儿童肱骨远端有限元模型的建立及力学分析

目的建立儿童肱骨远端有限元模型,并模拟肱骨轴向受力状态下应力分布,为肱骨的生物力学研究提供数值分析模型。方法通过CT扫描正常儿童右侧肱骨,获得连续断层图片,导入mimics13.1医学建模软件进行网格划分、材料属性赋值,生成有限元模型,应用有限元分析软件ANSYS10.0,约束边界条件,模拟肱骨轴向受力状态进行加载,得出肱骨远端有限元模型上的应力分布。结果建立的肱骨远端有限元模型节点共50364个、四面体单元29951个。肱骨在轴向载荷状态下应力集中主要位于髁上区,且尺侧应力集中现象较桡侧明显。结论应力分析结果解释了肱骨骨折好发于髁上区的原因,髁上区尺侧骨质的高应力是肱骨髁上骨折致肘内翻的基本生物力学因素。     

锁骨中段骨折行钛制弹性钉髓内固定与重建钢板固定的有限元研究

目的:对锁骨中段骨折行钛制弹性钉髓内固定与重建钢板固定的有限元分析。方法:采用Mimic软件重建三维锁骨CT,构建无损锁骨、锁骨中段骨折,三维有限元模型分别为钛制弹性钉(TEN)与重建钢板。在Abaqus 6.9软件上对所建模型实施有限元分析,对锁骨远端250N轴向载荷及250N垂直载荷进行模拟,分析其最大应力与应力分布情况。结果:在轴向载荷状态下及垂直载荷下,TEN固定模型的锁骨远端轴向位移及垂直位置均明显大于无损锁骨模型与重建钢板固定模型;TEN固定模型的轴向载荷锁骨及垂直载荷最大应力均大于无损锁骨模型与重建钢板固定模型;重建钢板固定模型锁骨在垂直载荷下的应力分布与无损锁骨模型呈现出明显的差异性。结论:对锁骨中段骨折患者行TEN髓内固定治疗,其锁骨应力分布与正常锁骨接近,但TEN应力大;重建钢板固定稳定性好但存在遮挡效应,针对简单锁骨中段骨折可行TEN内固定治疗,术后注意避开过度锻炼及肩部持重。     

重建钢板固定锁骨干中段骨折的三维有限元生物力学分析

目的 利用三维有限元分析方法所构建的三维有限元锁骨模型,对重建钢板治疗锁骨干骨折进行生物力学分析并探讨相关的生物力学意义.方法 在锁骨三维有限元模型上进行模拟钻孔、重建钢板模拟固定,设定材料属性,然后进行三维有限元力学分析.结果 (1)Vonmisese应力:最小应力值出现于50 862号节点,位置处于34.1768、84.0147、-702.5mm,力值为0.986467 N/m2;最大应力值出现于65 097号节点,位置处于138.674、74.5003、-753.5mm,力值为10 703.8 N/m2.(2)应变:最小应变处于50 361节点,最大应变处于39 254节点,应变范围为0～2.3878e-008.(3)位移:最小位移处于9 325节点,最大位移处于12 337节点,位移范围为0～6.68641e-009m.(4)变形:能够清晰地显示整个整体的变形结果.结论 在重建钢板固定锁骨三维有限元分析结果当中可以看到,应力总体上处于一个相对较为均匀的状态.从分析结果图可以看出,钢板固定周围的应力分布有一定程度集中,尤其是螺钉周围,有应力集中现象,这种应力集中对于早期维持骨折断端的稳定有着非常重要的作用;同时,在钢板与锁骨接触的部位,应力呈现一种平缓过渡状态,在钢板下方的锁骨部位接受较高应力的作用,表现在钢板对侧的螺钉周围应力密度明显较高,作为一对作用力与反作用力,有助于将锁骨骨折进行一个有效而坚强的固定.     

