壁面厚度对一体化小腿假肢应力分布的影响

一体化假肢是以聚合物为材料从接受腔到假腿一体成型的新型下肢假肢 ,它比传统型假肢更经济、美观、轻便 ,具有较大的应用前景。如同传统假肢 ,应力分析对于一体化假肢的构型设计和优化具有重要的意义。由于假肢中的应力大小及分布与其所用材料的力学特性密切相关。本文的工作是基于一实验用内骨架一体化小腿假肢的真实几何构型 ,考虑残端软组织和骨 ,建立一体化小腿假肢的三维有限元模型 ;在保持假肢的几何形状不变的前提下 ,建立三个不同壁面厚度的一体化小腿假肢的三维模型 ,应用有限元分析方法 ,计算这些模型在模拟 Heel Off步态时相的载荷作用下的应力分布 ,分析壁面厚度对一体化小腿假肢应力分布的影响 ,为一体化小腿假肢壁面厚度的设计标准提供参考。结果表明 ,可以通过适当增加壁面厚度来减小一体化假肢的应力及软组织表面的压力。     

小腿假肢接受腔的三维有限元分析

通过建立三维非线性有限元模型来分析小腿假肢接受腔与残肢之间的载荷分布。此模型基于残肢,骨头,软套和接受腔的三维几何形状,考虑界面摩擦滑动条件和软组织的大变形等非线性因素。模型可以预测不同外载下残肢和接受腔之间的压力,剪切力和相对滑动情况。并分析了不同的接受腔形状对载荷分布的影响。     

内骨架一体化小腿假肢的生物力学研究

一体化假肢是以聚合物为材料从接受腔到假腿一体成型的新型下肢假肢，它比传统型假肢更经济、美观、轻便，具有较大的应用前景。目前的相关研究主要集中在设计与制作及少量的临床研究方面。由于一体化假肢与传统型假肢在结构上的差异，有必要对其进行应力分析。本研究的目的是开展内骨架一体化假肢的生物力学研究，本研究基于内骨架一体化小腿假肢的真实几何构型，建立三维有限元模型，计算该模型在模拟Heel OH步态时相的载荷作用下的应力分布；在保持该模型的几何形状不变的情况下，建立了三个不同壁面厚度的一体化小腿假肢的有限元模型，分析壁面厚度对一体化小腿假肢应力分布的影响；通过分别赋予模型四种不同高分子聚合物的材料力学特性值，分析不同材料的一体化假肢的应力分布特点；分别对模型施加与正常步态的五个典型时相对应的载荷，分析一体化小腿假肢在各步态时相的应力分布特点。本研究结果对一体化假肢设计有指导价值。     

植入性下肢骨植入体周围骨应力分布的三维有限元分析

基于CT扫描数据,针对低、中和高位下肢截肢步行最大生理载荷情况下,建立植入性下肢骨植入体及人体股骨三维有限元分析模型,计算结果表明：假肢的最大应力位于骨植入体外力传递杆靠近残肢残端,是假肢周期性载荷的疲劳破坏点;随截肢部位上移,股骨内应力最大值迅速增大;在植入体与股骨接触部位,存在严重的应力屏蔽,应力集中的两个区域分布在植入体末端和股骨四分之三处,可能导致骨质废用性和病理性吸收,影响假肢中长期使用寿命。本研究还表明,股骨的自然曲率对骨内应力分布有较大的影响,是不能忽略的因素。本文所获结果可为植入假肢的设计研究提供依据。     

大腿假肢支撑期有限元分析

目的分析大腿截肢患者的硅胶套材料属性,对支撑期残肢与接受腔之间接触面的力学分布的影响,为大腿假肢适配方案中硅胶套的选取提供参考。方法利用计算机断层扫描技术获取大腿截肢患者残端与接受腔的断层图像,通过影像学信息和工程学方法,分别获取接受腔、硅胶套、残肢、骨骼等结构的三维模型;根据角度变化调整模型,获得初始接触期、负荷反应期、站立中期、站立末期、摆动前期5个时相的组装模型;根据三维动作捕捉系统Motion和Kistler三维测力平台测得的地面反作用力及髋关节角度变化的结果,对5个时相下大腿假肢模型分别进行有限元非线性接触分析;在此基础上,模拟分析了硅胶套不同弹性模量的变化对残肢表面等效应力以及剪切应力分布的影响。结果穿戴不同弹性模量的硅胶套时,残肢所受最大等效应力以及最大剪切应力在初始接触期、负荷反应期、站立中期、站立末期时相时出现在残肢内侧和接受腔口型边缘对应的残肢位置,在摆动前期时相时则出现在残肢内侧、接受腔口型边缘对应的残肢位置和坐骨周围等位置。当硅胶套弹性模量在0.98~2.70 MPa范围内变化时,在摆动前期残肢所受等效应力变化范围为13.85~23.55 k Pa,最大剪切应力变化范围为7.82~13.46 k Pa,而其他时相基本一致。结论硅胶套的力学特性影响大腿假肢残肢与接受腔之间接触面的受力分布,摆动前期残肢所受最大等效应力与最大剪切应力随硅胶套弹性模量变化大,在实际适配过程中需注意。     

