骨质疏松股骨三维有限元模型的建立

背景：通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体且模型间可比性低,对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段。 目的：建立骨质疏松股骨三维有限元模型。 方法：根据国人股骨平均参数,选择重度骨质疏松老年男性患者1例,年龄86岁,排除髋关节疾患。通过螺旋CT扫描获得骨质疏松股骨图像数据,将图像数据导入图像处理软件Mimics11.1进行图像处理,生成股骨骨皮质内、外表面的轮廓曲线;再将轮廓曲线数据导入建模软件Unigraphic NX4.0进行实体建模,得到具有骨皮质、骨松质、骨髓腔的股骨三维模型;将三维模型数据导入有限元分析软件Ansys11.0 进行赋值、网格划分、定义接触等操作建立骨质疏松股骨三维有限元模型。 结果与结论：建立了骨质疏松股骨三维有限元模型,为骨质疏松股骨限元模型的建立提供了切实可靠的方法,为研究骨质疏松股骨骨折的固定方法、关节置换等创造了条件。     

上颌切牙区3种不同形式种植固定桥三维有限元模型的建立

背景：研究表明,三维有限元分析法是分析种植体周围骨界面生物力学分布的重要研究手段,精确的模型构建是三维有限元准确分析的基础,可为优化种植设计方案提供研究支持。 目的：建立3种不同形式种植固定桥修复上颌切牙区的三维有限元模型,为研究其生物力学分布提供数学化模型。 方法：利用CT扫描技术和Geomagic studio 9.0软件、Mimics 10.01软件的实体建模技术,结合 ANSYS 10.0有限元分析软件建立人上颌切牙区3种不同形式种植体支持固定桥的三维有限元模型。 结果与结论：成功建立了三维有限元模型,总节点数为365 173个,四面体总单元数为204 854个。该模型获得上颌骨、上颌中切牙、侧切牙、种植体及瓷层的形态,具有良好的几何相似性。提示将CT 扫描技术、数字图像处理技术与一系列计算机软件相结合,建立三维有限元模型的方法是行之有效的。     

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1.8 N•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23 348个节点和215 749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。     

Mimics辅助快速建立颅上颌复合体的三维有限元模型

背景：颅颌面部是骨骼系统中结构最复杂、功能最多样的的结构之一,要进行颅上颌骨复合体生物力学分析,就必须建立一个精准的三维有限元模型。 目的：探索快速建立完整颅上颌复合体三维有限元模型的方法。 方法：以牙列完整、咬合关系正常、磨牙为中性关系、牙周组织健康的成年志愿者作为建模素材,进行多层螺旋CT扫描,利用Mimics软件和MSC.Patran软件建立颅上颌复合体三维有限元模型。 结果与结论：探索出一条快速建立颅上颌复合体三维有限元模型的新方法。建立了三维坐标系下的可以从任意角度观察的健康人颅上颌复合体三维重建生物医学模型和三维有限元模型,由76 035个节点和373 819个单元组成。该模型具有较好的几何相似性和力学相似性。     

正常下尺桡关节三维有限元模型的建立及验证

背景：国内外学者已应用有限元分析在前臂的桡骨骨折及其固定、尺骨骨折及其固定等方面进行了生物力学评价,但还未见应用该方法对下尺桡关节进行生物力学评价相关的文献报道。 目的：建立并验证下尺桡关节三维有限元模型,用于临床的生物力学研究。 方法：将1名健康男性志愿者右肱骨远端到腕关节中段的CT和MRI图像,导入Mimics10.01和ANSYS10.0中,建立下尺桡关节三维有限元模型,模拟体外生物力学试验,在横向拉伸、轴向压缩、旋前和旋后扭转4种工况下观测下尺桡关节各结构的应力分布,所得结果与文献报道的生物力学实测数据比较验证。 结果与结论：所构建的下尺桡关节有限元模型共有333 805个单元,508 384个节点,客观反映下尺桡关节真实解剖形态。所建模型在横向拉伸、轴向压缩、旋前和旋后扭转4种工况下,理论分析结果与生物力学实测数据一致。证实所建的下尺桡关节有限元模型真实性较高,可用于生物力学分析实验。     

