膝关节三维有限元模型的建立及生物力学分析*

背景：近年来,采用有限元分析法进行膝关节生物力学分析在国外发展迅速,但在国内,关于膝关节的三维有限元分析较少,且建模简单,相对粗糙,目前尚未有文献报道包括半月板、关节软骨及全部韧带等在内的完整膝关节的精细三维有限元模型。 目的：建立完整的膝关节三维有限元模型。 方法：获取正常膝关节SCT扫描图像数据,使用Mimics、3ds Max、ANSYS等软件建立膝关节三维有限元模型并进行初步的生物力学分析,以验证模型的有效性。 结果与结论：建立的膝关节三维有限元模型具有良好的生物形态,外形与实体标本一致性高。进行生物力学分析结果显示前交叉韧带承受前向载荷最大;轴向负荷中,内侧间室负荷较外侧间室大;胫腓骨前向移动4.9 mm。实验初步表明采用CT扫描资料建立三维有限元模型切实可行,特别适用于骨科领域三维有限元模型的建立。     

骶骨次全切除术后骨盆有限元模型的建立及验证☆

背景：由于位置较深以及复杂的结构，目前对于骶髂关节的生物力学的了解并不全面，而对于该部位重建方式的生物力学研究则更少。 目的：建立高位骶骨切除术后的骨盆有限元模型，并进行有效性验证，为骶髂关节重建方式的有限元评价提供平台。 时间及地点：2008-01/03在解放军第二军医大学长海医院骨科实验室完成了三维有限元模型的建立与验证。 材料：调取非腰椎、骨盆病变的成年男性骨盆CT扫描图像，扫描范围从下腰椎至坐骨结节，共有DICOM格式的CT图像132幅。 方法：分别构建完整骨盆和经S1神经孔上缘水平施行骶骨次全切除术后的缺损骨盆的三维有限元模型。模拟Hugate等的生物力学实验情况，对完整骨盆模型施加3 000 N，对缺损骨盆模型施加1 000 N的垂直载荷进行计算，得到相应的位移和刚度，然后再与文献中的结果进行比较。 主要观察指标：选择L5的最大下沉位移（U3）以及由此计算得到的刚度作为评价骶髂关节的稳定性的指标。 结果：完整和缺损骨盆模型中L5的最大下沉位移分别为7.99 mm和7.68 mm，由此计算得到的刚度分别为375 N/mm和 130 N/mm；文献中相应工况下的骨盆位移分别为（10.73±5.10）mm和（11.71±5.74）mm，刚度分别为（353±231）N/mm和（101±49）N/mm。 结论：成功建立了保留骶髂关节活动的骶骨次全切除术后骨盆的有限元模型，计算结果与文献中报道的结果较好地吻合，可认为有效，能够用于各种骶髂关节重建方式的有限元评价。     

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。 关键词：颈椎;生物力学;有限元;三维模型;数字化骨科技术     

肱骨远端三维有限元模型的建立及生物力学分析*

背景：采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学分析得到了广泛应用,但是关于肱骨远端的有限元分析较少,且所建模型粗糙,方法繁琐。 目的：建立肱骨远端的三维有限元模型,并模拟不同受力状态下的应力分布及应变特征。 方法：通过对正常成年男性肘关节的多排螺旋CT扫描,获得连续断层图片,导入Mimics医学建模软件生成实体模型后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS 10.0,进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型。约束边界条件,模拟肱骨远端轴向受力,得出肱骨远端有限元模型上的应力分布与应变结果。 结果与结论：建立的肱骨远端有限元模型总单元数为6 292,总节点数为10 232。肱骨远端在轴向载荷状态下的应力集中主要位于内、外侧柱区域。提示建立的有限元模型精确度高,符合肱骨远端的临床特点,较好地模拟了肱骨远端的生物力学特性。     