枢椎有限元模型的建立及齿状突骨折的三维有限元分析

 目的建立枢椎有限元模型,探索不同受力状态下齿状突发生Ⅱ、Ⅲ型骨折的趋势。方法用64层螺旋CT对健康成人进行颈部扫描,利用MIMICS软件重建枢椎的面模型及优化网格,而后导入有限元分析软件ANSYS中,生成体网格,即生成枢椎有限元模型。模型加载,force/moment200N分别施于枢椎齿状突中部、尖部、底部及侧方节点。结果force/moment施于齿状突中部节点时应力集中分布在齿状突基底部及中下部;施于尖部时应力集中于齿状突基底部及双侧上关节突;施于底部时应力集中于齿状突基底部及双侧上关节突;施于侧部时应力集中于枢椎齿状突基底部两侧。结论所建立的枢椎有限元模型可有效用于模拟生物力学分析。颈椎在旋转状态下遭受暴力更易产生Ⅱ型齿状突骨折,后伸及前屈时则易发生Ⅲ型骨折。     

上颌第二磨牙应力分布的实验研究

目的研究上颌第二磨牙在不同载荷状态下的应力分布情况，为临床牙体病的诊断与修复提供理论依据。方法采用螺旋CT扫描数据建立上颌第二磨牙的三维有限元模型，在此模型上对4种不同载荷状态下的应力分布进行数据分析。结果模拟正中咬合状态受力时．应力峰值较低，内部应力分布均匀．应力高集中区域分布于牙颈部。非正中咬合状态受力时，其应力峰值明显升高．应力集中区域位于袷面窝沟。结论牙折裂的发生与牙体受力集中于单个牙尖的斜面和近远中向窝沟处有关。     

腕关节有限元骨性建模及力学分析

目的：探讨基于CT影像数据的腕关节有限元模型构建、受力分析,以期为开展腕关节生物力学有限元分析的研究提供参考。方法：选取1名29岁成年健康男性志愿者,对其右尺桡骨远端到近端指骨进行CT扫描,将所得图像导入Mimics 10.01中,建立腕关节三维有限元模型,将赋予材料属性的模型导入ANSYS10.0中,模拟体外生物力学试验,观测在轴向压力情况下腕关节各结构的应力分布。结果：成功建立了包括桡、尺骨远端,腕骨,掌骨,近端指骨,三角纤维软骨复合体等结构的三维有限元模型,计算并获得了掌骨受轴向压力下各腕骨的应力分布图。结论：在目前的个人计算机平台上依据CT影像资料,利用医学图像处理软件和三维重建软件可以准确、快捷地构建腕关节的三维有限元模型,并可根据模型计算轴向压力下的应力分布,为腕部有限元分析及整个虚拟手的构建提供了技术支持。     

腰椎后路单节段椎弓根螺钉内固定的三维有限元分析

目的 建立腰34节段的后路经椎弓根螺钉内固定的有限元模型,评估固定前后系统的应力变化,探讨后路内固定对腰椎和内固定器械的力学影响.方法 利用Pro/E三维建模软件模拟脊柱后路的钉棒内固定系统,MIMICS软件模拟手术实际操作,建立后路经椎弓根螺钉固定前后的腰3-4节段三维实体,导入有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.采用腰4椎体做收敛性分析,建立5种不同网格划分数目的 腰4模型进行验证.分析椎体和螺钉系统在0.5 mPa轴向压力下的力学变化.结果 在均布压力下,腰4模型位移为0.00125815 mm,与基准位移的误差只有0.8167%,模型收敛性好.在轴向压力作用下,固定后的椎体、椎间盘和内固定的应力发生明显变化,椎间盘的应力集中部位由后外侧转向前外侧,固定椎体产生的应力明显减小,应力遮挡效应明显.螺钉根部的上下方,存在着明显的应力集中,且上一椎体固定的螺钉要比下一椎体的螺钉承受应力大.结论 利用计算机辅助系统和有限元分析结合的方法 ,可以模拟腰3-4节段后路椎弓根内固定手术,较直观地观察脊柱后路固定前后系统的力学变化.     