牙周膜牵张成骨术快速移动尖牙的三维有限元模型建立

背景：加速正畸牙移动速度,缩短疗程,多年来一直是国内外学者的研究热点。有学者提出了牙周膜牵张成骨的概念,是牵张成骨的一种特殊应用形式。这一方法应用于临床正畸治疗,可快速移动尖牙,显著缩短治疗时间,提高临床矫治效率,为解决疗程较长这一临床难题提供了一条新的思路。 目的：建立生物相似性和力学相似性较高的牙周膜牵张成骨术快速移动尖牙的三维有限元模型。 方法：通过64排螺旋CT扫描,获得颞下颌关节、下颌骨、下颌牙列截面影像的DICOM数据。采用Mimics软件、Geomagic Studio8.0软件、Unigraphics NX软件、Ansys11.0软件相结合的方法,建立包括颞下颌关节、下颌骨、下颌牙齿及牙周膜的牙周膜牵张成骨术快速移动尖牙的三维有限元模型。 结果与结论：实验建立了由39 060个单元,76 103个节点组成的牙周膜牵张成骨术快速移动尖牙的三维有限元模型,还可根据研究需要,添加或删除组件。     

全膝关节假体三维有限元模型的建立

背景：由于全膝关节的结构形态具有运动复杂、受力复杂等特性,造成了数据采集,模型建立困难,影响了三维实体模型的准确性。目的：建立全膝关节假体三维有限元模型。方法：通过Microscribe G2三维定位扫描仪取得假体数据、Geomagic软件进行曲面拟合、导入大型有限元分析软件Abaqus6.7.2建立全膝关节假体三维有限元模型,对如何提高三维有限元模型的精确性,扩大模型的开放性以及提高建模效率,增加关节外科医师在建模过程中的参与性进行探讨。结果与结论：通过Microscribe G2三维定位扫描仪取得假体数据、Geomagic软件进行曲面拟合、导入大型有限元分析软件Abaqus6.7.2建立了全膝关节假体三维有限元模型。与以往建模方法比较,该模块设计使模型更加精准,使用更灵活,简化了有限元前期处理过程,明显降低了建模难度,提高了建模效率,增加了模型的扩展形,并获得了更高的精度。     

计算机辅助设计与制造固定桥连接体受力的三维有限元分析

背景：义齿计算机辅助设计与制造技术是集多种学科为一体的高新技术,世界各国已开发了十几种口腔计算机辅助设计与制造系统,但是这些系统的功能仍不够完善,且价格昂贵,只有开发具有自主知识产权的系统才是根本的解决方法。 目的：在研究国产计算机辅助设计与制造系统的基础上,通过对连接体的受力分析,对后牙固定桥进行优化设计。 方法：建立固定桥的三维有限元模型,设计不同的连接体类型,在垂直载荷作用下,比较不同条件下连接体的受力情况。 结果与结论：不同外形连接体受力情况不同,带有圆弧过渡面的连接体受力小于无过渡面的连接体,圆弧半径与连接体面积匹配时方能减小连接体受力。提示应该将连接体设计为带有圆弧过渡面的形式。     

