基于CT灰度值赋予材料属性的马拉松运动员髋关节有限元模型建立及其应力分析

本研究基于CT灰度值赋予材料属性方法建立了一名马拉松运动员髋关节有限元模型,分析其在单脚站立时髋关节生物力学情况。研究结果发现在骨盆模型中应力集中于弓状线、坐骨大切迹、耻骨梳及髋臼区;在股骨模型中应力集中于股骨头、股骨颈内侧及股骨干区。应力的传导由骶髂关节经弓状线传递至臼顶,在股骨头一侧由股骨颈内侧向小转子下方传递至股...     

老年患者人工股骨头置换的三维有限元分析

目的 对人工股骨头置换治疗的老年股骨转子间不稳定骨折有限元模型进行生物力学分析。方法 对1 名健康老年男性志愿者左侧股骨行螺旋CT 断层扫描后将数据导入Mimics14.0 软件得到股骨实体,获得左侧股骨转子间不稳定骨折模型。根据AML 生物型假体及Muller 骨水泥假体的设计参数,制作AML 普通柄、加长柄及骨水泥柄模型,并植入骨折模型中模拟3 种不同材料的人工股骨头置换术。将人工股骨头置换模型与正常股骨模型导入Ansys13.0 软件中,对各部分材料赋值后加载负荷并作应力分析。结果 正常股骨自近端至远端不断增加,并于中下段达到峰值。人工股骨头置换后并未改变股骨总体的应力趋势,同样是由近端到远端逐渐增加,应力集中部位为全长股骨中段,但股骨近端的受力小于正常股骨,同时股骨上最大等效应力增加。3 种假体受力集中部位均为骨髓腔峡部与假体连接处,假体的最大等效应力相近;3 种假体对股骨受力的影响趋势相同,但加长柄对股骨下端应力的改变小于普通柄,股骨的最大等效应力由高到低依次为加长柄、普通柄和骨水泥柄。结论 人工股骨头置换术用于Tronzo-Evans IV 型股骨转子间不稳定骨折可提高股骨的最大等效应力。     

侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应

目的 利用三维有限元分析方法研究股骨-骨盆复合体在人体侧向摔倒时冲击载荷作用下的生物力学行为特性.方法 基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织;同时,构建一个刚体平面仿真地面.约束地面刚体,对整个股骨-骨盆-软组织复合体模型施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms.通过三维有限元分析计算获得股骨-骨盆侧摔冲击过程中应力应变变化特性.结果 在13 ms时,股骨大转子处软组织与地面的接触力达到最大值7 656 N,对应的骨盆软组织上的最大等效应力值为2.64 MPa.冲击过程中,耻骨联合处骨皮质上等效应力出现极大值,为142.64 MPa,接近其屈服强度;股骨颈和大转子处应力水平较高,股骨颈处皮质骨上的最大等效应力值为76.49 MPa;股骨颈处松质骨上的最大等效应力值为8.44 MPa,最大压缩应变值为0.94％;股骨大转子处松质骨上的最大等效应力值为8.50 MPa,最大压缩应变值为0.93％.结论 人体股骨-骨盆复合体在侧摔减速冲击载荷作用下股骨颈、大转子及耻骨联合处易出现骨折.     

股骨上端解剖学观测与人工股骨头置换

目的：为选择人工股骨头提供可靠的解剖学数据。方法：对２５０例正常成人股骨上端进行了观测,并对大小转子间距与股骨头最大径作直线相关分析。结果：大小转子间距与股骨头最大径呈正相关（左侧ｒ＝０．４３１,右侧ｒ＝０．４４６,Ｐ〈０．０１）,大小转子间距与头颈长基本等长。结论：用大小转子间距估计股骨头最大径准确、实用、方便。     

股骨近端骨缺损与骨折相关性的有限元分析

目的 建立股骨近端不同缺损三维有限元模型,分析研究股骨近端在慢步行走步态周期中的局部应力及应变,估计骨折可能范围,为临床于作提供理论依据.方法 通过CT扫描股骨全长建立股骨近端3种缺损情况下的三维有限元模型,模拟下肢慢步行走负荷加载,分析股骨近端小转子区、转子间区和股骨颈骨缺损的应力变化.结果 ①小转子中点水平的股外侧...     

