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。     

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。     

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。     

下颌56缺失后双端单基牙固定桥应力分布的三维有限元分析★

采用CT扫描获取健康成人下颌牙及其支持组织的二维图像，通过计算机重建技术建立三维立体图像并获得了下颌56缺失后的双端单基牙固定桥的三维有限元数学模型。在桥体中央分别从垂直和水平方向加载100 N的固定负荷，按基牙牙槽骨吸收比例间隔5%依次分组，在0~50%的变化范围内，分析其对固定桥应力分布的影响。当基牙牙槽骨无吸收或小于10%时固定桥两基牙应力分布均匀，垂直载荷下为4~7 MPa，水平载荷下为6~9 MPa；当基牙牙槽骨吸收大于10%时，固定桥两基牙即开始出现应力集中，垂直载荷下为9~16 MPa，水平载荷下为14~23 MPa。提示下颌56缺失后选择双端单基牙固定桥修复受基牙牙槽骨吸收程度的影响较大，基牙牙槽骨仅有轻度吸收时就会引起应力分布的变化。     

1000/研究颅脑创伤的有限元模型的建立及验证

建立基于人体解剖学结构的HBM(Human body model)头部三维有限元模型。详细描述了人体头部的主要解剖学结构,模型由头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液、软脑膜、大脑、小脑、脑室、脑干、脑镰和脑幕等组成。采用人体头部碰撞实验数据,比较了实验与仿真中头部的动力学响应和颅内压力分布参数,对头部有限元模型进行了验证。结果表明,该模型具有较好的生物逼真度,可以用来分析研究车辆交通事故中颅脑创伤和损伤机理。     

足部有限元模型的构建与验证

背景：目前国内所建的足部模型大部分是采用自动划分网格的四面体有限元模型,虽然四面体网格自动剖分技术给三维实体的有限元网格自动剖分带来了极大的方便,但力学性能较差。 目的：基于CT图片构建六面体网格足部有限元模型。 方法：选取中国正常男性人体足部的CT数据,利用Mimics软件对足部几何模型进行重构,运用NURBS 曲面的节点插入算法,对足部几何模型进行了细化,构建了具有较高生物仿真度的人体足部有限元模型,利用Pam-crash软件对模型进行了碰撞仿真分析。 结果与结论：仿真结果与尸体实验结果基本一致,证明模型可信。实验基于CT图片构建的六面体网格足部有限元模型,添加了足底肌肉、肌腱、皮肤等结构,更真实的反映了足部解剖学结构特征,进而提高了有限元模型的质量,更能有效地研究足部损伤机制,从而为提高汽车安全性设计提供参考依据。     

三维有限元法构建青少年特发性脊柱侧弯模型**☆

背景：目前国外有很多脊柱侧凸方面的有限元研究，均是在建立良好的有限元脊柱侧凸模型基础上进行的，但是国内尚未有建立脊柱侧凸有限元模型的报道。 目的：利用有限元分析软件abaqus建立青少年特发性脊柱侧弯三维实体有限元模型。 设计、时间及地点：三维有限元建模，于2007-08/2008-05在北京协和医院生物力学实验室完成。 对象：经北京协和医院选取女性志愿者1名，17岁，发现脊柱侧凸4年，为双弯畸形。上弯为胸弯，下弯为腰弯，Risser征Ⅳ度。 方法：获得青少年特发性脊柱侧弯患者的CT资料，导入医学建模软件mimics11.11，获得医学仿真模型。利用获得青少年特发性脊柱侧弯患者医学仿真模型，导入有限元分析软件abaqus6.7，通过表面网格体网格化、定义材质属性、定义接触、定义连接、模拟韧带等建立PUMCⅡdⅡ型青少年特发性脊柱侧弯患者有限元分析模型。 主要观察指标：建立模型的节点和单元数、韧带的弹簧单元模拟数目、表面接触数目。 结果：建立的特发性脊柱侧弯有限元模型，共包含节点数：648 034，单元数：3 074 881，单元类型为C3D4，为一阶单元，共计定义表面224个，表面间接触34对，表面间绑定78对（tie接触），定义弹簧单元162个。 结论：利用计算机软件abaqus成功地建立特发性脊柱侧弯的有限元模型，具有良好的仿生效果及生物逼真度。     

