C_4～C_6颈椎有限元模型的建立和多点力学加载方法

背景：人体颈椎运动是多节段之间相互力学及位移关系的变化,建立多节段有限元模型及多点力学加载方法可以为颈椎生物力学研究提供高精度的模型和科学的计算分析方法。目的：建立人体C4~C6颈椎三维有限元模型,并在此基础上提出多点力学加载方法。方法：以正常人C4~C6颈椎CT图像作为数据源,利用Mimics10.0、Ansys11.0有限元分析软件建立三维有限元模型,对其进行多点力学加载测试,模拟生理状态时颈椎的轴向、屈曲、后伸、侧弯、扭转运动,分析各运动状态下C4~C6颈椎关节突和椎间盘的应力和位移改变。结果与结论：建立的C4~C6颈椎有限元模型几何形态逼真,重现了C4~C6颈椎节段解剖结构外形,整体显示直观,表面无过多简化,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。应力Se、Sz在不同加载工况时,前屈/后伸〉侧弯〉轴向加载。轴向加载载荷明显小,导致应力位移水平低。提示应用正常人体原始资料构建的C4~C6颈椎有限元模型以及多点力学加载分析的方法科学有效,为颈椎的生物力学研究提供了高精度模型和科学的计算分析方法。     

髋臼缺损有限元模型的建立及力学分析

背景:目前已设计了多种假体可用于伴有骨缺损的髋臼翻修手术,重建髋臼骨缺损对于翻修手术的成败至关重要.为了更好地评价翻修假体的设计,有必要对髋臼翻修前后的应力分布进行详细了解.目的:建立髋臼缺损的有限元模型,研究其在正常步态周期内的应力变化. 方法;取正常男性完整骨盆标本,获取髋臼区空间结构三维坐标数据,建立人正常及缺损髋臼的有限元模型,应用有限元分析公式计算两种类型髋臼在正常步态周期内的应力变化规律.结果与结论:研究证实在正常步态周期内,正常髋臼的最高应力位于髋臼外上部,并凡取决于髋关节力的大小和方向.髋臼区应力分解为指向髋臼外上部的主要部分和指向耻骨支撑区的次要部分.而在髋臼缺损模型,负荷传导的部位从髋臼缘的前上方变到后上方和耻骨支撑区.结果表明有限元分析是研究缺损髋臼应力变化及其翻修假体设计的有效方法.     

正常人体下颈椎有限元模型的建立及验证

目的建立解剖结构较为精确的下颈椎三维有限元模型并验证其有效性。方法采用正常成人颈椎CT图像建立C4-C5-C6有限元模型。在屈伸、侧弯、轴向旋转加载条件下绘制模型的力矩-位移曲线,计算曲线在实验生物力学模型所建立的力矩-位移标准差范围中所占的百分比。结果和结论建立了正常颈椎C4-C5-C6节段有限元模型,力矩-位移曲线在标准差范围中所占的百分比平均为90%。     

CT扫描及计算机辅助设计技术建立的颈椎三维有限元模型

通过CT扫描、Unigraphics V18.0 软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用计算机辅助设计数据处理技术,输入相关的材料特性,通过计算机分析颈椎C_(3~4)的应力分布.验证重建模型的有效性.建立了颈椎C_(3~4)三维有限元模型,分析结果证明其在仿真分析中是可行的.结果提示,建立的颈椎三维有限元模型可以模拟生物力学实验,可为计算机分析该模型的局部结构在各种受力情况下的生物力学表现创造力条件.     

上颈椎三维有限元模型的建立

目的:建立上颈椎三维有限元模型,以期应用于临床相关的生物力学实验研究中。方法:实验于2005-05/2006-01在南方医科大学解剖及生物力学实验室完成。选取2例自愿参与实验的健康青年男性,均经医院伦理委员会批准,且受试者知情同意。复习病史并行X射线平片检查排除枕颈部疾患。通过对正常人的CT薄层扫描获得原始DICOM图像数据,采用CAD数据处理技术进行计算机三维重建,改良建立的模型导入ANSYS9.0软件进行计算机模拟仿真生物力学研究。结果:所建模型外观清晰逼真,几何相似性好。所建的上颈椎有限元模型能够通过验证,与体外生物力学实验结果基本吻合,可进一步行各种上颈椎有限元力学分析。结论:为临床对枕颈交界区有限元三维模型的建立提供了一种便捷而精确的方法,对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条件。     