人工椎间盘置换对腰椎小关节应力影响的三维有限元分析

背景：近年来随着对脊柱生物力学研究的深入,人工椎间盘被认为是治疗腰椎退行性变较理想的方法,但目前对人工腰椎间盘的生物力学研究还非常有限。 目的：建立腰椎运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型并进行生物力学分析,观察人工椎间盘置换对腰椎小关节应力的影响。 方法：在已建立的正常腰椎运动节段三维有限元模型的基础上去除L4~5椎间盘、上下终板的有限元单元,加入SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘的有限元模型,保留L4~5椎间隙的纤维环及相关韧带,形成L4~5运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型。对三维有限元模型在垂直压缩、前屈、后伸、侧弯等不同载荷下进行生物力学分析,记录小关节的应力,并与正常运动节段三维有限元模型相应部位的应力进行对比。 结果与结论：生物力学分析结果显示,人工椎间盘置换后：①垂直压缩时上下椎体、双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01)。②前屈、后伸时上下椎体前、后方及双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01)。③侧弯时上下椎体左右两侧及双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01)。提示人工腰椎间盘置换后小关节应力可保持在正常运动节段的水平,人工腰椎间盘置换可以达到腰椎生物力学性能重建的目的。     

骶髂关节脱位两种内固定的三维有限元分析

背景：有限元法能对复杂的结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析比较,已经是骨科生物力学研究中的重要手段。 目的: 旨在建立骨盆骶髂关节（单侧）脱位模型,比较两种内固定治疗后的生物力学稳定性,为临床骶髂关节损伤的治疗提供生物力学依据。 设计、时间及地点：三维有限元分析,单一样本观察。于2007-01/03在南方医科大学生物力学实验室完成。 方法: 在正常的骨盆三维有限元模型的基础上,截断骶髂关节间的骶髂前后韧带(包含骶髂骨间韧带),以及骶结节韧带和骶棘韧带等盆底韧带,造成骶髂关节脱位。分别在两种固定方法的模型上,加载后进行非线性有限元分析。 主要观察指标：计算该加载方式下的骨盆的应力、应变及位移的分布情况。 结果: 建立了高精度骨盆骶髂关节脱位两种内固定的三维有限元模型。通过应力应变云图分析与比较后发现,采用骶髂关节拉力螺钉内固定相对于前路钢板内固定移位的总位移小,应力分布均匀,无明显高度集中现象,固定强度更大,固定后的骨盆更稳定。 结论: 利用有限元方法分析骨盆骶髂关节脱位两种内固定生物力学稳定性,具有较高真实性、精确度和可重复性,结果与其他生物力学实验结果相一致。能满足临床骨盆损伤研究的需要。 关键词:骶髂关节脱位;重建钢板;拉力螺钉;有限元分析     

髌骨骨折AO张力带内固定有限元模型的建立和分析

背景：目前有关髌骨骨折内固定的生物力学研究大多集中在尸体标本上,应用现代有限元法进行分析的报道较少。 目的：建立髌骨骨折AO张力带内固定的三维有限元模型,并对所建模型进行有限元力学分析。 方法：选择1名成年女性志愿者,行下肢薄层CT扫描,将图像数据导入Mimics 10.01 软件通过Region growing提取右侧髌骨polylines,导入Geomagic studio 10.0建立髌骨几何模型。将髌骨几何模型导入PRO/E 2.0软件中,利用软件中的分割功能模拟髌骨骨折,利用软件中的扫描功能,生成两根折弯的克氏针和环形钢丝,建立三维髌骨骨折AO张力带内固定模型,导入ANSYS中建立三维有限元模型,模拟屈膝90°髌股关节作用力600 N进行有限元分析,分析其位移及变形特点。 结果与结论：AO张力带有多向加压作用,及明显对抗股四头肌向上拉应力的作用。提示有限元分析结果与生物力学结果相符,建立的髌骨骨折AO张力带内固定有限元模型有效,有助于更全面了解张力带内固定髌骨骨折的生物力学原理,为临床治疗提供借鉴。     

