像数据,导入到Mimics软件中,构建膝关节骨骼、半月板等结构的三维模型。以外部标记为参照点进行模型配准,融合成膝关节整体模型。在Ansys软件中进行网格划分,构建膝关节有限元模型。通过解剖观察和测量对有限元模型进行解剖真实度评估,对其设置材料属性、建立边界条件和施加载荷,进行有限元分析,并验证。[结果]在600 N轴向压力下,股骨与胫骨软骨面发生接触,半月板传导轴向载荷。外侧盘状半月板上表面挤压应力峰值为2.21 MPa,出现在体部的中央;内侧半月板上表面挤压应力分布于前角、体部、后角的游离缘,峰值为6.61 MPa,出现后角游离缘。股骨软骨的挤压应力峰值出现在外侧髁,为0.67 MPa;股骨内侧髁挤压应力峰值为0.52 MPa。胫骨软骨的挤压应力峰值出现在内侧平台,为1.39 MPa,胫骨外侧平台挤压应力峰值为0.62MPa。[结论]通过CT和MRI影像数据融合可以构建符合解剖学特征的膝关节盘状半月板有限元整体模型,能为研究盘状半月板生物力学行为提供可靠、有效的有限元模型。     

内外侧半月板后根部损伤有限元力学研究

[目的]探讨内外侧半月板后根部损伤对膝关节生物力学的影响。[方法]膝关节正常志愿者4例作为研究对象,采用MRI对左膝关节进行扫描,建立膝关节各部位有限元模型,在股骨部分垂直加1 150 N垂直力模拟人体正常周期中的伸直状态,测量应力分布。在完整膝关节有限元模型中同时删除内、外侧半月板根部相应单元和节点,模拟内外测半月板根部同时损伤模型;将完整膝关节模型设为对照组;分别加载1 000 N轴向压缩载荷和134 N向前剪切力,测量不同部位的最大压应力和最大剪切应力。[结果]人体正常走平路膝伸直状态时,承受应力的大小依次为:外侧半月板前部>内侧胫骨平台>股骨外侧髁>内侧半月板后部>股骨内侧髁>外侧胫骨平台>双股骨髁后部。损伤组股骨内髁、股骨外髁、内侧胫骨平台、外侧胫骨平台软骨、外侧半月板最大压应力显著高于完整组(P<0.05)。损伤组股骨内髁、股骨外髁、内侧胫骨平台、外侧胫骨平台软骨、外侧半月板最大剪切力显著高于完整组(P<0.05)。[结论]内、外侧半月板后根部同时损伤导致膝关节各部位承载应力显著增加。     

腰椎三维有限元模型的建立及应用

本文概述了多种腰椎三维有限元模型的建立。和在各种不同的荷载下，小关节，韧带，髓核，纤维环和椎体的应力和应变，及模拟不同临床情况所出现的不同结果。有限元法为生物力学研究提供了一个很好的手段。     

颈椎三维有限元模型的建立及意义

目的 :建立颈椎 (C4～C7)三维有限元模型 ,以期应用于临床实验研究。方法 :根据正常中年女性CT与CT重建片 ,采用CAD数据处理技术 ,输入相关的材料特性 ,构建C4～C7三维有限元模型。模型包括颈C4～C74个椎体、C4 / 5～C6 / 73个椎间盘以及后部结构与主要的 5条韧带。共 2 178个三维固体 2 0节点有限元结构。在1 8Nm作用力下 ,观察节段运动与力 位移反应。对比国内外的实验结果进行检验。结果 :生物力学实验结果与以往实验模型结果基本相符。结论 :所建立的颈椎三节段有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验。     

带有颅底的全颈椎三维有限元模型的建立及分析

【摘要】 目的：建立带有颅底的全颈椎三维有限元模型并验证模型有效性,为分析颈椎疾患的生物力学机制提供帮助。方法：选取一31岁健康男性志愿者进行颈椎（包括颅底）薄层CT扫描,并将CT原始数据以Dicom格式存贮。运用建模软件Simpleware3.0把CT数据转化为STL格式数据,通过Geomagic 8.0对数据中的图像进行修补、去噪、铺面并转化为NURB曲面模型,得到带有颅底的全颈椎（C0-C7）三维有限元实体模型。应用软件Hypermesh 9.0进行前处理,包括接触定义、网格划分、材料属性设定及载荷与边界条件设定。应用Abaqus 6-9-1大型有限元计算软件进行计算,将屈曲、伸展、左右侧弯和左右旋转工况下的活动范围（ROM）与Panjabi的实验数据进行比较,对模型进行验证。结果：建立的正常全颈椎三维有限元模型共包含664026单元,228557节点,具有逼真的几何外观。通过与Panjabi的实验数据进行对比验证,发现该模型在屈伸、侧弯及旋转工况下的ROM与Panjabi的数据基本一致,只有在C2-C3旋转活动度方面存在差异（6.03° vs 3°±2.5°,P＜0.05）。结论：所建立的带有颅底的正常全颈椎三维有限元模型满足有限元分析的几何相似性和力学相似性,可用于颈椎的生物力学分析。     