全颈椎有限元模型的建立与验证

背景:有限元分析作为数值计算中的一种离散化方法,具有实验时间短、费用少、对身体无任何破坏、力学性能测试全面及可重复实验等突出优点.以往研究多将其集中应用于腰椎模型,由于颈椎解剖结构及损伤机制复杂,稳定性差等原因,颈椎有限元模型研究不多,并且研究只局限于单椎体和运动节段.目的:建立更为真实、有效的全颈椎三维有限元模型,用于临床生物力学研究.方法:对1名既往无颈椎病史健康男性志愿者的颈椎进行CT扫描成像,应用CAD造型软件Solid-Works2003、HyperMesh软件和ANSYS11.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈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,建立全颈椎有限元模型.在所建模型上加载模拟脊柱的前屈、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.结果与结论:所建模型共有97 705个节点,372 896个单元.所建立模型在前屈/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高度一致.证实建立的全颈椎三维有限元模型细腻有效,具有良好的生物逼真度,可应用于临床生物力学分析.     

让昨天告诉今天:颈椎有限元模型建立的学术与技术发展

1972年,荷兰的Brekelmans等道次将有限元分析法引放生物力学领域. 与其他生物力学研究方法相比,有限元分析法可对形状、结构、材料和载荷情况及其复杂的构件进行应力、应变分析,具有实验时间短、费用少、力学性能测试全面及可重复实验等突出优点.     

睡姿和枕高对颈椎应力影响的三维有限元分析

背景:目前睡姿和枕高的研究主要集中在临床方面,多采用统计调查、测量及影像学相结合的方法。但采用三维有限元法分析睡姿和枕高对颈椎应力影响的研究至今鲜见报道。目的:采用数学仿真的方法探讨睡姿及枕高对颈椎应力的影响。方法:以正常人体头颈CT图像为原始数据,依次经过Mimics 10.0、Geomagic Studio 11.0及Hypermesh 10.0软件建立全颈椎的三维有限元模型,利用Abaqus 6.10软件仿真分析仰卧状态与侧卧状态不同枕高下颈椎的应力特性。结果与结论:睡姿和枕高对颈椎应力均有影响。枕高相同时,仰卧位椎间盘应力的最大值大于侧卧位。同样睡姿下,颈椎椎体及椎间盘的应力值均随枕高的增加而增大。从颈椎应力的生物力学角度看,侧卧比仰卧更有利于颈椎的健康,且仰卧位枕高应低于侧卧位。     

人类腰段脊柱三维有限元模型的建立

目的为研究人类腰段脊柱生物力学,提供三维有限元含肌肉整体力学模型。方法通过对尸体腰段脊柱表面各节点的三维坐标值测量,运用超级空间有限元电算程序(SUPER-SAPⅤ)将腰段脊柱按空间有限离散的原则,在计算器上建立三维空间坐标系,仿真完整脊柱腰段力学模型。运用横截面积肌力计算法,测量尸体腰椎周围肌肉:腰大肌、腰方肌、竖脊肌、腹内外斜肌、腹横肌的解剖横断面积及其与腰段脊柱纵轴的中心数据值,求得力矩值。再根据力矩等价换算公式得出加载于模型体表各点的肌力值。通过对本模型重力及肌力的加载,使其更接近于正常人体腰段力学状态。结果建立L1～5脊柱三维有限元模型,形成8节点6面体单元496个,共1006个节点,按不同材料参数仿真脊柱各部结构,并仿真腰段活动进行加载。结论建立完整脊柱腰段三维有限元模型,能够分析脊柱前屈、后伸、侧屈、旋转等多种情况下各部的应力分布及位移量,以探讨腰段脊柱损伤应力的病理机制。     

建立正常人C2～7的三维有限元模型

背景：随着计算机技术的发展,颈椎生物力学研究不再局限于动物或人体尸体实验,计算机模型可以进行更准确的生物力学研究。目的：在已有研究的基础上,建立人体C2～7三维有限元模型,以期为颈椎前路分节段减压融合的生物力学研究提供参考数据。方法：选择1名28岁健康男性志愿者为观察对象,无明显的颈椎病史,扫描前先拍摄颈椎正侧位、斜位、过伸过屈位X射线片以排除颈椎病变。首先根据志愿者CT扫描图片,采用计算机辅助设计数据处理技术,输入相关的材料特性,构建C2～7三维有限元模型。模型重建采用先进的Geomagics系统,可以准确模拟颈椎结构,有限元部分则采用广泛使用的ANSYS系统。其次在1.8N？m作用力下,观察节段运动与力-位移反应,并与国外的实验结果对比,在前屈、后伸、侧弯和旋转等4种工况（载荷状态）下对模型进行验证。结果与结论：整个模型包括C2～7六个椎体、C2/3～6/7五个椎间盘以及后部结构与主要韧带,共有23348个节点和215749个单元。在模拟外力的作用下,模型前屈、后伸、侧弯和旋转工况下的颈椎活动度与以往实验模型结果数据基本吻合。提示所建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验,进行生物力学分析。     