张应力作用下体外细胞培养膜上应力分布的三维有限元分析

在自行研制细胞张应力施加装置的基础上，建立细胞张应力施加装置中生物膜三维有限元模型，模拟施加不同大小的静水压力，采用有限元应力分析的方法计算生物膜（硅胶膜）上的张应力及位移分布及其规律，为相关的细胞力学实验提供理论依据。     

悬臂梁长度对种植牙周骨界面应力分布规律影响的三维有限元分析

目的：为了探讨悬臂梁的存在及其长度对种植牙周骨界面应力传递、分布规律的影响。方法：采用三维有限元方法,从理论上探讨了悬臂染的存在及其长度对种植牙周骨界面应力传递、分布规律。结果：悬臂梁存在时,加大了靠近悬臂梁端种植牙周颈部骨内的是大压应力、最大拉应力,随悬臂梁长度的增加,其应力也随之增加。统计学比较相互间有显著差异性,P＜0.0001。颈周密质骨横断面观,见悬臂梁式种植牙最大压应力位于靠近悬臂梁端种植牙远中侧,最大拉应力侧位于近中侧。结论：悬臂梁的存在及长度的增加,使靠近悬臂染侧种植牙颈周应力比近中种植牙颈周骨内应力加大显著,各种植政牙间骨内应力分布不均悬臂梁的存在,加大了靠近悬臂梁侧种植牙颈周的是大拉、压应力,使颈部应力集中更加明显,应力完全由颈周密质骨承担,使种植牙周颈部骨吸收更加剧。     

下颌前伸时下颌骨应力分布的三维有限元分析

目的通过CT技术获取人体下颌各层面的解剖轮廓图，经三维重建从生物力学角度探讨下颌前伸后下颌不同部位的应力分布，为临床功能矫治机理提供理论根据。方法选择处于生长发育高峰期的典型Ⅱ类He患儿，采用CT技术对整个下颌骨进行断层扫描，将其输入计算机给定前伸条件咬合重建，在CAD软件中建立几何模型，将其导入MSC．PATRAN建立有限元模型。结果结果显示髁突后缘及下颌体磨牙区出现拉应力集中区，下颌骨下缘后部及下颌角区为压应力集中区。结论下颌前伸能改变应力分布，有效地治疗骨性Ⅱ类错He。     

改良式前庭盾对上颌骨受力的三维有限元分析

目的 研究采用改良式前庭盾对上颌骨和牙受力的影响。方法 选取1例12岁女性上颌前突者进行CBCT扫描,并用DICOM技术获得扫描图片以及采用图像处理的软件和工程建模的软件建立这位患者上颌骨复合体及上颌牙的模型。同时模拟改良式前庭盾装置进行加载工况。结果 模型显示上颌前牙段受力最大,向后依次降低,框下孔下部,梨状孔周围有应力分布。改良式前庭盾适用于上颌前突,骨性Ⅱ类的生长发育期的青少年患者。结论 改良式前庭盾不仅对牙有内收作用,对上颌骨的发育也起到一定的抑制作用。     

离体胫骨的有限元分析

应力骨折是士兵、运动员中很常见的骨损伤，被认为是疲劳骨折。首先测量了士兵在齐步、正步、跑步三种步态下承受的地面载荷，然后用有限元方法分析了在这几种步态下胫骨中的应力分布。结果表明：士兵三种步态下脚底的作用力从小到大依次为齐步，正步和跑步(例如，垂直作用力最大幅值分别为76kg，118kg和142kg)。在地面载荷作用下，胫骨中的应力分布是不均匀的。其最大值发生在膝下1／3处．正步和跑步时该处的应力水平分别为110MPa和115MPa。该处正是胫骨骨折临床最常见部位。这些结果给出了胫骨中的应力分布。证明了士兵胫骨应力骨折确是与其中应力水平密切相关的，载荷应力大者正是应力骨折发病率高者。     

冠外精密附着体对基牙及牙周组织影响的三维有限元分析

我们建立了包括下颌骨和切牙、尖牙、前磨牙的双侧游离末端牙列缺失的三维有限元模型,在此基础上又建立了配带精密附着体义齿的模型,考虑基托与缺牙处牙槽嵴间的接触,比较修复前后基牙及其牙周组织、牙列缺失部位牙槽嵴的von Mises应力。结果表明:精密附着体修复后,基牙及基牙根周牙槽骨的von Mises应力值较修复前无论舌侧、颊侧都有了明显增加,应力集中范围增大;牙列缺失部位的应力也有所增加。     

