半月板三维有限元模型建立及力学分析

目的:建立正常膝关节及半月板三维有限元模型,较真实模拟膝关节及半月板的解剖形态及特点,通过初步有限元生物力学分析验证模型的有效性,并阐释半月板的部分生物力学机制。方法:利用CT和MRI扫描一健康男性志愿者膝关节获得其图像信息,导入至Mimics 10.01及Geomagic Studio软件构建膝关节各组织结构三维模型,利用ANSA软件对结构模型进行组合建立完整的膝关节模型,并对模型进行网格划分,最终建立了完整膝关节三维有限元模型。最后将有限元模型导入到ANSYS软件中,设置材料属性、建立边界条件和施加载荷,进行有限元分析,验证模型有效性,并分析半月板的生物力学特性。结果:所建立的模型包含膝关节骨、关节软骨、半月板及主要韧带结构,能有效模拟膝关节及半月板的解剖形态及特点。内侧半月板接触面积为771.05 mm2,外侧半月板接触面积为634.31 mm2,内外侧半月板接触面积比为1.216。内外侧半月板的应力分布均匀,但内侧半月板所受应力高于外侧半月板,其峰值应力分别出现在内侧半月板后角及外侧半月板前角,其峰值应力为4.11 MPa。半月板最大位移位于其体部,内侧较外侧形变更大,最大位移形变值为0.33 mm。所获得的力学分析结果于文献相一致,验证了模型的有效性。结论:本研究所建立的膝关节及半月板有限元模型具有有效性,可为半月板撕裂及半月板切除术等有限元分析研究提供有效的模型。所获得的有限元分析结果能够阐释半月板的部分生物力学机制,为临床半月板损伤和治疗提供理论指导。     

膝关节盘状半月板有限元模型的构建及生物力学分析

[目的]通过CT和MRI数据融合构建膝关节盘状半月板有限元模型,并进行有限元分析和验证,为盘状半月板研究提供可靠的有限元模型。[方法]采集包含盘状半月板膝关节CT和MRI影像数据,导入到Mimics软件中,构建膝关节骨骼、半月板等结构的三维模型。以外部标记为参照点进行模型配准,融合成膝关节整体模型。在Ansys软件中进行网格划分,构建膝关节有限元模型。通过解剖观察和测量对有限元模型进行解剖真实度评估,对其设置材料属性、建立边界条件和施加载荷,进行有限元分析,并验证。[结果]在600 N轴向压力下,股骨与胫骨软骨面发生接触,半月板传导轴向载荷。外侧盘状半月板上表面挤压应力峰值为2.21 MPa,出现在体部的中央;内侧半月板上表面挤压应力分布于前角、体部、后角的游离缘,峰值为6.61 MPa,出现后角游离缘。股骨软骨的挤压应力峰值出现在外侧髁,为0.67 MPa;股骨内侧髁挤压应力峰值为0.52 MPa。胫骨软骨的挤压应力峰值出现在内侧平台,为1.39 MPa,胫骨外侧平台挤压应力峰值为0.62MPa。[结论]通过CT和MRI影像数据融合可以构建符合解剖学特征的膝关节盘状半月板有限元整体模型,能为研究盘状半月板生物力学行为提供可靠、有效的有限元模型。     

内外侧半月板后根部损伤有限元力学研究

[目的]探讨内外侧半月板后根部损伤对膝关节生物力学的影响。[方法]膝关节正常志愿者4例作为研究对象,采用MRI对左膝关节进行扫描,建立膝关节各部位有限元模型,在股骨部分垂直加1 150 N垂直力模拟人体正常周期中的伸直状态,测量应力分布。在完整膝关节有限元模型中同时删除内、外侧半月板根部相应单元和节点,模拟内外测半月板根部同时损伤模型;将完整膝关节模型设为对照组;分别加载1 000 N轴向压缩载荷和134 N向前剪切力,测量不同部位的最大压应力和最大剪切应力。[结果]人体正常走平路膝伸直状态时,承受应力的大小依次为:外侧半月板前部>内侧胫骨平台>股骨外侧髁>内侧半月板后部>股骨内侧髁>外侧胫骨平台>双股骨髁后部。损伤组股骨内髁、股骨外髁、内侧胫骨平台、外侧胫骨平台软骨、外侧半月板最大压应力显著高于完整组(P<0.05)。损伤组股骨内髁、股骨外髁、内侧胫骨平台、外侧胫骨平台软骨、外侧半月板最大剪切力显著高于完整组(P<0.05)。[结论]内、外侧半月板后根部同时损伤导致膝关节各部位承载应力显著增加。     

腕关节生物力学有限元分析研究进展

传统实验生物力学方法存在创伤性及可重复性和可比性差等缺点,在复杂关节的生物力学研究中逐渐体现出局限性和不足.有限元分析方法可无创伤地对极其复杂的构件结构、形状、载荷和材料力学性能进行重建和力学分析,已越来越多地应用于组织众多、结构复杂的关节如腕关节的力学研究,成为与实验互动的仿真技术.该文就腕关节生物力学有限元分析研究作一综述.     