人工颈椎间盘置换对下颈椎活动影响的三维有限元分析

建立人工椎间盘置入后下颈椎C_(3~7) 的三维模型,分析颈椎人工椎间盘置换后下颈椎运动情况.根据1例人工椎间盘置入患者术后6个月CT片,应用有限元方法建立其包含Bryan~(TM)人工颈椎间盘假体的下颈椎三维有限元模型,导入Ansys 9.0中,对椎体皮质骨、松质骨、椎间盘用三维十节点四面体结构实体单元进行网格划分后进行分析.对模型加载2 N·m的力矩,观察其在前屈/后伸、侧屈及旋转几种状态下的运动情况,了解其运动特性.通过与以往的研究结果比较,试验结果基本符合或趋势基本一致.结果提示,颈椎间盘置换后能基本保证下颈椎运动稳定性.     

垂直载荷作用下骨盆的三维有限元分析

背景：目前对骨盆的力学分析还处于极其粗糙阶段，而有限元法因其具有不受样本量限制，实验误差小，重复性好等优点，正日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。 目的：建立正常骨盆的三维有限元模型，分析骨盆在垂直载荷作用下的应力／应变和位移分布。 设计、时间及地点：三维有限元分析，单一样本观察。于200703／09在南方医科大学生物力学实验室完成。 材料：健康成年男性志愿者1例进行PET—CT扫描，层厚1FfLrn，得N-维原始图像以DICOM格式输出。 方法：应用Mimics、Freeform、ANSYS等软件进行三维重建，并建立正常骨盆的有限元模型。模拟人体双腿直立位的生理姿势，对模型施加500N轴向载荷。具体方式为约束双侧靛臼，向骶骨椎体上表面垂直加压，压力均匀分布于各个结点。 主要观察指标：计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。 结果：垂直加载500N载荷于骶骨上表面时，应力经两侧骶骨翼、骶髂关节，斜向下方经过坐骨大切迹附近，髂骨中央弓状线，传导至两侧髋臼。骨盆前环即耻骨支和耻骨联合受力较小。应变集中在两侧骶髂关节，绝对值很小，前方的耻骨联合处应变极小，呵忽略不计。位移以骶骨背侧的骶正中嵴处最大。 结论：正常骨盆是一个非常稳定的力学结构。过大的垂直应力容易引起骶骨或骶髂关节受损导致骨盆的垂直稳定性下降；恢复骶骨至髋臼的连续性对应力传导非常重要。     

颈椎牵引过程的三维有限元分析

目的　比较不同力学条件下颈椎牵引的生物力学过程,从而得出最为有效的牵引条件。方法　通过建立颈椎（Ｃ１－ Ｔ１）三维有限元模型,对颈椎在不同力量、不同角度条件下的牵引过程进行力学分析,得出各种条件下颈椎上的位移情况、应力分布情况及各椎间隙的变形情况,并进行比较分析。结果　在不同牵引力的作用下,颈椎均出现一定的位移,诸椎间隙后缘均有一定增宽,前缘则大多有所缩窄,最大应力位置均出现在颈椎后缘的椎体上。当牵引角度不变时,随牵引力的增大,颈椎的位移及各点的应力均增大,椎间隙的形变亦更明显。当牵引力不变,随牵引角度的增大,颈椎的位移增大,颈椎上最大应力的位置下移,各椎间隙的形变增大。结论　在本文分析中,以前倾角３０ 度、９０ Ｎ 牵引颈椎可以最大程度的扩宽椎间隙,缓解对神经根的压迫,牵引治疗最为有效     

静载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力学意义

目的:探讨骨盆受到静力载荷作用后的力学行为特征,为临床分析及判断骨盆力学分布、静载荷影响提供力学基础。方法:实验于2002-01/2004-04在第二军医大学长海医院骨科实验室和同济大学生命科学与技术学院生物力学实验室完成。采用计算机仿真模拟方法,将所构建骨盆三维实体模型导入三维有限元分析软件ANSYS7.0,分别计算单侧髂前上棘和单侧髂骨正后方静载荷作用下骨盆的力学行为表现,静载荷为8000N,分析主应力值、应力分布情况以及主应力方向上骨盆单元的位移。结果:单侧髂前上棘侧方加载下,应力沿着受力点与骶髂关节连线方向传导,没有应力沿着髋臼或者耻骨、坐骨传导;单侧髂骨后方静载荷加载时,应力沿着髂骨纵行方向、髂骨与骶髂关节部位连线方向、同侧耻骨上支传导。结论:分析静载荷作用下骨盆各部位应力分布以及骨盆各个单元在应力作用下的位移变化,有助于临床上进行骨盆损伤内固定力点的选择以及进一步明确骨盆内在应力值分布。     