多层螺旋CT辅助微种植体支抗植入的精确性

植区的骨质骨量做细致精确的评估并制定周密的治疗方案是使用微螺钉作为高效正畸支抗的前提。 目的：比较多层螺旋CT各种重建影像在术前评估种植区骨量的精确性,并探求其影响因素,以辅助提高微种植支抗的稳定性。 方法：采用多层螺旋CT原始轴位像及多种重建影像精确设计种植角度后,在成熟普通猪头颅骨种植32枚纯钛微螺钉,术后分别测量多种影像上的微螺钉角度,并沿微螺钉走向测量局部牙槽突宽度。解剖猪颌骨,测量组织块牙槽突宽度及微螺钉角度。将多层螺旋CT多种影像线段和角度测量值分别与实物测量值进行比较并进行统计学分析。 结果与结论：①多层螺旋CT二维平面及三维立体影像上的角度与线段测量值与实物相比较均一致性较好,但均略小于实测值。②原始轴位图像精确度最高,二维平面影像精确度高于三维立体影像。③角度测量值精确度高于线段。④无论二维平面或三维立体影像,轴位面影像精确度高于侧断面影像。提示多层螺旋CT图像可提供与实物大小基本接近1∶1的精确信息,能够准确指导微种植体支抗手术,以辅助提高其稳定性;原始轴位图像与多层面重建中的侧断面图像在角度及线距测量上临床应用价值最大;MSCT放射线基准面选择影响侧断面放大率。     

股骨头坏死有限元模型的建立

背景：股骨头坏死有限元分析法已经被许多研究者应用,但作为分析的数字模型还存在几何以及物理相似性不够等不足。 目的：借助股骨头坏死患者的CT扫描图片建立更加逼真的股骨头坏死有限元模型。 方法：将以各向同性扫描所得的层厚0.625 mm股骨头坏死髋关节连续断层142层Dicom格式CT图像,直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得股骨头坏死三维几何面网格模型,将其保存为后缀名.lis的Ansys文件,直接导入Ansys有限元分析软件进行体网格划分,再将体网格转入Mimics根据CT值给予赋值,再次导入Ansys 生成有限元模型。 结果与结论：快捷建立了外形逼真、计算精确的股骨头坏死三维有限元模型。提示应用精细CT扫描技术,Mimics软件根据CT值直接赋值使股骨头坏死三维有限元模型的建立更加快捷、精确。     

以螺旋CT数据建立的颅底三维有限元模型

背景：近年来国内外学者进行了大量生物力学实验研究,试图解释颅脑损伤的发生过程和受力大小与损伤部位的相关性。但是目前针对颅底骨折原因的研究主要是直接暴力,对于间接暴力作用于颅底后颅底的应力分布情况尚无报道。 目的：利用螺旋CT数据、三维重建软件及有限元分析软件,在普通PC机建立颅底三维有限元模型。 方法：选择正常成年女性作为建模对象,无头颈部损伤、手术及其他病史,CT扫描前进行X射线常规检查排除器质性疾病。头部螺旋CT薄层扫描后,将图像数据输入医用图像与三维重建软件MIMICS中,建立颅底的三维可视化模型。将该模型简化优化后,导入有限元分析软件ANSYS 10.0中,建立颅底的三维有限元模型。 结果与结论：建立了由额骨、蝶骨、筛骨、颞骨、枕骨等共同组成的颅底实体模型,由于成年人骨缝闭合,所以将其视为一个整体。对实体模型划分网格,得到颅底的三维有限元模型,共有51 053个单元,80 273个节点。提示所建立的颅底有限元模型外形逼真,几何相似性好,可以用来进行颅底骨折的生物力学研究。     