膝关节半月板的生物力学作用

半月板是膝关节的重要组成部分，具有多种生物力学功能，它可以扩大胫股接触面积，降低接触压力，影响胫骨近端皮质骨的表面张力，增加膝关节的前后，旋转，内外翻的稳定度，降低关节面之间的摩擦力，吸收冲击能量。因此，尽可能保留半月板对维持膝关节的正常功能有重要意义。     

关节镜下半月板缝合技术的生物力学分析

关节镜下半月板缝合技术的生物力学分析王友侯筱魁王以友薛文东戴克戎本研究为探索关节镜下半月板修补技术，通过岛津材料测试系统对水平或垂直二种不同缝合方式用于修补人体外侧半月板外１／３区域纵裂进行了生物力学分析。１．材料与方法：取颅脑急性外伤致死的新鲜人体...     

ACL断裂对膝半月板和软骨应力分布的影响

[目的]采用三维有限元,对比分析前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)正常时和断裂后膝关节半月板和软骨的应力分布。[方法]构建胫股关节三维有限元模型,把ACL断裂引起的股骨外旋增加量(5.4°)设置为边界条件,以模拟ACL断裂后膝关节在伸直位的运动状态,同时在股骨上施加700 N向下载荷和134N向后载荷,对比分析ACL正常时和断裂后两种情况下半月板和软骨的应力分布。另一方面,在ACL断裂的胫股关节模型中分析两种工况:应用股骨外旋增加量模拟膝关节运动状态、不模拟运动状态,计算出这两种工况下胫股关节间的应力并进行比较。[结果]当ACL断裂后,除了外侧股骨软骨,内外侧间室中半月板和软骨的应力均比正常时有不同程度的增加,内侧胫骨软骨的应力增幅最大(57.6%),内侧间室的平均应力增幅大于外侧间室(34.1%vs 4.7%)。在ACL断裂胫股关节模型的两种工况之间,胫股关节间的平均应力差异为20%,外侧间室的平均应力差异大于内侧间室(32.6%vs 7.4%)。[结论]ACL断裂使胫股关节间的应力重新分布,主要引起内侧间室的应力明显增加。ACL断裂后膝关节的运动状态本身就可以造成关节间应力改变,所以在有限元分析时模拟膝关节的运动行为是有必要的。     

膝关节三维有限元分析

有限元分析是在工程科学技术领域广泛应用的数学物理方法,是解决复杂工程学问题的必备工具之一.将有限元分析应用于人体生物力学研究,已显示出极大的优越性.通常的力学试验手段基本上不直接应用于人体,其试验结果并不十分准确;有限元分析则可通过对实验条件的控制,更准确地模拟体内的力学情况.对人体力学行为进行有限元数值模拟已成为深化对人体认识的一种有效手段.该文对膝关节三维有限元分析的近期研究进展进行综述,讨论在临床应用中的实际意义,并总结目前有限元分析在膝关节生物力学研究中存在的不足.     

有限元分析应用于全髋关节置换中的研究进展

全髋关节置换术是治疗多种髋关节疾病的一种有效方式,多项研究发现术后假体的稳定性及多种并发症的发生均与关节周围生物力学因素有关,但髋关节复杂的解剖结构使得在体内和实验室对其进行生物力学研究非常困难。有限元分析对复杂物体的生物力学性能分析具有独特的优势,现已被成功应用于人体骨骼、关节和肌肉的相关研究,在骨科生物力学领域占有重要的地位。本文对近几年来有限元分析应用于全髋关节置换中的相关研究进行了较详细的总结,归纳了目前最新的研究进展及存在的问题,为以后的研究指明了方向。     

半月板移植和替代

由于半月板血供分布的特殊性，其修复能力受到限制。研究发现半月板切除后，关节接触面积减少了50％，但压力增加350％，大大加速了软骨的磨损退变与继发性骨关节炎的发生。随着近年人们对半月板解剖、功能的深入了解，尤其关节镜的发展，现代半月板的治疗观念逐渐形成．即尽量保留和力争修复半月板。但国内外大多数动物实验及临床长期随访研究发现，半月板修复并不能阻止骨性关节炎的发生。为减轻半月板切除后关节疼痛。延缓关节软骨及软骨下骨变性退变、减少骨关节炎发生，重建半月板全切后膝关节的生物力学平衡．寻求适合的半月板移植替代物成为解决半月板损伤的新目标。     

颈椎有限元分析模型的应用和进展

有限元分析法(FEA)是一种在工程学中广泛应用的方法,最初应用于模拟并且解决各种工程力学、热学、电磁学等物理问题.其基本原理是将一个由无数个质点组成并且由无限个自由度连续体近似为有限个单元所组成的集体.后来逐渐将有限元方法应用于骨科生物力学的研究,建立了最早的颈椎有限元模型.近年来随着计算机和软件技术突飞猛进,有限元法在颈椎生物力学研究中的利用日益广泛与深入.     