三种固定器械置入固定胫骨骨折的生物力学分析☆

背景：胫骨骨折后以胫骨骨折髓内钉、钢板内固定和外固定支架固定后骨折断端的轴向压缩、弯曲、扭转力将发生怎样的变化？ 目的：对比观察胫骨轴向控制髓内钉,胫骨接骨钢板及胫骨外固定支架3种内外固定器械置入固定胫骨骨折的生物力学特性。 设计、时间及地点：观察性实验,于2007-08在吉林大学力学实验中心完成。 材料：新鲜胫骨标本9对,由白求恩医科大学解剖教研室提供;夹具由吉林大学力学实验中心提供;胫骨轴向控制髓内钉为上海浦卫医疗器械厂产品;胫骨接骨板(钢板)为常州华森医疗器械有限公司产品;胫骨外固定支架为常州市康辉医疗器械有限公司产品。 方法：9对新鲜尸体胫骨,随机分为髓内钉组,接骨板组和外固定支架组,每组3对。以线锯在胫骨中段锯开,制成DAT分类A1型骨折模型,分别以胫骨轴向控制髓内锁钉、钢板、外固定支架固定标本,在电子万能试验机上对3组标本进行轴向压缩实验和弯曲实验,在扭转试验机上进行扭转实验。 主要观察指标：标本承受轴向压缩、弯曲载荷时的位移值和在转矩作用下扭转角度。 结果：髓内钉组轴向压缩,弯曲位移小于接骨板组和外固定支架组,但差异无显著性意义(P > 0.05),髓内钉固定组扭转角度小于接骨板组和外固定支架组,差异有显著性意义(P < 0.05)。 结论：髓内钉内固定胫骨骨折组标本抗弯、抗扭、抗轴向压缩能力强,具有较好的力学特性。钢板固定组和外固定支架组抗弯和抗轴压缩能力也较强,虽抗扭转能力不如髓内钉组,但也具有较好的力学特性。     

以有限元法比较前路腰椎间融合后路关节突关节螺钉/椎弓根螺钉的固定应力*☆

背景：对腰椎前路腰椎间融合后辅助固定的各种关节突关节螺钉的生物力学安全性存在普遍担忧,限制其临床应用,未见文献报道与椎弓根螺钉固定的比较研究。 目的：建立L4~5椎前路椎间融合后路分别用双侧椎弓根螺钉、经椎板关节突螺钉及经关节突椎弓根螺钉固定的三维有限元模型,施加相同的负荷和转矩,比较分析3种螺钉和椎间融合器的应力状况。 设计、时间及地点：对比观察,于2008-02/2009-01在南方医科大学珠江医院骨科实验室完成。 材料：PHILIPS Brilliance64排螺旋CT扫描仪,数据输出DICOM 3.0 格式;Mimics 11.1软件;Simpleware3.1软件;Abaqus6.8软件;Photoshop 7.0软件;DEPUY AcroMed皮质骨螺钉和Zimmer椎间融合器;GSS椎弓根螺钉系统。 方法：建立L4~5椎前路椎间融合后路分别用双侧椎弓根螺钉、经椎板关节突螺钉及经关节突椎弓根螺钉固定的三维有限元模型。对3种螺钉固定的有限元模型施加500 N/6 N•m载荷模拟前曲、后伸、左侧弯、左旋运动,用Abaqus 6.8软件比较分析3种螺钉和椎间融合器的应力变化和分布特点。 主要观察指标：应力峰值,应力集中区云图。 结果：在500 N/6 N•m载荷下,椎弓根螺钉在屈、伸时的应力较两种关节突关节螺钉固定应力小,在侧弯和轴向旋转时较大;两种关节突关节螺钉应力特点相似。在椎弓根螺钉坚强固定时,椎间融合器有应力遮挡现象。 结论：在较小的转矩下,前路腰椎间融合后两种关节突关节螺钉固定的安全性和椎弓根螺钉固定相近。使用关节突关节螺钉固定,除减少创伤、节约成本等优点外,还可减少对椎间融合器的应力遮挡效应。     