新型外固定支架系统-胫骨骨折模型的建立与三维有限元分析

目的建立新型外固定支架系统在胫骨骨折模型上的有限元模型,分析评价有限元模型建立的可行性及力学分布特点,为进一步的材料结构优化及临床应用提供理论支持。方法利用Mimics17.0 软件将新鲜尸体的胫骨CT 数据导入并建立胫骨模型,用Hypermesh 对模型进行网格划分并导入有限元分析软件ABAQUS6.13,施加轴向载荷后观察Von-Mises 应力分布和骨折断端位移情况,通过与生物力学结果对比评价其生物力学特点。结果成功创建了装配体有限元模型,生成548 101 个体单元,节点548 101 个。最大轴向载荷下骨折断端最大位移为1.16 mm,最大Von mises 应力分布点为骨针接触面。结论有限元模型的建立及分析方法能较好地反映该新型外固定支架胫骨骨折系统的生物力学分布情况,可为进一步临床应用提供理论基础。     

腰椎三维有限元模型建立和应力分析

目的 建立完整的腰椎三维有限元模型,并对腰3-4运动节段的进行了有效性验证和生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对CT图片进行预处理,后导人大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.分别建立了腰1-腰5各椎体及其椎间盘有限元实体,后组合成整体的腰椎和腰3-4有限元模型,并且还准确的模拟了腰椎的椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.验证了模型的收敛性,并针对腰34运动单元设置了0.3、0.5、1.0、2.0、4.0 mPa 5种载荷进行生物力学分析.结果 在轴向压力作用下,椎间盘纤维环后部存在着明显的应力集中,并向后外侧传导.最大压应力的部位在髓核和软骨终板的中央,椎弓根是椎体多种应力集中的部位.轴向压力增加,应力成比例增大.结论 本研究的有限元模型精确度高,结论符合腰椎的临床特点,较好的模拟了腰椎的生物力学特性.     

轴向应力作用下的舟骨有限元分析

目的 快速、准确建立舟骨有限元模型,分析其轴向应力下的力学分布.方法 采用美国GE LightSpeed VCT(64排螺旋CT)对健康志愿者1例(男性,24岁,无腕部疾病史)扫描获取CT扫描图像,将12具尸体标本与Instron Model 1011型力学试验机相连接,扫描压敏图像,得到腕关节的受力面积和应力分布,通过CT扫描图像数据对腕部进行三维有限元建模,计算并分析舟骨受轴向压力作用下正常腕部载荷传递及接触应力的分布.将此实验数据及以往文献数据与有限元模型的数据进行对比以验证有限元模型的精确性.结果 本模型构架了包括桡骨以及近端掌骨的腕部整体三维有限元模型,共有节点73 588个,单元39 7344个;桡舟关节面受力面积约为153.35 mm2,应力大小约为54.28 MPa,最大应力约为2.72 MPa,桡舟关节面受力面积约为90.00 mm2,受力大小约为45.72 MPa,最大应力约为3.45 MPa,舟骨载荷传递及关节接触应力分布情况与实验数据相接近.结论 所建模型结构完整,空间结构准确,轴向压力作用下加载模拟形象、逼真,客观反映舟骨三维解剖形态结构和生物力学特点,本模型可以较好地模拟舟骨以及腕关节载荷传递与接触应力的分布情况.     