脊柱侧凸有限元建模方法的应用进展

脊柱侧凸是一种由多种病因导致的三维复杂脊柱畸形,常合并胸廓畸形、肩失衡等并发症。由于其尸体标本难以获取以及动物模型制作困难,致使脊柱侧凸的生物力学研究受到限制。近年来,随着计算机技术、软件开发和图像处理的不断发展,应用有限元分析法建立人类脊柱有限元数字模型的技术日臻成熟,已为脊柱侧凸的病理机制、支具的设计及应用和手术方式的选择等研究提供了有力的支持,成为脊柱侧凸生物力学研究中不可缺少的工具。建立高质量的脊柱有限元数字模型是进行分析研究的基础,但有限元建模方法多样且过程复杂,因而如何根据研究目的选择合适的建模方法成为有限元研究者的首要任务。笔者在查阅近几年国内外相关文章后,对脊柱侧凸有限元建模过程包括脊柱侧凸数据的获取方式、几何模型的建立、各组织材料属性及参数设定、有限元模型的有效性验证等方面作一综述,以资参考。     

不同方向的中位牵引作用下颅面部的生物力学变化

目的 探讨颅面复合体在不同方向的中位前牵引作用下的生物力学变化.方法 采用三维有限元法测量以梨状孔底骨性承力,不同方向中位前牵引的生物力学变化.结果 随牵拉的角度增大,各观察点的矢向位移逐渐减小.垂直向移位由向上逐渐转为向下,前下20°～30°牵引可整体前移上颌,且各骨缝区应力一致,可避免上颌骨的逆时针旋转.结论 以梨状孔底承力骨性前牵引,牵引方向为前下20°～30°时,可有效地前移上颌复合体.     

退变性椎间盘应力分布变化的有限元分析

【摘要】 目的：分析退变性腰椎间盘在不同生理载荷下应力分布的变化情况。方法：建立正常人体L3~S1三维有限元模型及L4/5椎间盘退变模型,导入Ansys软件进行分析,在L3椎体上表面施加500N压力模拟轴向压缩,施加10Nm的力矩模拟腰椎前屈、后伸、侧屈和旋转等各种生理载荷,测量不同载荷下正常与退变椎间盘不同部位的应力,分析退变椎间盘应力分布变化的情况。结果：正常椎间盘垂直载荷时椎间盘应力集中于椎弓根附近,应力最大的分区中压力为29.649N;各种屈曲位时,屈曲侧应力较高,分区中压力最高为59.514N,向对侧逐渐减少,拉力最高为32.686N。相同载荷下,退变椎间盘应力分布发生了变化,髓核压力由45.170~55.308N降至5.471~8.046N;纤维环压力增加,内层纤维环由80.379~95.923N增加至98.898~120.557N,中层纤维环由107.160~140.983N增加至118.549~156.827N,外层纤维环由160.872~204.867N增加至169.302N~216.298N。结论：椎间盘退变后其髓核和纤维环的应力分布会发生变化,在总应力变化不大的前提下,髓核所受应力明显减小,而纤维环所受应力则相应增加,尤以内层和中层纤维环为主。这可能是椎间盘突出和椎间盘源性腰痛的原因之一。     

中位前牵引颅面骨骼的三维有限元研究

目的探讨中位骨骼前牵引和以牙齿承力前牵引的生物力学变化特点。方法在三维有限元颅面复合体模型上,分别以单个牙齿承力,牙列承力前牵引和中位骨骼前牵引,比较分析其生物力学变化。结果以梨状孔底承力的中位前牵引,矢向位移面中上1/2前移比牙齿或牙列承力的前牵引多,面中下1/2位移相对较少,垂直向及侧向位移值均小于牙齿或牙列承力的前牵引。中位前牵引颅面复合体,鼻根区压应力减少明显。结论与传统的牙体或牙列承力的前牵引比较,上颌中位前牵引可整体前移上颌,从而减少上颌的逆向旋转及硬腭前部压缩现象。     