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。     

腰椎间盘突出症有限元模型的建立与分析

目的建立人体腰椎运动节段(L3~5)有限元模型,于轴向正压力、前屈、侧弯、后伸及旋转等载荷下研究椎间盘的生物力学特征。方法根据健康成年人腰椎运动节段(L3~5)的CT影像学资料,采用Mimics10.0医学图像处理软件和Geomagic10.0逆向工程软件分别建立腰椎运动节段(L3~5)椎体和椎间盘的几何模型,Ansys软件附加腰椎相关韧带及通过改变椎间盘突出后对应的材料属性,构建正常模型和腰椎间盘突出(L34)模型,运用有限元方法模拟正常椎间盘和突出椎间盘于轴向正压力、前屈、侧弯、后伸和旋转等载荷下生物力学特征参数。结果腰椎运动节段(L3,4)发生椎间盘突出后即改变了椎间盘的应力分布及传递载荷能力,应力主要集中于纤维环之后外侧。结论腰椎运动节段(L34)椎间盘突出后椎间盘的承载功能明显下降。     

椎体后凸成形后相邻椎体生物力学的有限元分析

背景：椎体后凸成形后相邻椎体新发骨折的发生率为2.4%~23%,并且6个月内2/3骨折发生于邻近椎体,其原因是骨质疏松的发展,还是骨水泥强化的结果,目前存有争论。 目的: 应用脊柱有限元分析方法分析生理载荷作用下,椎体后凸成形后相邻椎体终板的应力变化与相邻椎体新发骨折的相关性。 方法: 收集老年骨质疏松女性胸腰椎CT扫描资料,利用一系列计算机辅助设计软件构造相对应的T12-L1-L2骨质疏松性椎体的三维有限元模型。模拟L1椎体为楔形压缩骨折椎体(前缘高度较正常降低60%),模拟经皮椎体后凸成形模型,复位骨折椎体(L1椎体高度较正常降低10%,代表骨折椎体复位),在L1椎体内置入2个对称的圆柱体PMMA骨水泥块共约4 mL。分析轴向压缩、前屈和后伸3种加载状态下正常椎体、手术前后相邻椎体的应力变化情况。 结果与结论:与正常椎体比较,L1压缩性骨折模型和椎体后凸成形后模型相邻椎体终板最大应力值分别增高76%和27%;椎体后凸成形模型后部结构的应力水平较正常椎体平均增加13.2%,其中椎弓根增加4.5%,峡部增加6.15%和关节点增加25.6%。与 L1椎体压缩性骨折模型相比,L1椎体后凸成形后椎弓根、峡部和关节突应力均有所降低。结果说明椎体后凸成形后,T12椎体下位终板和L2椎体上位终板的应力值在各种状态下均较正常椎体增加,应力增加可能导致终板骨折可能性增加,进而导致相邻椎体骨折的风险性增加,这一观点尚需进一步研究的支持。     

单侧完全性唇腭裂上颌骨三维有限元模型的建立****☆

对单侧完全性唇腭裂患者颅颌面部进行多层螺旋CT扫描,利用Mimics软件直接将CT扫描样本得到的Dicom标准文件进行处理,并导入逆向工程软件Geomagic Studio构建模型的表面,在此基础上用Ansys软件建立完整的单侧唇腭裂上颌骨三维有限元模型。建立了由27 405个实体单元和26 876个节点组成的单侧完全性唇腭裂上颌骨有限元模型。应用螺旋CT技术和联合使用Mimics软件、Geomagic Studio软件对模型进行构建,并结合Ansys软件生成三维有限元计算模型,是一种快速有效的建立单侧完全性唇腭裂有限元模型的方法。     

一个新枕寰枢有限元模型的建立与生物力学分析

目的 建立一个新型枕寰枢复合体有限元模型并对其进行生物力学分析.方法 采集CT断层资料,应用Mimics软件完成枕寰枢的三维重建并获取点云数据,辅助以逆向工程完成骨性结构的曲面重构;采用Ture Grid软件建立包括关节软骨在内的全六面体有限元网格模型,建立模拟韧带的弹簧单元;在0.3 Nm和1.5 Nm外载荷下进行了前屈、后伸、侧屈和轴向旋转四种生理运动的生物力学分析及有效性验证.结果 该枕寰枢模型能对正常情况下生物力学特性如运动学、韧带应变、关节应力等进行预测.结论 枕寰枢有限元模型对枕颈交界区生物力学的改变及其稳定性的影响可以进行有效的、可重复的仿真分析,具有较高的实用性和临床参考价值.     