带肌肉组织全颈椎三维有限元模型的建立及分析

目的 :建立带肌肉组织的全颈椎三维有限元模型并验证该模型的有效性,为进一步分析颈椎疾患的生物力学作用机制建立良好的工作平台。方法:选取一名34岁健康男性志愿者进行颈椎薄层CT扫描,将CT原始数据以Dicom格式存贮。用Mimics 17软件将CT图像逆向重建出颈椎三维点云模型,利用Geomagic Studio 2012软件把点云模型拟合成NURBS曲面模型,然后导入Hypermesh12软件中进行网格划分、赋予材料属性、定义接触及边界条件等操作,最后提交至ABAQUS 6.12软件进行有限元分析,将各个工况(前屈、后伸、侧弯和轴向旋转)下各节段活动度与文献数据进行比较,验证该模型有效性。结果:建立的带有肌肉组织的全颈椎三维有限元模型共包含789024单元,285045节点,外观与人体颈椎具有非常好的几何相似性。该模型在屈伸、侧弯及旋转工况下的活动度与文献数据进行了80次对比,共计24次(占30%)超出部分参考范围,其中,仅C5-6左右侧弯活动度8.4°、C0-C1左右旋转活动度24.2°超出所有参考范围(P0.05)。结论:本研究建立的带有肌肉组织的全颈椎三维有限元模型符合有限元分析几何相似性和力学相似性要求,可用于颈椎生物力学分析。     

上颈椎三维非线性有限元模型的建立及其有效性验证

目的建立具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性有限元模型并验证其有效性。方法对健康成年男性志愿者进行CT扫描,获得枕骨底(C0)到C3的体层图像,将数据导入Mimics软件进行上颈椎骨质的三维模型重建,用Freeform软件进行模型修改,导入有限元软件Ansys9.0进行分析计算。模型中韧带以非线性的弹性元素建模,分为弹性区和中性区,分别定义元素性质,韧带的起止点及横截面积根据文献确定,寰椎横韧带坚韧、弹性低,定义为固体元素性质,同时便于对齿状突横韧带关节进行受力分析。寰枕关节、寰枢关节、C2,3关节突关节、寰椎齿状突关节、齿状突横韧带关节均定为有摩擦系数的表面滑动接触关节。使模型C3椎体下缘固定,在枕骨底施加40N的预载荷和1.5N·m的力矩作用下使其产生前屈、后伸、旋转、侧屈运动,将模型的活动度(ROM)与Panjabi测得正常上颈椎的实验数据对比进行验证。结果建立了具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性有限元模型,整个模型有229047个节点和152475个单元,模型运动范围与Panjabi的数据相符合。结论建立的上颈椎模型具有较高的真实性,可以用于生物力学分析实验。     

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。     

膝关节三维有限元分析

有限元分析是在工程科学技术领域广泛应用的数学物理方法,是解决复杂工程学问题的必备工具之一.将有限元分析应用于人体生物力学研究,已显示出极大的优越性.通常的力学试验手段基本上不直接应用于人体,其试验结果并不十分准确;有限元分析则可通过对实验条件的控制,更准确地模拟体内的力学情况.对人体力学行为进行有限元数值模拟已成为深化对人体认识的一种有效手段.该文对膝关节三维有限元分析的近期研究进展进行综述,讨论在临床应用中的实际意义,并总结目前有限元分析在膝关节生物力学研究中存在的不足.     

Lenke 1 BN型特发性脊柱侧凸有限元模型的建立及有效性验证

目的 构建Lenke 1 BN型青少年特发性脊柱侧凸(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)三维有限元模型,并验证其有效性,为AIS生物力学仿真研究建立理想的数字化平台.方法 选择1例18岁女性Lenke 1 BN型AIS志愿者作为研究对象.取仰卧位,应用螺旋CT从T1椎体上缘至尾骨以1 mm间距进行连续扫描,获得Dicom格式CT图像539张.将CT图像导入逆向工程软件Mimics 10.01,建立包括胸-腰-骶尾椎和胸廓等结构的完整AIS三维几何模型.对模型进行几何清理,然后导入有限元前处理软件Hyper Mesh 7.0划分有限元实体单元,并参照文献添加椎间盘及韧带结构单元,生成完整的AIS三维有限元模型.参照文献赋予模型材料参数和实常数,并通过左、右Bending试验和仰卧-站立试验,对模型进行整体的有效性验证.结果 成功构建了完整的Lenke 1 BN型AIS三维非线性有限元模型,共划分节点341 228个,四面体单元1 409 929个,壳单元163 132个,线缆单元715个和杆单元149个.有限元模拟左、右Bending试验和仰卧-站立试验误差分别为8.3%和3.9%.结论 所建立的Lenke 1 BN型AIS三维有限元模型完整、逼真、可靠且有效,可用于进一步的AIS生物力学仿真研究.     

