有限元分析法在腰椎生物力学研究中的应用

背景：有限元分析法是目前是脊柱生物力学常用研究方法之一,随着成像、图像处理的进步及有限元分析软件的不断开发与应用,脊柱生物力学研究得到了更深入的发展。 目的：综述有限元的概念、原理与其他生物力学研究方法的差别。 方法：应用计算机检索中国知网数据库、维普数据库和PubMed数据库中1979/2011-01关于腰椎生物力学有限元分析的文章,在标题和摘要中以“腰椎;有限元;生物力学”或“lumbar, finite element, biomechanics”为检索词进行检索。选择文章内容与腰椎有限元分析相关,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。共收集591篇文献,根据纳入标准选择20篇文献进行综述。 结果与结论：近几年有限元分析法在腰椎生理和病理情况生物力学分析中的应用;不同手术方式、内固定器械及人工植入物对腰椎生物力学的影响均有不同。      

脊柱侧凸治疗进展中的有限元分析

背景：脊柱侧凸是一种包括椎体水平面旋转的复杂病理特点的三维脊柱畸形。有限元分析法可取代传统的生物力学实验法进行重复实验分析以及数字化仿真模拟,在脊柱侧凸的生物力学研究中的运用日益深入。目的：旨在强调运用有限元分析法对脊柱侧凸的支具和手术治疗方面进行简要的阐述。方法：以“脊柱侧凸;有限元”为检索词,检索PubMed数据库以及万方数据库1986年1月至2013年5月文献。选择文章主要内容与脊柱侧凸治疗的有限元分析直接相关的、代表性好、相关领域权威杂志的文章共38篇进行讨论。结果与结论：如何设计出更加符合脊柱侧凸生物力学特征的个体化支具已成为研究热点。利用多重影像学技术将肋骨、胸骨以及骨盆等引入有限元模型中,分析研究脊柱侧凸施加三维矫形力的最佳方式。研究发现施加载荷最佳的方式是在脊柱侧凸的凸侧区域。有限元分析法可预测和评估患者的矫形过程及效果,进而制定出合理的矫形治疗方案。有限元分析法模拟分析内固定器械与脊柱之间的应力分布情况,更有效的预防治疗后并发症的发生。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;组织工程全文链接：     

有限元分析在中医正骨手法治疗腰椎疾病作用机制中的应用

背景：有限元分析方法探讨中医正骨手法治疗腰椎疾病过程中腰椎生物力学变化的特点及作用机制,将其转变为数字化结果显示,研究手段具有先进性,是数字化骨科研究的有效方法。 目的：对有限元分析法研究中医正骨手法治疗腰椎疾病与损伤的作用机制进行总结。 方法：应用计算机检索2000-01/2011-10 PudMed、CNKI数据库、万方数据库、维普数据库及中华医学会数字期刊数据库及Google网络数据库中医正骨手法治疗腰椎疾病过程中腰椎生物力学变化特点及作用机制的相关文章,检索词“3-D finite element analysis mothed,lumbar disease,bonesetting massage manipulation”或“三维有限元分析法,腰椎疾病,正骨手法”。共检索到文献92篇,最终纳入符合标准的文献37篇。 结果与结论：腰椎三维有限元模型的建立,能更好地模拟各种腰部手法的临床状态,可以得到与生物力学实验基本一致的结果,并且通过计算机图形图像技术将结果定性、定量、直观的显示出来。但是国内外目前对中医正骨手法作用机制及生物力学特性、临床量化和评价标准的有限元分析的相关研究较少,仍然不够深入。文章深入研究中医正骨手法治疗腰椎疾病与损伤的作用机制并进行数字化分析,为临床应用提供力学依据、量化及优化的理论与实验依据研究的新思路。     

脊柱椎弓根螺钉应用的生物力学特征

背景：椎弓根螺钉内固定经过不断的发展和完善,生物力学理论在脊柱内固定器方面也有了很大进展。 目的：对脊柱椎弓根螺钉应用的生物力学研究进行综述。 方法：应用计算机检索1986-01/2010-10 CNKI和Pubmed数据库,在标题和摘要中以“椎弓根螺钉,生物力学”或“Pedicle Screw,Biomechanics”为检索词进行检索。选择文章内容与椎弓根螺钉的生物力学有关者,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。最终入选49篇文献进行综述。 结果与结论：在椎弓根螺钉的发展过程中,生物力学不仅为内固定的研制提供理论基础,也是测试和评价新设计内固定器效果的最终依据和标准。文章结果显示椎弓根螺钉植入点、植入方向、螺钉大小、螺钉形状、螺钉材料对脊柱生物力学均有一定影响。     