减阻牵张成骨快速移动尖牙三维有限元模型的建立

背景：国内建立了减阻牵张成骨快速牙移动的实验动物模型,主要以基础研究为主,尚未见探讨减阻牵张成骨快速牙移动生物力学机制的文献。目的：基于CT法结合Mimics医学图像处理系统建立几何相似性和力学相似性较高的减阻牵张成骨术快速移动尖牙的三维有限元模型,为减阻牵张成骨术快速移动尖牙的生物力学分析、优化设计、和手术方法的选择建立灵活的分析平台。方法：通过64排螺旋CT对拔除第一前磨牙的成人上颌骨进行扫描,获得上颌骨、上颌牙列截面影像的DICOM数据。采用Mimics软件、Geomagic Studio8.0软件、Unigraphics NX软件、Ansys11.0软件相结合的方法,建立包括上颌骨、上颌牙齿及牙周膜的减阻牵张成骨术快速移动尖牙的三维有限元模型。结果与结论：建立了由43 477个单元,83 577个节点组成的上颌减阻牵张成骨术快速移动尖牙的三维有限元模型,还可根据不同的研究目的和要求添加或删除组件。所建立的三维有限元模型能较真实模拟实际情况,具有较好的力学和几何学相似性,可用于进行减阻牵张成骨术中尖牙快速移动的生物力学研究,进而为临床操作提供理论依据。     

基于大鼠尾部悬吊实验的三维有限元模型建立与分析

针对微重力环境模拟中广泛采用的大鼠尾部悬吊实验,采用三维有限元方法,研究尾部关节在有限元建模中的必要性。应用CT扫描与计算机软件手段,采用Abaqus有限元软件建立模拟失重的大鼠尾部悬吊三维有限元模型,并在此三维有限元模型基础上计算了尾部悬吊大鼠尾部、腰椎、骨盆、股骨等部位在考虑关节软骨与未考虑关节软骨两种情况下的应力分布和位移变化情况。结果显示,考虑软骨与不考虑软骨的两种情况下,尾部悬吊大鼠各部位应力与位移分布数值差异较大,这将影响到模型的计算准确性。故在建立尾部悬吊大鼠三维有限元模型时,关节软骨的考虑是很有必要的。同时,盆骨应力分布的不对称性,提示尾吊大鼠的左右平衡水平会对大鼠应力分布造成影响。     

下颌后牙双端种植桥及其支持组织修复前后三维有限元模型的建立

背景：三维有限元分析法是研究种植桥及其周围骨组织力学分布规律的重要手段,其精度受控于模型的准确及对真实状态的模拟。目的：建立下颌后牙双端种植桥及其支持组织修复前后的三维有限元模型。方法：利用Pro/E建模软件与CT结合,建立部分下颌骨、牙冠以及种植体的三维实体模型,通过无缝接口功能导入有限元软件中,最终分别建立双端种植桥修复前后的有限元模型。结果与结论：采用CT扫描技术、Pro/E与ANSYS软件相结合所建立的下颌种植桥及其支持组织修复前后模型切实可行,具有高度的几何相似性和力学相似性,可满足模拟加载的需要。     

参数化人上颌中切牙桩冠修复三维有限元模型中桩核冠直径和长度变量的生物力学优化

背景：以往有关桩直径和长度的生物力学三维有限元研究中,多为直径或长度的单因素离散组合分析,不能准确反映桩直径和长度同时连续变化对牙根应力的影响。目的：基于Ansys Workbench中DesignXplorer 优化设计平台,探讨动态连续的桩直径和长度变化对牙根应力的影响。方法：建立参数化人上颌中切牙桩冠修复三维有限元模型,Ansys WOrkbench软件设定桩直径和长度的变化,其参数变量直径变化范围为1.0~4.1 mm,长度变化范围为3.0~8.0 mm,分析双变量直径和长度同时连续变化情况下,牙根牙本质平均主应力分布。同时进行直径和长度变量对的Max EQV Stress敏感度分析。结果与结论：随着长度的增加,镍铬合金桩修复后根牙本质EQV应力峰值下降28.9%;碳纤维桩根牙本质EQV应力峰值下降13.1%。随着直径增加,镍铬合金桩根牙本质EQV应力峰值下降33.9%;碳纤维桩根牙本质EQV应力峰值下降9.6%。镍铬合金桩长度在5.16~8.00 mm范围内变化,碳纤维桩长度在4.75~8.00 mm范围变化时,镍铬合金桩直径在1.62~ 2.02 mm范围变化时,碳纤维桩变量直径在1.68~2.20 mm范围变化时,根牙本质EQV应力峰值响应曲线率位于-1和1之间。提示增加桩的长度、直径有利于改善牙根牙本质应力分布,镍铬合金桩长度和直径的变化与纤维桩相比更易影响牙根应力大小;对于铸造镍铬合金桩而言,桩直径对根牙本质的EQV应力峰值的影响远远大于长度。碳纤维桩系统桩长度对根牙本质的EQV应力峰值的影响大于直径。从生物力学角度而言铸造桩参数优化选择范围：长度为5.16~8.00 mm,直径为1.62~2.02 mm;纤维桩参数优化选择范围：长度为4.75~8.00 mm,直径为1.68~2.20 mm。     