三维有限元方法分析头颈部开窗对股骨近段应力传导的影响

目的采用三维有限元方法研究股骨近端应力传导情况以及头颈部开窗对股骨近端的应力分布的影响.方法选取一例男性健康自愿者, CT扫描,应用建模软件MIMICS及HYPERMESH建立5组股骨近端三维有限元模型(1个对照组;4个开窗组).设置边界条件和加载条件后应用有限元分析软件ANSYS模拟人体站立及运动等不同情况进行计算.结果对比分析.结果各组模型结果与实际情况相符合;股骨颈前方均表现为低应力低应变区;模拟单腿站立(2.38 bw)和跳跃(7bw),最大应力值随着窗口增大而增加(单腿站立由49.3Mpa增加到69.8Mpa;跳跃由142.3Mpa增加到177.8Mpa),而最大应变值变化不大(单腿站立:1.002~1.006;跳跃:2.55~2.56).结论在低应力分布区(股骨颈前方)开窗符合生物力学规律,对股骨近端应力影响小,该方法是安全的.     

两种髋关节翻修术的三维有限元模拟比较

目的研究股骨大转子延长截骨术与股骨大转子下开槽术在股骨柄翻修术模型中生物力学参数的比较.方法对一名全髋关节置换术后患者的股骨进行CT扫描.通过MIMICS软件建立正常股骨、股骨大转子延长截骨术与股骨大转子下开槽术的有限元模型,将该模型数据导入ANSYS软件进行加载和仿真计算,比较分析两种术式的应力分布.结果股骨大转子下开槽术的模型应力分布更接近正常股骨应力云图,而且股骨大转子延长截骨术的模型其应力集中在股骨中下部.结论股骨大转子下开槽术相对股骨大转子截骨术式的截骨瓣生物力学的稳定性更好,便于患者术后早期功能锻炼.     

空芯钛棒治疗早期股骨头坏死的体外生物力学实验及临床应用

［摘要］ 目的探讨空芯钛棒对股骨颈生物力学的影响，为临床应用提供实验依据。 方法取正常人股骨头颈标本15只，将标本随机分为3组:正常组（A组）、髓芯减压组（B组）、髓芯减压+空芯钛棒置入组（C组）。每组5只标本。将标本置于生物力学机中，股骨头顶部施加压力并逐渐增大至股骨头塌陷，记录股骨转子窝、股骨矩、股骨大转子下三处的应变，及股骨头塌陷时的最大载荷，并进行比较。 结果A、B、C 3组载荷到达300 N时，股骨转子窝、股骨矩2处的应变：A、C组之间差异无统计学意义（P＞0.05），A、C 2组均大于B组（P＜0.05）；股骨大转子下的应变：A、C组之间差异无统计学意义（P＞0.05），A、C 2组均小于B组（P＜0.05）。股骨头塌陷的最大载荷：B组明显小于A、C 2组（P＜0.01）；A、C 2组之间差异无统计学意义（P＞0.05）。 结论空芯钛棒植入后，股骨头受压时的应力分布、股骨头颈处承载负荷可一定程度地接近正常，有助于减压后股骨头颈处生物力学性能的恢复，为其临床应用提供了生物力学依据。     

水泥型人工髋关节置换治疗老年EvansⅠ-Ⅲ型粗隆间骨折股骨假体的生物力学特性

目的探讨人工髋关节置换治疗老年EvansⅠ-Ⅲ型粗隆间骨折股骨假体的生物力学特性。方法根据DI-COM 3.0标准,采用Mimics软件及CAD建模软件Unigraphics完成股骨三维实体重建,以大粗隆尖到小粗隆下缘作为骨折线并将骨折线以上部分移除,建立粗隆间骨折模型。将两种不同柄长(120、170 mm)股骨假体模型置入骨折模型,采用3 mm厚的骨水泥套层重建假体与股骨间的缺损,5 mm厚的骨水泥套层代替重建小粗隆上1 cm股骨颈截骨线与粗隆间骨折线间的骨缺损。最后应用有限元分析软件ABAQUS 6.5建立三维有限元模型,模拟单腿站立姿势进行力学加载,得到股骨假体的应力分布云图,在应力集中区域取5个位点取其平均值得到应力值。结果短柄、长柄股骨假体应力分布基本相同。假体颈部有两个应力集中区,分别位于假体颈的上部和中下部,接近与假体柄连接处,其中中下部与小转子上方的交界处集中明显。假体柄部内侧的颈干交界处相当于股骨矩区域有一较小的应力集中区域,由此向下应力略降低,随之逐渐增大,在接近假体柄内侧末端时形成第二个应力集中区域;假体柄外侧由近端向远端应力逐渐增大,到接近假体末端时形成假体柄外侧应力集中区。结论水泥型人工髋关节置换治疗老年EvansⅠ-Ⅲ型粗隆间骨折,股骨假体的应力分布与常规人工全髋关节置换后股骨假体的应力分布相似;长柄股骨假体的各应力集中峰值较短柄股骨假体高,但均没有超过金属断裂的应力极值。     