腕关节有限元模型的建立及应用进展

背景：目前国内外较成熟的三维有限元分析多集中于脊柱和髋关节的生物力学研究,对于手部的有限元分析较少。 目的：腕关节有限元模型的建立及力学研究的应用进展。 方法：由第一作者检索万方数据库和Pubmed数据库相关文献。中文检索词为“力学分析,有限元,腕关节”;英文检索词为“wrist joint,mechanical analysis,finite element”。检索时间范围：1970年1月至2010年12月。经查阅与腕关节有限元的建模方法、可靠性、影响因素等相关文献。最终纳入21篇文献进入结果分析。 结果与结论：手部是一个复合性的机械结构,应用有限元法进行生物力学分析要同时考虑到骨骼、关节面、韧带及肌腱的作用。目前的研究基本是在静态下对腕关节有限元模型进行力学加载,尚难以实现动态模拟、分析和给予腕关节完全真实的生理载荷条件。相信随着计算机技术和有限元理论的不断发展,人们可以模拟各种现实的临床状况,建立有针对性的有限元模型,为研究复杂的手部功能、疾病、治疗及日常生活所需提供更有力的帮助。     

踝关节三维有限元生物力学研究的临床转化

背景：踝关节是人体的负重、足部压力的缓冲和人体与地面接触的枢纽,极易受到损伤;骨科生物力学领域的研究不断成熟和发展,利用三维有限元软件建模分析踝关节生物力学并研究临床疾病逐渐成为研究热点。 目的：探讨踝关节三维有限元生物力学的研究现状,并对其临床研究进展作一综述。 方法：应用计算机检索CNKI期刊全文数据库和PubMed数据库中1986年1月至2014年3月关于踝关节有限元的文章,以“踝关节、有限元、生物力学、力学研究”或“ankle, finite element, biomechanics, mechanics research”为检索词进行检索;排除与研究目的无关和内容重复的文献;保留47篇文献进行综述。 结果与结论：踝关节生物力学机制复杂,各种损伤后都可能打破其周围结构的力学平衡而导致不稳定,诱发创伤性关节炎。踝关节三维有限元模型可准确反映解剖学结构特点、虚拟仿真可以再现手术方式及过程逼真的模拟,模拟压缩、拉伸、弯曲、扭转、抗疲劳等力学实验,并从静态的生物力学转向动态的方向研究,为分析临床疾病进而找到更合适的诊治方案。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;组织工程全文链接：     

基于三维有限元模型的脊柱生物力学特性研究进展

脊柱相关疾病研究是一门新兴的边缘学科,其研究重点即为脊柱的生物力学特性.综合分析了基于三维有限元模型的腰椎和颈椎生物力学特性研究方法;总结出有限元建模的三种方法,即几何建模法、三维坐标仪建模法以及图像建模法;提炼出图像建模法的关键步骤,即几何模型的建立、椎骨和软组织的材料特性定义、边界条件定义以及模型验证分析;最后提出有限元建模的两个主要改进方面及其研究趋势.     

青少年特发性脊柱侧凸有限元模型建立与验证的研究现状及进展

背景：青少年特发性脊柱侧凸在中国发病率高,且病情复杂,对青少年的身心健康具有显著危害。基于患者医学影像建立有限元模型可有效分析脊柱应力,模拟不同治疗方法的恢复效果,为患者治疗方式的选择提供科学依据。但目前有限元模型的建立方式种类繁多,尚未形成统一标准,模型质量参差不齐,验证方法也有待完善。目的：从软件选择、关键结构建模(椎体、椎间盘、韧带和躯干模型)及材料赋值等方面综述近年来青少年特发性脊柱侧凸模型建立的研究现状,从几何形态、已有文献对比、实验验证等角度概述模型验证的研究进展,总结分析有限元模型的不足与发展方向。方法：第一作者于2021年12月应用计算机在Web of Science和中国知网数据库检索2010年1月至今发表的相关文献,以“Adolescent idiopathic scoliosis,Finite Element,Biomechanical”为英文检索词,以“青少年特发性脊柱侧凸、有限元、生物力学”为中文检索词,追溯高引用权威参考文献,最终纳入83篇文献进行综述分析。结果与结论：(1)有限元法能够重建脊柱的三维模型,通过生物力学分析模拟脊柱的生理状态,为青少年特发性脊...     