腰椎单双侧椎弓根螺钉固定后的有限元分析比较

 目的  建立两节段L3、L5三维有限元模型,并分别行L3、L5两节段单双侧椎弓根螺钉固定,用三维有限元法分析固定后螺钉的应力分布特点。方法  收集人正常 L3、L5 节段的 CT 扫描数据,利用Scan IP等软件建立人正常 L3、L5 三维有限元模型(INT),并在此基础上分别建立L3、L5单侧椎弓根螺钉内固定模型(unilateral pedicle screws,UPS)及双侧椎弓根螺钉内固定模型(bilateral pedicle screws,BPS)。 并于L3 上表面施加 500 N 预载荷,再施加 8 N·m 的力矩模拟腰椎前屈、后伸、侧屈及旋转等生理活动,观察不同工况下两种模型中椎弓根螺钉应力分布情况。结果  由应力分布图可知,两种模型椎弓根螺钉所受应力主要集中在椎弓根螺钉根部、钉棒连接处;相比于上下螺钉,中间椎弓根螺钉基本不受应力;下位椎弓根螺钉承受较高应力。在各个工况下,单侧椎弓根螺钉内固定组最大应力值都高于双侧椎弓根螺钉内固定组。结论  模拟邻近两节段内固定后正常生理活动时,下位椎弓根螺钉钉棒连接处承受较大应力,易发生断裂,且单侧置椎弓根钉相比于双侧置椎弓根钉,在各个状态下内固定承受更大应力,发生内固定断裂失败等风险较大。     

颧上颌骨复合体骨折坚强内固定三维有限元模型的建立及其初步分析

目的:建立生物相似性和力学相似性较高的颧上颌骨复合体骨折坚强内固定三维有限元模型,为进一步分析颧上颌骨复合体骨折坚强内固定的固定效果打下基础。方法:用螺旋CT断层扫描技术及ANSYS有限元软件在计算机上建立颧上颌骨复合体三维有限元模型。在此模型中,改变骨折处单元的属性模拟骨断层;并进一步在颧上颌骨复合体骨折模型的基础上建立坚强内固定三维有限元模型。利用此模型对正中咬合情况下颧上颌骨复合体的应力分布进行了初步分析。结果:建立了颧上颌骨复合体不同部位的坚强内固定三维有限元模型。结论:该方法可以用来建立各种类型的颧上颌骨复合体坚强内固定三维有限元模型,并可应用于颧上颌骨复合体骨折等方面的研究。     

Clinical significance of three dimensional finite element analysis on humerus fracture

Objective: To treat humerus fracture with three dimensional pattern and finite element analysis, providing mechanical basis for treating humerus fracture. Methods: Humerus pattern was established based on the CT images, and calculation was done by ANSYS5. 6 software. Three dimensional ten-node tetrahedron unit was selected and were divided into 2 729 nodes, 49 041 units. Distribution and amount of axial compression of humerus were analyzed when clip angle was 30°, 45°, 90° between fracture face and axial line with fixed X, Y, Z directions. Results: The distribution of stress was greatly different between fracture face and non fracture face. Stress in fracture part was fairly concentrated with incomplete symmetric distribution around the center of fracture face; Greater stress distributed in the regions 10 mm from fracture face, which was 2-3 times that of other stress regions. Conclusion: Required load must be estimated under various conditions as to select the suitable internal fixation implants dur     

The finite element analysis and clinical significance of through the mouth atlanto-axial vertebral anterior plate fixation

Objective:To analysis through the mouth atlanto-axial vertebral anterior plate fixation in finite element for the development of the segmental anterior fixation surgery and to provide the reference of inner plant improvement.Methods:One case,male,36 years old,64 kg weight was randomly selected from January2014 to our hospital to check no-skull-atlanto-axial vertebral disease.It was scanned by 0.625 mm thin layer,Image data were rebuilted in the Mimics 16.01 software,Pro/ENGINEER 4.0 software was used to rebuilt atlanto-axial vertebral anterior plate,After reconstruction of steel screw 3 d model according to the classic through the mouth,the model was imported into Mimics 16.01 and the model surface was meshed and material was assigned,The model was forced 80 N vertical loading,the surface was applied 15 nm torque,to simulat three motion state example,forward bends,stretch,side-bending,The stress and deformation of screw and rod were measured.Results:Atlanto-axial vertebral three-dimensional reconstruction model were divided into 14 514 individual grid,7 257 nodes,the model was loaded,The stress of upper screw root in bend was biggest(62.34±5.52)Mpa(F=73.23,P<0.05,the difference was statistically significant).A screw of the root and the top,lateral stress was the largest,respectively were(78.42±5.5.14)Mpa(F=112.32,P<0.05);(95.48±7.12 Mpa(F=62.32,P<0.05),thedifference was statistical significance;Under three different motion state and a screw root stress,Upper screw root stress in bending forward was greater than the lower(forward bends,stretch and lateral bending state,t value were12.2,9.23,22.98,P<0.05,differences were statistically significant),and in the lateral current screw root stress was greater than the upper;In the same movement state,the top was greater than the root,the differences were statistically significant(forward bends,stretch and lateral bending state after t value were 23.14,22.01,8.13,P<0.05).Conclusions:Through the mouth atlanto-axial vertebra fixed system stress distribution wad more reasonable,could withstand normal atlanto-axial after vertebral motion bearing stress,but the postoperative patients should reduce the proneness and lateral movement,and to the risk of fatigue fracture fixation system.     