三维有限元腰椎节段模型上模拟拨伸按压手法的生物力学分析

背景：应用计算机技术和有限元法对传统中医推拿手法进行研究,给传统的中医推拿手法研究注入了活力。 目的：分析手法治疗腰椎间盘突出症的机制,探求符合生物力学的治疗手法,明确手法治疗腰椎疾患的安全范围。 方法：选择成年无腰椎疾患的男性志愿者,年龄28岁,身高170 cm,体质量60 kg。采用CT对L3~S1进行扫描,利用ADINA5.0构件软件,并赋予不同组织不同的材料属性,建立腰椎有限元模型,设定腰椎水平位、后伸10°位、前屈30°位状态,加载拔伸按压载荷,观察腰椎间盘、髓核和纤维环的受力改变情况。 结果与结论：在拔伸按压状态下,腰椎前屈30°椎间盘组织的位移应变和应力变化最明显,提示在设定的条件下手法治疗腰椎疾患是安全的。     

带有枕骨全颈椎三维有限元模型的构建及生物力学分析

目的 构建含有枕骨的全颈椎三维有限元模型,并验证其有效性,为颈椎及颅颈交界区疾病的生物力学研究提供良好的力学模型。方法 基于健康男性志愿者的枕颈部薄层CT构建模型,将CT的原始数据导入Mimics软件中,构建三维点云模型,进而导入Geomagic Studio软件构建全颈椎曲面模型,并在Hypermesh软件中进行实体网格划分、材料赋值等步骤构建枕骨~T1的全颈椎实体模型,最后导入有限元软件Abaqus进行有效性验证。结果 构建的带有枕骨的全颈椎有限元模型同真实脊柱解剖学形态一致,材料属性正确,且各节段活动度在既往文献标准差范围以内,通过了模型的有效性验证。结论 本研究所建立的带有枕骨的全颈椎有限元模型符合脊柱生物力学研究所要求的解剖学一致和生物力学相似,可用于颅颈交界区及颈椎的生物力学研究。     

骨质量对种植牵张初期稳定性影响的三维有限元分析

背景：种植体型牙槽嵴牵张器的初期稳定性取决于骨-牵张器界面适当的应力分布,了解植入初期的生物力学改变有助于提高种植体型牙槽嵴牵张器的临床成功率。目的：通过有限元法了解骨质结构对牵张初期应力分布和牵张器、骨段变形情况的影响。方法：利用CAD软件绘制由输送段和基段组成的牵张器模型(长11 mm,直径3.7~ 4.1 mm),同一软件绘制4个下颌骨节段模型模拟4类不同骨质的下颌骨。装配后导入ANSYS软件形成由10 079~11 456单元和17 299~20 101节点构成的有限元模型,利用该系列有限元模型分析松质骨、密质骨的应力改变和输送骨段、牵张器的变形情况。 结果与结论：最大应力均出现在输送骨段,随骨质量下降而增大;骨最大变形出现在输送段边缘,随着骨质量下降而增大;牵张器的下沉也随着骨质量的下降而增大。结果表明随着骨质量的下降,最大应力与变形均明显增大。骨弹性模量的下降将增大牵张成骨失败的风险。