寰椎侧块-枢椎椎板螺钉固定的有限元分析

目的:建立寰椎侧块-枢椎椎板螺钉固定的三维有限元模型并进行有限元分析,探讨其生物力学特性。方法:通过CT扫描获取1例健康成年男性寰枢椎图像信息,应用VTK软件及ABAQUS软件构建寰椎侧块-枢椎椎板螺钉固定的三维有限元模型,观察中立、前屈/后伸、侧弯、旋转、前后平移等载荷下固定系统的应力变化,分析寰枢侧块-枢椎椎板螺钉固定系统的生物力学特性。结果:所建立的有限元模型逼真地描绘了寰椎侧块-枢椎椎板螺钉固定系统的结构特点,共包含183363个节点(椎骨130982个,螺钉52381个),116082个单元(椎骨83776个,螺钉32306个)。在不同运动状态下,螺钉应力分布主要集中在螺钉置入骨质部分的根部周围和钉棒连接处。前屈载荷时,连接棒从头端至尾端的应力逐步减小,在寰椎侧块螺钉的钉棒连接处应力最大;其他载荷下连接棒应力分布从头端至尾端逐步增大,至枢椎椎板螺钉的钉棒连接处达到最大。后伸和旋转载荷下,螺钉存在明显的高应力区,各螺钉的应力最大值大于其他运动状态。结论:寰椎侧块-枢椎椎板螺钉固定系统固定时各螺钉在颈椎旋转及后伸时所受应力明显增加,术后应避免颈椎过度旋转及后伸,以减少螺钉松动和断裂的发生。     

上胫腓关节三维有限元模型的建立及对两型关节脱位的生物力学分析

背景：上胫腓关节是一个容易让人忽视的关节,临床上许多膝部的顽疾是由上胫腓关节的外伤或病变引起,研究其生物力学很重要。目前,新型高效的有限元研究方法尚未应用于上胫腓关节脱位的生物力学研究中。 目的：通过正常人的上胫腓关节CT扫描图像,建立两型（水平型和倾斜型）上胫腓关节的三维有限元模型,分析躯体受到由远端向近端的纵向作用力下,上胫腓关节处的应力分布,提供对活体上胫腓关节评估的新方法。 方法：选择2名（水平型和倾斜型各1名）均无上胫腓关节及膝关节外伤史的正常健康志愿者,进行64排CT扫描其上胫腓关节,运用逆向工程原理,通过三维有限元建模软件建立两型三维有限元模型。以上胫腓关节最常受力--沿纵轴受力,分别在两型三维有限元模型上进行力学加载,研究上胫腓关节处的应力分布,记录胫骨和腓骨出现明显相对位移（脱位）的作用力大小。 结果：成功建立了两型上胫腓关节的三维有限元模型,其加载后的应力主要分布于两型上胫腓关节的腓骨内侧部分及腓骨头中部偏外上的区域,沿纵轴作用力引起两型关节脱位的作用力为：倾斜型关节1250 N,水平型关节1850 N。 结论：倾斜型上胫腓关节较水平型上胫腓关节更易发生脱位,与文献的结果相一致。研究所用的两型上胫腓关节的三维有限元模型具有有效性,可作为力学分析的基础模型。     

脊柱颈胸结合部(C6-T1)三维有限元模型的建立及有限元分析

目的:采取三维有限元的方法,建立脊柱颈胸结合部有限元模型,给予纯力矩载荷测试模型各FSU的正常运动范围,验证模型的有效性并对其应力分布模式进行探讨。方法:利用螺旋CT连续扫描获得正常成年人颈胸部原始DICOM数据图像,采用Mimics软件进行数据处理后导入ANSYS软件,得到颈胸结合部模型骨性结构的三维实体。添加椎间盘和主要韧带结构,椎间盘采用壳-核单元,分别代表纤维环与髓核;韧带采用2节点缆索单元构造,韧带的起止点及横截面积根据参考文献确定。C6-7以及C7-T1关节突关节均定义为有摩擦系数的非线性接触关节。模型中T1下表面在所有方向上完全固定,在模型C6施加2.0Nm纯力矩,对模型进行屈曲、背伸、侧屈及轴向旋转试验,试验结果与体外生物力学试验进行对比验证。结果:所建的颈胸模型包括169317个节点和106242个单元,并且与体外生物力学试验结果基本吻合,能够通过验证,有限元受力云图可以看出,模型在外力作用下运行状况良好。结论:该试验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。     