脊柱内固定椎弓根螺钉置入后生物力学的稳定性

背景：椎弓根螺钉内固定系统由于具有牢固的三维固定效果、良好的生物力学稳定性以及较好的复位和矫正畸形作用,被广泛用于脊柱外科,但椎弓根螺钉系统松动、折断及螺钉拔出等并发症仍是导致内固定手术失败的主要原因。 目的：分析脊柱内固定植入物椎弓根钉的生物力学及稳定性探索。 方法：应用计算机检索万方、维普和PubMed数据库中1999年1月至2011年12月关于椎弓根钉植入后生物力学评价相关的文章,以“椎弓根钉,脊柱,内固定,稳定性,生物相容性”为关键词进行检索。选择脊柱内固定植入物生物力学及评价相关的文献,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。初检得到260篇文献,根据纳入标准选择40篇文章进行综合分析。 结果与结论：要提高椎弓根螺钉系统对脊柱固定的稳定性,可通过改进内固定材料、设计和操作技术以分散固定界面应力,但对螺钉的改进受椎弓根和椎体大小的限制,如何从内固定系统装置上来增强固定效果,有待进一步研究。作者认为椎弓根螺钉植入后的稳定性评价应该结合动物实验和临床研究,包括椎弓根螺钉材质、置入位置、角度、固定装置等因素,还应该针对患者个体化因素进行,即对椎弓根螺钉置入遵循个体化原则,对每一个不同的椎弓根施以不同的置钉入点、方向及螺钉。     

脊柱生物力学2023年度研究进展

脊柱是人体最重要的骨骼结构之一。 它具有保护脊髓、支持体重、减缓冲击,并允许躯干灵活运动的功能。脊柱生物力学研究对于全面认识脊柱结构功能、疾病发病机制意义重大。 2023 年,国内外学者开展了大量脊柱相关的生物力学研究,包括脊柱基础生物力学的认知,病理条件下脊柱力学特性改变,以及基于生物力学研究基础设 计的各种治疗脊柱疾病办法。 本文着重分析脊柱生物力学 2023 年度研究进展,并以几种较为典型的脊柱疾病或病理状态为例进行详解介绍。     

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。     

有限元分析在腰椎生物力学应用中的研究与进展

背景：有限元法运用数学形式概括脊柱的结构形状、材料性能、载荷边界条件等,通过改变其中任一参数以观察其对整个结构的影响。 目的：回顾性分析腰椎有限元模型的建立方法、有限元软件在腰椎生物力学中的应用以及有限元分析在腰椎植骨融合后临近节段活动度的改变及应力改变中的应用。 方法：由第一作者检索1990/2010年PubMed数据库及CNKI数据库有关有限元法在腰椎建模及腰椎不同植骨融合式对腰椎融合节段、临近节段应力改变影响等方面的文献。 结果与结论：有限元分析被越来越广泛的应用于医学,并成为其重要组成部分。在脊柱方面,有限元分析可以全面了解不同植骨融合术式及各种内固定对其生物力学改变的影响,从而可以改进植骨融合术式及优化内固定器械。但有限元毕竟属于理论性的分析,未来的研究应将其与动物实验及长期临床随访相结合,从而可以很好地预测手术远期疗效,并对并发症的预防具有重要临床意义。     