伤椎椎弓根置钉治疗胸腰椎压缩性骨折的三维有限元分析*

背景：有文献报道伤椎置钉技术较传统4钉跨阶段固定具有更强的牢固性,可有效避免内固定的松动断裂,但其生物力学机制研究尚显不足。 目的：构建脊柱胸腰椎单纯压缩性骨折的三维有限元模型,探讨伤椎附加椎弓根螺钉置入治疗胸腰椎压缩性骨折的生物力学效应。 方法：将一T12椎体压缩性骨折患者脊柱胸腰段超薄CT扫描数据输入Mimics软件中,构建T12椎体压缩性骨折的有限元模型,在此模型基础上模拟伤椎置6钉和跨节段4钉内固定,对两个模型分别施加垂直压缩、前屈、后伸、左屈及右旋载荷。 结果与结论：两组固定模式各种载荷下的应力均集中在螺钉根部,在垂直载荷下,螺钉的应力最小,右旋和左屈载荷下的应力最大;在垂直压缩、前屈、后伸、左侧弯及右旋运动下,上位螺钉较下位螺钉应力大(P < 0.05)。伤椎置6钉固定组螺钉应力较跨节段4钉固定组小(P < 0.05)。两组T11椎体最大位移无差别。表明伤椎附加椎弓根螺钉置入可以优化内固定的载荷,减少断钉率。     

过伸复位治疗胸腰椎单纯压缩性骨折的有限元分析

背景：过伸复位被中医骨伤科临床广泛用于治疗胸腰椎单纯压缩性骨折,其生物力学机制研究尚显不足。 目的：应用有限元分析方法探讨了复位过程中各结构的力学特性以及整体的应力特点。 方法：依据1例T12椎体单纯压缩性骨折患者的210层Dicom3.0标准的CT图片建立T12椎体单纯压缩性骨折的有限元模型,在对建立的模型的有效性进行验证后模拟过伸复位手法,约束L2下端所有面,给T11椎体上端一个纵向牵引力,分别于T11,T12,L1椎骨棘突顶点给予一个方向垂直朝向椎体、大小为3.0 cm的位移。程序运算后读取压缩椎骨外形改变和应力分布。 结果与结论：建立了几何外型逼真、生物力学特性全面的胸腰段椎体压缩性骨折三维有限元模型,复位手法作用后压缩的椎骨表现出明显的过伸,在复位过程中表现的复位机制与传统的生物力学实验相同。利用有限元分析法研究传统手法的作用机制具有实验结果可靠、显示结果直观、节约资源以及手法模拟精确等优点,可广泛应用于骨折手法复位机制的研究。     

锁骨内力分布特征的空间曲梁简化分析法

背景：锁骨的内力分布特征对于确定适当的骨折钢板固定方案具有重要参考价值,但目前常用的三维有限元方法由于受到单元形状、加载方式、边界条件等方面限制,尚无法对锁骨的宏观内力分布特征进行讨论。 目的：根据锁骨的生理特点,利用相对简单直观的力学分析方法分析锁骨的内力分布规律。 方法：通过截取特定横截面,将锁骨简化为空间曲梁模型而将肌肉的作用简化为作用在梁端的主矢和主矩,并根据静力平衡条件得出锁骨形心线上任意位置的内力解答,最后通过对锁骨实例的内力分析,探讨锁骨各内力的变化趋势。 结果与结论：计算结果与临床经验及有限元分析结果相吻合。此外通过对弯转比的分析显示多数情况下,锁骨中部区域为弯矩和转矩的组合变形区,在考虑骨折部位固定方案时,必须综合考虑抗弯和抗转能力。     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景：由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。 目的：以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布。 方法：获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics 10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS。再根据解剖部位建立骨盆主要韧带。对S1椎体上终板施加600 N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。 结果与结论：垂直加载600 N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节。此时的坐骨结节处承受较大压应力。有限元模型在静载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反应骨盆特有的力学结构特性,模型的准确性较高。计算结果与文献中报道的结果相近,建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具及满足临床研究的需要。     