具有可量化站立位负重面积的股骨近端有限元建模

有限元技术在数字化骨科研究中发挥着重要作用。其中,作为人体最大的负重关节,髋关节相关的有限元分析一直是研究焦点。研究人员对站立髋关节模型进行力学研究,并认识到在站立姿势下,股骨头的接触面积以及负重面积是力的直接作用面,其位置分布和大小直接影响股骨头的应力分布。然而,在大多数股骨有限元模型相关的研究中,该区域的划分是模糊...     

前交叉韧带重建术后移植物应力的有限元分析

目的: 探究前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)重建后移植物应力分布特征,为ACL重建的手术方案提供理论参考。方法: 基于三维磁共振及CT影像,建立完整膝关节有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内侧副韧带、外侧副韧带、ACL、后交叉韧带;建立ACL重建后膝关节有限元模型,模型包括股骨、胫骨、腓骨、内侧副韧带、外侧副韧带、ACL移植物、后交叉韧带。模型采用线弹性材料属性,骨组织材料属性设置为弹性模量17 GPa,泊松比(Poisson’s ratio)为0.36;完整膝关节及ACL重建膝关节的模型中的韧带组织及ACL移植物的材料属性设置为弹性模量390 MPa,泊松比0.4;将股骨固定设置为模型边界条件,施加胫骨前向134 N的拉力为载荷条件,求解分析完整膝关节的ACL及重建术后的ACL移植物的拉应力、压应力、剪切应力、等效应力的受力状态。结果: 重建后的ACL移植物的最大压应力(6.34 MPa)、等效应力(5.9 MPa)、剪切应力(1.83 MPa)均在前侧股骨端,与完整膝关节ACL最大压应力(8.77 MPa)、等效应力(8.88 MPa)、剪切应力(3.44 MPa)位置一致。移植物最大拉应力也出现在股骨端,但位置在后侧,与完整膝关节ACL最大拉应力位置一致,且ACL移植物最大拉应力的值仅为0.88 MPa,小于完整膝关节ACL的2.56 MPa。结论: ACL移植物压应力、等效应力、剪切应力最大值均在前侧股骨端,最大拉应力出现在股骨端后侧,均与完整膝关节ACL最大拉应力位置一致;ACL移植物的前侧部分承受力较大,后侧部分承受力较小,与ACL的生物力学特性相符合。     

垫底材料弹性模量对髓腔固位冠修复后上颌前磨牙应力分布的影响

目的: 构建根管治疗后上颌前磨牙经髓腔固位冠修复后的三维有限元模型,分析髓室底垫底材料弹性模量对应力分布的影响。方法: 利用显微CT扫描逆向建立上颌第二前磨牙缺损的三维有限元模型,模拟髓腔固位冠进行修复。实验组采用4 种不同弹性模量的材料:光固化玻璃离子(3M Vitrebond)、流动树脂(3M Filtek Z350XT Flowable Restorative)、高强度玻璃离子(GC Fuji Ⅸ)和后牙复合树脂(3M Filtek P60)进行垫底,4 种不同类型材料的弹性模量依次是3 657、7 300、13 130、19 700 MPa。垫底厚度选择为1 mm,设无垫底材料修复为对照。采用轴向和侧向载荷(30°)分别加载200 N的力,观察应力分布情况,比较应力集中部位及应力峰值的差异。结果: 各模型牙本质和粘接层上的von Mises应力峰值(轴向/侧向加载时)如下:(1)无垫底材料时牙本质19.39/70.49 MPa,粘接层6.97/17.97 MPa;(2)光固化玻璃离子垫底时牙本质19.00/69.75 MPa,粘接层6.87/16.30 MPa;(3)流动树脂垫底时牙本质18.78/69.33 MPa,粘接层6.79/16.17 MPa;(4)高强度玻璃离子垫底时牙本质18.71/69.20 MPa,粘接层6.74/16.07 MPa;(5)后牙复合树脂垫底时牙本质18.61/69.03 MPa,粘接层6.70/16.01 MPa。具有不同弹性模量的垫底材料在相同加载条件下,在牙体组织上应力集中的部位相似,主要集中于牙颈部。侧向力加载时,应力集中的位置与轴向力时相比无明显变化,但应力值增加。有垫底层存在时,牙颈部的应力集中与无垫底层时相比缓解。随着垫底材料的弹性模量不断增加,逐渐接近牙本质的弹性模量,测得的剩余牙体组织及粘接层上的von Mises应力峰值下降。结论: 使用与牙本质弹性模量相近的后牙复合树脂类材料进行适宜厚度的粘接垫底,有利于缓解髓腔固位冠修复后上颌前磨牙牙颈部和粘接层的应力集中。     