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。     

数字化医学技术与脊柱外科的临床应用

背景：随着现代科学技术尤其是计算机技术和医学技术的迅猛发展,现代脊柱外科进入了一个崭新的时代,呈现出数字化、个性化、显微化、精确化和人工智能化的发展趋势。 目的：探讨数字化技术在脊柱外科中的应用研究进展。 方法：文章检索词为“脊椎(spine);腰椎(lumbar);颈椎(cervical);数字化(digitization);脊柱外科(spinal surgery);数字骨科学(digital orthopedics);有限元模型(the finite element model);计算机辅助设计(computer assisted design,CAD);微创技术(minimally invasive technology);三维重建(three dimensions reconstruction, 3D);CT;磁共振成像(MRI);计算机仿真(computer emulation);内窥镜(endoscope);椎间盘(intervertebral disc);经皮内窥镜激光椎间盘切除术(percutaneous endoscopic laser-assisted discectomy, PELD)”,对有限元、计算机导航技术、微创技术以及医学影像在脊柱外科中的应用文献进行深入分析,探讨数字化脊柱外科手术的特点,临床效果以及安全性。 结果与结论：数字化医学在有限元模型、计算机导航技术、微创技术、医学影像等领域研究进展的基础上,建立独特的脊柱外科新方法,并将其广泛应用于临床骨科。有限元模型最大的优势在于可以反映集体内部的应力变化情况,有限元分析应用于医学生物力学后,取得了很大的进步与发展。计算机导航技术的工作原理是利用数字化影像信息通过媒介体输入计算机工作站,经运算处理后重建三维模型影像,通过相关软件,在此影像基础上进行术前计划并模拟进程,通过高解像度的显示屏从各个方位观察到当前的手术入路以及各种参数,完成微创手术。微创脊柱外科采用微小切口或穿刺通道,运用特殊的器械或装置在影像仪器监视下或导航技术的引导下进行手术。医学影像分析作为信息科学技术为基础的交叉学科研究,对脊柱外科的临床诊断和观察具有参考价值。数字化医学高效率、高精度、三维立体地了解疾病的分布、形态、结构,最大程度减少手术创伤,在脊柱外科应用中的前景广阔。     

有限元法在脊柱生物力学应用中的新进展

本文归纳整理了近3年来使用有限元分析方法研究脊柱生物力学的主要工作,总结了有限元建模方法在建立微观结构以更细致化、常见椎骨参数权重的个性化研究、采用新标定校准和赋值方法使模型更准确化、自动化分网赋值方法4个方面的发展,及其在植入器械设计评估、椎间盘生物力学、异常脊柱结构生物力学、动态仿真4个脊柱生物力学应用方向的主要研究进展。并结合最新的研究趋势,对有限元法在创伤机理研究、手术模拟、新药评估等方面的应用前景进行展望。     

封面

本文归纳整理了近3年来使用有限元分析方法研究脊柱生物力学的主要工作，总结了有限元建模方法在建立微观结构以更细致化、常见椎骨参数权重的个性化研究、采用新标定校准和赋值方法使模型更准确化、自动化分网赋值方法4个方面的发展,及其在植入器械设计评估、椎间盘生物力学、异常脊柱结构生物力学、动态仿真4个脊柱生物力学应用方向的主要研究进展。并结合最新的研究趋势，对有限元法在创伤机理研究、手术模拟、新药评估等方面的应用前景进行展望。     

有限元分析在口腔生物力学中的应用

背景：在口腔医学中存在着大量的生物力学问题,有限元法是对人体力学行为进行数值模拟的一种有效工具,其在口腔生物力学中的应用越来越广泛。 目的：综述有限元法在解决口腔正畸、口腔修复、口腔种植、口腔颌面外科等领域生物力学问题的研究进展。 方法：以“有限元分析;口腔;生物力学”为中文关键词,以“finite element analysis (FEA);oral cavity;biomechanics” 为英文关键词。采用计算机检索PubMed数据库、维普数据库1995-01/2011-10有关有限元分析法在口腔生物力学领域应用的文章。 结果与结论：有限元分析可以对口腔结构、形状、载荷和材料力学性能等进行应力分析,可获得模型任何部位的应力值和位移值,并借助计算机从而快速精确地求解,客观、准确、真实地反映应力的分布状况,为研究口腔医学中的有关基础性问题、解决口腔医学中的临床实际问题、发展口腔临床技术手段提供了力学基础,为进一步研究口腔疾病治疗方法提供参考和借鉴。 关键词：有限元分析;口腔;生物力学;牙槽;三维 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.13.033