三维有限元模型分析3种内固定方式治疗严重腰椎不稳定型骨折的生物力学特点

背景：严重腰椎不稳定型骨折的内固定修复方法未形成统一的观点。 目的：应用三维有限元模型对比分析不同内固定方式治疗严重腰椎不稳定型骨折的生物力学性能。 方法：选取1个健康成年志愿者,用CT图像和Mimics软件建立T12~L2椎体三维模型,模拟L1椎体爆裂性骨折,并分别模拟后路减压短节段椎弓根钉固定、前路减压钛网置入内固定和后路减压内固定+前路椎体次全切除钛网置入内固定3种治疗方法。将模型导入到有限元分析软件Abaqus,施加约束和载荷分别加载260 N压力和10 N•m转矩,模拟3种模型在不同工况下的椎体位移、应力传导情况,以及前后路固定器械的受力情况。 结果与结论：从椎体位移分布情况来看,前后联合内固定方式下的位移要较其他两种内固定方式小。从应力分布情况来看,前后联合内固定方式更加符合载荷分布原则。从生物力学角度来看,前后联合内固定方式优于其他两种内固定方式。     

应用Mimics软件建立下颌骨双侧矢装劈开内固定后的有限元模型

背景：双侧升支矢状劈开截骨术是正颌外科常见的治疗方法之一,有限元法成为研究双侧升支矢状劈开内固定后生物力学的重要方法。 目的：快速建立下颌骨双侧矢装劈开内固定后有限元模型,寻求一种更为快捷、精确的矢装劈开内固定的三维有限元模型,为研究下颌骨矢装劈开内固定后生物力学打下基础。 方法：应用薄层CT ,Dicom 标准和Mimics 软件,结合MSC.Patran 三维有限元专用软件对CT 断层影像进行分析处理。 结果与结论：建立了精确的下颌骨双侧矢装劈开内固定后三维有限元模型。使用Dicom 标准和Mimics 软件获取三维模型,直接写入MSC.Patran 三维有限元软件,提高了建模效率。提示薄层CT、Dicom 标准的应用使得有限元模型的建立更为精确,同时Mimics 软件直接建立矢装劈开内固定三维模型,极大程度提高了建模效率,为生物力学分析打下基础。     

组配式人工半骨盆假体重建后耻骨板断裂的非线性有限元分析

背景：目前有限元法应用于骨科相关生物力学分析主要是静态载荷下的研究,评价系统应力峰值及全场应力分布情况。但由于疲劳计算和体内力学环境复杂,很难明确临床相关的生物力学问题。 目的：利用步行周期动态载荷分析组配式半骨盆假体重建髋臼缺损后耻骨板断裂的生物力学基础。 方法：通过骨盆环三维有限元模型模拟骨盆Ⅱ+Ⅲ区肿瘤切除后骨缺损,并通过CAD软件绘制的半骨盆假体模型进行重建。重建后的三维有限元模型通过Abaqus 6.7有限元分析软件分别计算重建骨盆在站立位及步行周期下耻骨板的应力分布情况,明确应力集中位置及耻骨板应力峰值。 结果与结论：有限元计算结果收敛,站立位时耻骨板应力峰值为3.5 MPa,应力集中点位于耻骨板近中点处;步行周期下耻骨板的应力峰值为273.0 MPa,应力集中点位于耻骨板与人工髋臼连接处,与临床观察到断裂的部位一致。提示组配式半骨盆假体耻骨板断裂的原因主要是由于步行周期载荷下耻骨板应力集中部位引起的高周疲劳断裂。