股骨近端锁定钢板治疗老年骨质疏松性粗隆间骨折

目的探讨应用股骨近端锁定钢板内固定治疗老年骨质疏松性粗隆间骨折的手术疗效。方法回顾分析应用股骨近端锁定钢板内固定治疗23例老年骨质疏松性粗隆间骨折患者的临床资料,其中男8例,女15例。年龄63～87岁,平均72.6岁。EvansⅡ型8例,Ⅲ型12例,Ⅳ型3例。结果术后随访6～24个月,平均13个月。骨折愈合时间为3～10个月,平均3.5个月;髋关节功能评定根据Harris疗效标准进行评定,优14例,良7例,可1例,差1例,优良率为91.3%。结论股骨近端锁定钢板治疗骨质疏松性粗隆间骨折创伤小,固定牢靠,骨折愈合时间短,可早期床上或离床活动,关节功能恢复满意,是老年骨质疏松性粗隆间骨折较为理想的治疗方法。     

股骨近端解剖形态的CT三维重建与分析

目的:通过CT三维重建正常中国人股骨近端大体形态,测量29个解剖参数,为选择、设计假体提供解剖学依据.方法:对82例正常中国人进行双侧股骨近端CT扫描,在CT三维重建后利用医学图像分析软件对股骨近端的解剖形态进行参数测量,并与现有资料进行比较.结果:股骨近端髓腔的形状和大小有明显的个体差异性,股骨近端各形态参数接近正态分布,左右无明显差异;颈干角与偏心距之间呈现很强的负相关,股骨头直径与股骨颈直径、股骨头高度、股骨头顶点至大转子间的距离、股骨前弓最高点至小转子上缘截面距离有较强的相关性;与白种人相比较,在偏心距、颈干角上有显著性差异(P＜0.01),中国人的偏心距较白种人明显小,而颈干角明显大于白种人;与现有国内利用X线片测量的参数相比,各参数无明显统计学差异.结论:选用欧美人工髋关节假体,需考虑中国人股骨近端解剖形态与白种人之间的差异,以便术中恢复股骨头中心;股骨CT三维重建对定制性假体的意义重大,而股骨X线片对标准型假体的选择,具有方便、实用的优点.     

股骨上段解剖测量及其临床意义

目的：测量成年国人的股骨上段的部分解剖参数,为股骨转子下骨折内固定器械的研制提供帮助。方法：选择56对股骨标本,直接测量股骨头直径、股骨头纵向长度、135 °头颈轴长度、135 °头颈轴上缘长度、135 °头颈轴下缘长度、股骨颈前后径、股骨颈纵径、颈干角、大转子与股骨外侧皮质向上延长线夹角、小转子水平股骨干横径、小转子水平股骨干前后径、小转子下5 cm处股骨干横径、小转子下5 cm处股骨干前后径,并进行相关分析。结果：股骨头直径为（46.69±3.73）mm;股骨头纵向长度为（39.22±4.17）mm;135°头颈轴长度为（95.45±8.16）mm;135°头颈轴上缘长度为（84.02±7.11）mm;135°头颈轴下缘长度为（99.95±9.34）mm;股骨颈前后径为（26.27±3.15）mm;股骨颈纵径为（32.24±3.31）mm;颈干角为126.21 °±7.13 °;大转子与股骨外侧皮质向上延长线夹角(大转子夹角)为16.38 °±4.04 °;小转子水平股骨干横径为（31.05±3.57）mm;小转子水平股骨干前后径为（27.63±2.96）mm;小转子下5 cm股骨干横径为（26.36±3.22）mm;小转子下5 cm股骨干前后径为(25.59±2.75)mm;颈干角和大转子夹角呈正相关(r=0.396,P=0.003)。结论：股骨转子下骨折内固定物的设计需符合国人股骨上段的解剖特点,并要充分考虑大转子夹角的大小。     