单柄和四桩设计的膝关节胫骨假体基座生物力学特点的三维有限元分析

目的 通过有限元分析来评定单柄和四桩设计的膝关节假体基座在不同负荷下的生物力学特点.方法 建立单柄和四桩两种胫骨假体基座置换后膝关节的三维有限元模型,对比两种设计在压力负荷和扭转力矩负荷下的不同生物力学反应特点,如峰值接触压力、峰值接触滑动距离、峰值接触应力和金属基座的总位移、骨的峰值Mises应力,来了解两种不同设计的固定强度.同时在假体基座下方松质骨区域的前、后、左、右各选取一条路径,测量压力负荷下此两种基座下方的松质骨每个路径上15个点的Mises应力值,通过该指标来比较这两种设计对近端松质骨的应力遮挡.结果 单柄设计和四桩设计假体基座在1600 N压力负荷和10 N·m扭转力矩负荷下的峰值接触压力、峰值接触滑动距离、峰值接触应力和金属基座的总位移、骨的峰值Mises应力等不同生物力学指标的结果基本相似,没有明显区别;在压力负荷下,单柄设计的基座下方松质骨在相同路径上各点所承受的Mises应力值均小于四桩设计的胫骨假体基座下方松质骨相应位置各点的Mises应力值.结论 四桩设计的基座和单柄设计的基座在固定强度上基本相同.从生物力学角度相比较,单柄设计的基座对胫骨近端松质骨的应力遮挡效应要大于四桩设计的基座.     

腰髂固定钉道的优化及有限元分析

目的建立腰椎髂骨联合内固定的有限元模型并进行生物力学分析。方法选择1位健康成年男性志愿者,行腰椎及骨盆64排螺旋CT扫描,将原始数据以.dicom格式导入Mimics 16.0软件,进行骨盆三维重建,同时确定L4、L5椎弓根和髂骨安全区螺钉置入几何钉道、自由钉道;通过Solidwoks 2012软件建立髂骨腰椎联合内固定钉棒系统模型,导入Ansys 12.0软件中进行装配。应用500 N轴向压缩载荷,测量两种钉道模型在前伸、后屈、左右侧屈及左右旋转等工况下的位移、von Misses应力分布结果。结果两种钉道模型在前屈、侧屈、后伸工况下整体位移、应力及在前屈、侧屈工况下螺钉的最大应力值表现的较为接近,但在旋转工况下几何钉道模型的整体位移、应力以及在后伸、旋转工况下螺钉的应力均明显小于自由钉道模型。骨盆最大应力均在固定螺钉表面,数值在190~260 MPa,连接骶骨与椎体的2枚螺钉的折弯处为应力集中区域,最大von Misses应力出现在纵向杆的L4~L5椎弓根螺钉。在旋转载荷情况下,连接L4~L5椎弓根螺钉和髂骨螺钉的纵杆上部承受最大应力。结论通过数字化分析确定的腰髂固定几何钉道有更高的抗疲劳、抗旋转以及整体稳定性,腰髂内固定系统可有效分担椎体所受应力。     

有限元方法在上颈椎生物力学研究中的应用进展

生物力学因素在上颈椎疾患的发病机制中具有十分重要的意义。传统的生物力学实验方法,如动物实验、物理实验、体外(尸体)实验存在不足。有限元方法作为一种新的生物力学研究方法,可在持续性研究中重复及改变任何质量与定量变化,同时可提供局部以及内部的机制反应,有效地弥补现行方法的不足。本文就其在上颈椎生物力学研究中的应用进行综述,包括各种上颈椎有限元模型的建模方法,及其对上颈椎病理生理机制和内固定器械的生物力学分析。     

Biomechanical effect of vertebropiasty on the adjacent intervertebral levels using a three-dimensional finite element analysis

Objective: To investigate the biomechanical effect of different volume, distribution and leakage to adjacent disc of bone cement on the adjacent vertebral body by three-dimensional osteoporosis finite element model of lumbar. Methods: L4 -L5 motion segment data of the cadaver of an old man who bad no abnormal findings on roentgenograms were obtained from computed tomography (CT) scans. Three-dimensional model of L4-L5 was established with Mimics software, and finite element model of L4-L5 functional spinal unit (FSU) was established by Ansys 7. 0 software. The effect of different loading conditions and distribution of bone cement after vertebroplasty on the adjacent vertebral body was investigated. Results: This study presented a validated finite element model of L4-L5 FSU with a simulated vertebroplasty augmentation to predict stresses and strains of adjacent untreated vertebral bodies. The findings from this FSU study suggested the endplate and disc stress of the adjacent vertebral body was not influenced by filling volume of bone cement but unipedicle injection and leakage to the disc of bone cement could concentrate the stress of adjacent endplate. Conclusions: Asymmetric distributions and leakage of cement into intervertebral disc can improve the stress of endplate in adjacent vertebral body. These results suggest that optimal biomechanical configuration should have symmetric placement and avoid leakage of cement in operation.