单柄和四桩设计的膝关节胫骨假体基座生物力学特点的三维有限元分析

目的 通过有限元分析来评定单柄和四桩设计的膝关节假体基座在不同负荷下的生物力学特点.方法 建立单柄和四桩两种胫骨假体基座置换后膝关节的三维有限元模型,对比两种设计在压力负荷和扭转力矩负荷下的不同生物力学反应特点,如峰值接触压力、峰值接触滑动距离、峰值接触应力和金属基座的总位移、骨的峰值Mises应力,来了解两种不同设计的固定强度.同时在假体基座下方松质骨区域的前、后、左、右各选取一条路径,测量压力负荷下此两种基座下方的松质骨每个路径上15个点的Mises应力值,通过该指标来比较这两种设计对近端松质骨的应力遮挡.结果 单柄设计和四桩设计假体基座在1600 N压力负荷和10 N·m扭转力矩负荷下的峰值接触压力、峰值接触滑动距离、峰值接触应力和金属基座的总位移、骨的峰值Mises应力等不同生物力学指标的结果基本相似,没有明显区别;在压力负荷下,单柄设计的基座下方松质骨在相同路径上各点所承受的Mises应力值均小于四桩设计的胫骨假体基座下方松质骨相应位置各点的Mises应力值.结论 四桩设计的基座和单柄设计的基座在固定强度上基本相同.从生物力学角度相比较,单柄设计的基座对胫骨近端松质骨的应力遮挡效应要大于四桩设计的基座.     

肱骨外展动作中肩袖生物力学的有限元分析

目的构建肩关节有限元模型，用于分析肩袖生物力学。 方法采集1名26岁健康男性志愿者右肩CT、MRI数据，构建肩关节有限元模型，包含肩胛骨、肱骨、锁骨，以及肩袖肌群（冈上肌、冈下肌、小圆肌、肩胛下肌）。模拟肱骨在肩胛骨平面外展，分析肩袖肌肉应力变化。 结果肱骨在肩胛骨平面外展0°~30°过程中，各组肌腱与肱骨头连接处的应力均增大。冈上肌腱应力变化速率较快；肩胛骨前方的肩胛下肌对比肩胛骨后方的冈下肌-小圆肌，两组肌腱的应力变化较为同步。当肱骨在肩胛骨平面外展30°时，冈上肌腱、肩胛下肌腱及冈下肌腱-小圆肌腱与肱骨头连接面的平均应力分别为7.894 8、4.721 7、3.768 8 Mpa，冈上肌腱关节面与滑囊面结点平均应力分别为7.931 4、4.099 0 Mpa。冈上肌腱的关节面与滑囊面应力有明显差异，应力差值随肱骨在肩胛骨平面外展而增大，造成的剪切力可造成冈上肌腱撕裂。 结论肩袖对肩关节的活动与稳定性有重要作用，其受力特点易引起肩袖损伤。     

不同方向的中位牵引作用下颅面部的生物力学变化

目的 探讨颅面复合体在不同方向的中位前牵引作用下的生物力学变化.方法 采用三维有限元法测量以梨状孔底骨性承力,不同方向中位前牵引的生物力学变化.结果 随牵拉的角度增大,各观察点的矢向位移逐渐减小.垂直向移位由向上逐渐转为向下,前下20°～30°牵引可整体前移上颌,且各骨缝区应力一致,可避免上颌骨的逆时针旋转.结论 以梨状孔底承力骨性前牵引,牵引方向为前下20°～30°时,可有效地前移上颌复合体.     

中位前牵引颅面骨骼的三维有限元研究

目的探讨中位骨骼前牵引和以牙齿承力前牵引的生物力学变化特点。方法在三维有限元颅面复合体模型上,分别以单个牙齿承力,牙列承力前牵引和中位骨骼前牵引,比较分析其生物力学变化。结果以梨状孔底承力的中位前牵引,矢向位移面中上1/2前移比牙齿或牙列承力的前牵引多,面中下1/2位移相对较少,垂直向及侧向位移值均小于牙齿或牙列承力的前牵引。中位前牵引颅面复合体,鼻根区压应力减少明显。结论与传统的牙体或牙列承力的前牵引比较,上颌中位前牵引可整体前移上颌,从而减少上颌的逆向旋转及硬腭前部压缩现象。