SuperPATH微创入路人工全髋关节置换术肢体长度控制方法探讨

目的探讨SuperPATH微创入路人工全髋关节置换术(THA)下肢等长控制方法及效果。方法自2016年2月～2017年9月,对我院50例采用SuperPATH微创入路THA患者,通过术前影像学评估、模板测量、计算股骨柄假体最高点与大转子顶点距离,术中C臂机拍摄两侧髋关节和股骨近段正位片,测量大转子顶点、小转子最下缘或高点与两侧坐骨结节最低点连线的垂直距离,比较左右侧位置关系,选择相应颈长、调整股骨柄打入深度及股骨头的增减型号来调整肢体长度趋于等长。结果所有患者均获得随访,时间6～18(8.0±0.5)个月。切口愈合瘢痕长度5.4～7.5(6.0±0.4)cm。术后6个月回院复查时Harris评分82～93(86.0±2.5)分,术后双下肢长度相等47例,不相等3例(0.3～0.7 cm)。结论 SuperPATH微创入路THA术,术前应用模板在X片上测量精确预算,术中通过臼深、截骨位置调整、不同型号假体组件组合、再次X线透视精确再评估等措施控制下肢长度的方法能使患者术后双下肢获得等长。     

扁平足第二跖纵弓疲劳损伤的生物力学机制

目的 研究扁平足和正常足的第二跖骨与足底腱膜的过劳性损伤生物力学机理,对比分析步态周期中扁平足与正常足疲劳损伤的危险性,为制定临床防治措施提供定量化理论依据。方法 采用生物力学实验和计算医学手段,通过有限元方法和疲劳损伤理论分析,开展了步态周期中扁平足和正常足疲劳行为的计算机定量模拟,并通过足骨应力集中部位测定及足弓变形X线片测量来验证模型的可靠性。结果 建立了扁平足弹性足弓有限元模型,计算得到步态周期各个阶段扁平足第二跖骨和足底腱膜的动态应力峰值分别约为28．77MPa和12．53MPa,扁平足的第二跖骨动态应力比正常足增加了8％～21％,扁平足的足底腱膜动态应力比正常足增加了21％～51％。足底腱膜发炎或部分切除后扁平足和正常足的张拉应力都发生了转移,最大相对量转移发生于足底长韧带,最大绝对量转移发生于第二跖骨底,但扁平足的最后应力始终超过正常足0．26～5．32MPa。结论 无论扁平足或正常足,其应力集中部位均发生于第二跖骨和足底腱膜,但扁平足的疲劳应力峰值始终高于正常足。足底各类软组织中,足底腱膜承受的张拉应力最大,足底腱膜发炎或外科部分切除导致腱膜张拉应力转移,加剧了足底固有肌和长韧带的劳损,同时也增加了第二跖骨疲劳骨折的危险性。扁平足的足踝内旋,足弓塌陷,以及mu囊炎引发的第二跖骨槌状畸变,均可增加过劳性损伤的发病率。     

聚己内酯半月板支架应力-应变特性的有限元分析

目的：分析聚己内酯（PCL）半月板支架在膝关节中的应力-应变特性,评估其作为植入材料的可行性。方法：通过磁共振成像（MRI）扫描志愿者膝关节获取平面图像数据,建立包括股骨、胫骨、腓骨、股骨髁及胫骨平台关节软骨、内和外侧半月板及韧带在内的完整膝关节三维有限元模型,通过计算胫骨平台的接触面积与既往文献对比验证模型的有效性;分别建立内侧半月板切除术后的膝关节三维有限元模型及PCL半月板支架替代后的膝关节模型;对比分析在1400N股骨轴向垂直压力下3种膝关节模型的半月板位移和接触压力变化以及股骨髁关节软骨和胫骨平台关节软骨的压缩应力变化。结果：在1400N股骨轴向压缩载荷下健康膝关节模型内、外侧半月板位移分别为0.83和1.76mm,PCL模型内、外侧半月板位移分别为1.15和2.20mm。在同等载荷下,健康膝关节在胫骨平台关节软骨内、外侧最大压缩应力分别为2.5和1.7MPa,在内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力分别为2.7和2.1MPa。在内侧半月板完整切除模型,内、外侧胫骨平台关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增加260.0%和311.7%;内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增长214.8%和271.4%。而在将内侧半月板替换为PCL支架的模型中,内、外胫骨平台关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增加8.0%和5.9%;内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增加11.1%和4.8%。结论：PCL支架在膝关节三维有限元模型中具有较好的生物力学特性,能够降低半月板切除后股骨髁及胫骨平台关节软骨的应力,达到保护关节软骨的目的。