下颌第一磨牙不同冠根比种植修复体的三维有限元分析

背景：为了尽量避免种植义齿修复时出现种植体周围骨组织应力集中。以往有研究应用增大种植体与骨界面的结合面积、增加直径、增加长度等方法以期使种植体骨界面应力分布更趋均匀,以提供更大的支持力,但观察时间较短,且临床报告并不一致。 目的：设计不同冠根比种植修复体,采用三维有限元法,对轴向加载和颊舌向加载下的不同冠根比种植修复体周围骨组织应力分布进行分析,以求找到适合临床种植修复的冠根比范围。 方法：应用CT断层扫描技术得到下颌骨和下颌牙列的大致轮廓,通过交互式的医学影像控制系统对图形特征进行整体图像拟合,再以计算机软件生成云图,根据云图的数据进行三维重建,从而得到包括下颌骨和下颌牙列的三维有限元模型;运用几何模型方法建立不同冠根比种植修复下颌第一磨牙的三维模型。运用Hyperwork 8.0及Ansys 11.0大型有限元分析软件,建立下颌不同冠根比的种植修复体模型,并完成牙冠的修复。在模拟牙合向载荷的基础上,比较不同冠根比种植修复体周围骨组织应力分布状况。 结果与结论：获得了下颌骨及下颌牙列的三维有限元模型,以及下颌不同冠根比种植修复体的有限元模型。通过对不同冠根比种植体施加轴向100 N及颊舌向50 N的力,种植体周围骨组织产生的应力分布状况比较发现,颊舌向受力下种植体颈部及周围骨皮质为应力集中区;轴向施力时种植体颈部、根尖部周围的骨组织为应力集中区。     

非融合棘突间植入物力学特性的三维有限元分析

应用三维有限元法分析非融合棘突间植入物的力学特性。通过Pro/E建立非融合棘突间植入物的三维模型，通过Pro/E与Ansys软件接口将三维模型导入Ansys中进行分析，选择不锈钢和钛合金2种材料，在相同的约束条件下分别加载200 N和600 N的载荷，模拟腰椎的后伸生理载荷，观察不同材料、载荷下的应力分布。两种材料在相同载荷条件下的最大应力是一致的，相同载荷条件下钛合金结构的最大位移约为不锈钢的1.8倍，最大应力集中位置为U型结构的内弧面。两种载荷下不锈钢结构的最大应力都超过其屈服强度，600 N载荷下钛合金结构的最大应力也超过其屈服强度。提示钛合金U型结构植入物可以分担腰椎部分载荷，能够有效限制脊椎过度后伸；U型结构的内弧面为应力集中处，需要优化设计；不锈钢材料不宜用于制作棘突间植入物。     

有限元分析在腰椎生物力学研究中的应用

本文介绍了有限元的概念及其原理,总结了有限元分析法在腰椎生理和病理情况下生物力学分析中的应用,概述了不同术式、内固定器械对脊柱生物力学的影响,展望了有限元法在脊柱生物力学研究的应用前景。     

太极扣附着体覆盖全口义齿修复后的组织相容性评价

背景：太极扣附着体固位的覆盖全口义齿较之传统全口义齿稳定性好、固位力强、咀嚼效率高,但由于基牙覆盖在义齿基托下,缺乏口腔的自洁作用,易发生基牙牙周组织炎症而导致覆盖基牙丧失,义齿修复失败。 目的：评价太极扣附着体覆盖全口义齿修复后对基牙牙周组织的影响。 设计、时间及地点：自身对比观察,于2006-01/2008-12 在郑州大学口腔医学院实验室完成。 对象：选择2006-01/2007-12就诊于郑州大学口腔医学院口腔修复科的牙列缺损患者20例,女13例,男7例;年龄54~78岁;上颌4例,下颌16例。单颌余留1或2颗尖牙、双尖牙或其残根,松动度不超过Ⅰ度,根长大于或等于8 mm,牙槽骨吸收不超过根长的1/2。 方法：按常规桩核冠根管预备要求进行基牙的根管预备,取印模,灌模型,完成太极扣附着体单颌覆盖全口义齿,将带有太极扣的金属根桩粘固于基牙根管内,使义齿在口内就位。 主要观察指标：每例患者分别在义齿修复前、修复后1,6,12个月,4个时间段测定基牙的牙龈指数、菌斑指数,并拍摄全口牙位曲面体层片,比较修复前和修复后12个月基牙的牙槽嵴高度。 结果：修复前和修复后1,6个月的基牙牙龈指数、菌斑指数差异均无显著性意义(P > 0.05);修复后12个月基牙的牙龈指数高于修复前(P < 0.05)。同一个体修复前和修复后12个月基牙的平均牙槽嵴高度差异无显著性意义(P > 0.05)。 结论：太极扣附着体覆盖全口义齿修复后对基牙牙周组织的影响较小,组织相容性较好。