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。     

三维有限元法重建全椎板切除后颈椎三维模型

背景：颈椎后凸畸形是常见的医源性颈椎曲度异常，是一种进行性发展的颈椎畸形，其影响儿童和成人正常的颈椎生理功能。目的：以三维有限元法观察颈椎全椎板切除对颈椎曲度的影响，以及颈椎椎间盘、韧带结构对维持颈椎生理曲度的作用。设计、时间及地点：三维有限元分析，实验于2003—01／2004-01在解放军第二军医大学长征医院完成。材料：实验中高分辨率、层面间隔为1mm的颈椎横断面解剖图来自美国虚拟人计划中男性颈椎横断面解剖图，从The Visible Human Project网站免费下载。方法：采用高分辨率的颈椎横断面解剖图作为颈椎三维结构重建的数据源，重建全椎板切除后颈椎三维模型包括颅底至第1胸椎中上部所有颈椎结构，模型不包括C2～C7椎板、棘突、黄韧带、棘间韧带和棘上韧带。根据文献报道定义替代颈椎各结构的有限元单元类型和材质参数，如弹性模量。使用全椎板切除后颈椎模型，应用ansys6．1有限元分析软件，分析椎板切除后颈椎椎间盘和韧带结构对颈椎生理曲度的影响。主要观察指标：颈椎椎间盘、韧带结构（前纵韧带、后纵韧带）弹性模量变化对颈椎曲度的影响。结果：①全椎板切除后颈椎在多次反复加载负荷下，颈椎生理性前凸曲度减小，多次加载负荷后，颈椎上段生理性前凸消失，出现轻度后凸曲度。②颈椎椎间盘和韧带结构（前纵韧带、后纵韧带）弹性模量减小将加剧全椎板切除后颈椎后凸曲度，随着颈椎椎间盘、韧带结构弹性模量的增大，颈椎后凸曲度逐渐消失，并恢复正常生理性前凸曲度。结论：三维有限元分析显示，全椎板切除明显改变颈椎前凸曲度，使颈椎正常生理性前凸转变为后凸；颈椎椎间盘、韧带弹性模量增加将抑制全椎板切除后颈椎后凸曲度形成。     

An antero-lateral submandibular approach to segment C2-C3 of the cervical spine

This article presents the antero-lateral submandibular surgical approach and the application of cervical plates of stabilization of post-traumatic C2-C3 spondylolisthesis. Neither the posterior approach, which does not give an acceptable operating area, nor the anterior approach, which is dangerous and disfiguring for the patient, give a satisfactory outcome in such cases. Results are presented and discussed from two typical operations performed by the author with the antero-lateral submandibular approach and the application of a cervical plate. The article describes the advantages of the author's own modification of the antero-lateral approach, and the application of cervical plates for stabilizing post-traumatic spondylolisthesis at such a high level in the cervical spine, which allows for almost immediate post-surgical mobilization of the patient and effective rehabilitation.     

应用三维有限元法分析腰椎小关节的力学分布

目的:应用三维有限元分析法认识腰椎小关节的力学分布特点。方法:①实验于1999-10/2001-06在福州大学力学工程系光弹实验室完成。取新鲜尸体10具,6男4女,年龄45～65岁。尸体来源:福建中医学院解剖教研室。②通过对尸体腰段脊柱表面各节点的三维坐标值测量,运用超级空间有限元电算程序(SUPER-SAPV)将腰段脊柱按空间有限离散的原则划分为496个单元,1002个节点。并在计算机上建立三维空间坐标系,模拟完整脊柱腰段力学模型。运用横截面积肌力计算法,测量尸体腰椎周围肌肉:腰大肌、腰方肌、竖脊肌、腹内外斜肌、腹横肌的解剖横断面积,及其与腰段脊柱纵轴的中心距数值,求得力矩值。再根据力矩等价换算公式得出加载于模型体表各点的肌力值。通过对本模型重力及肌力的加载,使其更接近于正常人体腰段力学状态。运用腰椎周围不同肌肉对腰段脊柱作用力的变化,模拟正常活动范围内脊柱腰段前屈、后伸、右侧屈、右旋4种不同工况。分别计算相应载荷下脊柱腰段小关节的动态应力分布状况和应变值。结果:腰段小关节在正常生理活动范围内,各节段小关节前屈、后伸位、右侧屈(左侧)、右旋位(左侧)应力值由L5～S1至L1～2分别从122.83,282.51,92.22,118.84MPa减少至32.58,64.63,4.29,2.39MPa。小关节在后伸位时应力值最大,其次是前屈位及旋转,侧屈位应力值最小。结论:前屈及后伸位出现明显的应力集中,其中后伸位最为明显。