锁骨骨折克氏针内固定的不稳因素

目的研究锁骨骨折克氏针内固定存在的不稳定因素。方法分析术后出现克氏针失稳的情况,从锁骨的解剖结构和骨折力学改变及克氏针缺陷等方面探索失稳的原因。结果锁骨骨折克氏针内固定不稳的因素较多,但主要是锁骨骨折力学改变及克氏针存在缺陷所致。结论锁骨呈“S”形和螺旋状,其整体形状不在同一矢状面,螺旋形的结构在骨折后容易出现旋转应力,骨折内固定因旋转应力不均出现移位;克氏针两端光滑,其轴向加压作用几乎不存在。而内固定锁骨只单用一根克氏针,缺乏双面或多面交叉,完全不能抵抗骨折产生的旋力,在多种肌力的作用下骨折易产生分离,克氏针容易出现不稳定。将克氏针尖端加工出螺纹, 使骨折产生轴向加压,是减少骨折不稳定的关键。     

腰椎椎弓根壁侧置钉内固定方式及生物力学三维有限元分析

目的：建立L4,L5三维有限元模型,并分别行椎弓根常规置钉及壁侧置钉两种内固定方式,用三维有限元法分析固定后椎体及螺钉的应力分布特点。方法选取正常成年人L3～L5节段的多层螺旋CT扫描的薄层原始数据（DICOM格式）,利用Mimic等软件建立人正常L4,L5三维有限元模型,并建立L4,L5椎弓根螺钉内固定模型。并于L4上表面施加500N预载荷,再施加8N· m的力矩模拟腰椎垂直压应力、前屈、旋转等生理活动,观察不同情况下两种模型中椎体螺钉应力分布情况。结果由应力分布图可知,在各种载荷下,两种模型的螺钉应力从钉尖至钉棒连接处逐渐减少,螺钉根部附近应力最小。3种载荷之间比较,垂直压缩时螺钉应力最大。椎弓根壁侧置钉内固定方式较常规置钉内固定方式的螺钉应力明显减小。结论模拟两种内固定方式正常生理活动时,椎弓根常规置螺钉内固定模型中椎弓根螺钉的应力主要集中在与椎体交界界面处,而椎弓根壁侧置螺钉内固定模型中螺钉的应力基本分散在钉体上,一部分应力分布在椎弓根皮质上,增加了椎弓根螺钉的抗拔出力,从而增加固定的可靠性,减少发生内固定螺钉断裂等风险。     

胸腰段三维有限元模型的建立

目的：研究建立胸腰段活动节段三维有限元的模型.方法：选取一具正常人体T10～S1节段标本为研究对象,通过CT扫描获取脊柱的二维图像,然后进行三维重建,转化为有限元几何模型.通过有限元方法,将脊柱几何模型网格化转变为T10～L3活动节段有限元模型,然后应用ANSYS6.0软件对模型在轴向载荷状态下进行应力分析.结果：建立T10～L3活动节段的有限元模型,并分析了轴向载荷下T12～L1节段不同组成部分的应力分布.结论：为胸腰段活动节段三维有限元模型的建立提供了一种简便、精确的方法,为分析和研究该模型在各种情况下的生物力学表现创造了条件.