无支架心包二尖瓣的有限元分析

目的　通过无支架心包二尖瓣与有架三叶生物瓣对比，利用有限元法计算，观察在左心室舒张期瞬时跨瓣压差作用下的瓣叶静态应力分布。方法　采用八节点曲线薄壳单元，考虑大应变以及瓣叶闭合过程的接触，应用Newton-Raphson方法求解有限元非线性方程。结果　瓣膜开启状态下两种瓣膜应力水平均不高。在峰值跨瓣压差15.96 kPa作用下，无架心包二尖瓣第一主应力分布均匀，无明显应力集中、平均第一主应力为0.040~0.149 MPa；有架三叶瓣在临床上易发生撕裂的部位明显应力集中，最大第一主应力为2.352 MPa，平均第一主应力为0.223~0.724 MPa，明显高于无架心包二尖瓣。结论　(2)对于几何曲面形状不规则，高度接触的无支架心包二尖瓣，首次采用有限元方法进行应力计算是有效可行的；(2)本研究的有支架心包三叶瓣有限元模型得到的应力分布与临床结果一致；(3)无架心包二尖瓣较有架心包三叶瓣应力分布明显合理，有益于防止瓣叶撕裂和钙化、延长寿命。     

Three-Dimensional Finite Element Analysis of Residual Stress in Arteries

Calculation of residual stress in arteries, using the analytical approach has been quite valuable in our understanding of its critical role in vascular mechanics. Stresses are calculated at the central section of an infinitely long tube by imposing a constant axial stretch while deforming the artery from the stress-free state to its unloaded state. However, segments used to perform opening-angle measurements have finite lengths. Further, the stress-free artery configuration is assumed to be circular. Experiments show that they are slightly noncircular. The numerical approach to residual stress calculation can allow us to study both these issues. Using 3D cylindrical geometries and an isotropic material model, we investigated how segment length can affect residual stress calculations and identified the appropriate segment length for experiments. Further, we recorded and used the true noncircular stress-free state of an artery segment, computed the residual stress distribution, and compared it to that from a similar, but circular segment. Our findings suggest that segment length must be ten times the wall thickness for it to be "long" enough. We also found that the circularity assumption may be a reasonable approximation for typical arteries.     

不同受力方式下上颌第一磨牙牙槽骨应力分布的有限元分析

目的　利用有限元的方法研究上颌第一磨牙在牙齿矫治过程中不同受力方式牙槽骨应力分布的特点。方法　应用三维激光扫描的方法建立上颌第一磨牙、牙周膜、牙槽骨及颊面管的有限元模型,进行不同方式的加载并观察牙槽骨及其各个截面的应力分布。结果　牙齿在单一水平力和垂直力作用下,上颌第一磨牙牙槽骨在牙颈部和根部分叉处出现应力集中;牙齿趋于整体移动时,上颌第一磨牙牙槽骨处于均匀的低应力分布,各应力都小于倾斜移动或旋转移动时的应力,牙槽骨的应力在根分叉平面稍大。结论　不同受力方式下,上颌第一磨牙牙槽骨在牙颈部平面或根分叉平面应力最大,临床上应注意观察这些部位的变化;整体移动更有利于牙齿及牙周组织的健康。     

三维颅骨模型的建立和有限元及实验应力分析的研究

观察颅骨表面的应力分布情况,探索快速建立完整颅骨三维模型并进行有限元分析的方法。取两具新鲜颅骨进行多层螺旋CT扫描,利用专业医学建模软件完成三维重建,并将生成的三维模型导入ANSYS中进行有限元分析。用电测法测试撞击时颅骨表面的应变情况,运用实验应力分析的理论,得到了颅骨表面主应力的大小。为临床提供一定的理论依据。     

不同硬度隐形矫治器关闭中切牙间隙的有限元分析

目的 计算不同硬度隐形矫治器产生的力学效应,为其材料选择和设计提供理论依据。方法 建立中切牙近中移动0.3 mm矫治设计量,弹性模量分别为415.6、816.308、2 400 MPa的3个隐形矫治器有限元模型,用三维非线性分析方法计算矫治器、牙齿、牙周组织的应力应变分布及位移,对不同弹性模量隐形矫治器作用下的上述结果进行比较分析。结果 实验条件下,中切牙所受的应力及位移最大,最大位移量为0.17 mm,其冠方的初始位移大于根方,矫治牙始终做倾斜移动;侧切牙次之且位移与中切牙相反,最大位移量为0.10 mm。材料的弹性模量增大,隐形矫治器产生的应力增大,应变减小,牙周组织所受的应力及矫治牙位移增大。结论 隐形矫治器的硬度越大,目标矫治牙的位移量和矫治效能增大,但对于牙齿三维方向上的移动控制能力并未增强,临床上建议添加附件或是配合固定矫治器达到牙齿的整体移动。