骨盆环三维有限元模型的建立

利用螺旋CT数据通过Mimics 12.0建立具有高度几何相似性的左、右骨盆、骶骨、股骨近端复合体的面模型,利用Abaqus 6.5进行实体建模。根据各单元CT值对有限元模型进行材料属性赋值,再根据解剖部位建立骨盆主要韧带。利用有限元分析软件Abaqus 6.5对S1椎体上终板施加600 N静载荷模拟站立位骨盆受力环境,计算特征部位位移、最大应变及von Mises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。在几何外形近似的情况下,特征材料赋值建模能够提高有限元模型的计算准确性;在有限元计算时应通过更为接近生理状况下的边界及载荷条件进行模拟以提高结果的准确性。     

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。     

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     

正常髋部与佩戴保护支具髋部的有限元对比分析

背景：有限元法因其具有不受样本量限制，实验误差小，重复性好等优点而成为防滑倒生物力学研究的重要手段。 目的：建立正常骨盆以及佩戴护具骨盆的三维有限元模型，分析滑倒过程中骨盆各部位的应力、应变和位移分布，验证护具的有效性。 方法：以中国数字人原始资料应用Abaqus 6.51软件构建正常骨盆以及佩戴护具骨盆的三维有限元模型，固定约束地面刚体，对整个骨盆模型加载2 m/s的速度载荷，程序运算后观测骨盆模型佩戴护具前后的应力、应变及位移随时间的变化规律和分布云图。 结果与结论：与未佩戴护具比较，佩戴护具时滑倒过程中骨盆与地面的接触力、骨盆与地面产生最大接触力时松质骨最大压缩应变、大转子以及股骨颈周围应变最大值、大转子和股骨颈附近的最大von-Mises应力值、大转子和股骨颈处的平均应力值等均明显减小。提示髋部保护支具对大转子具有保护作用，能有效降低人体滑倒时转子间骨折的发生率。     

应用三维有限元分析正常站立位股骨近端结构生物力学特性

背景：目前股骨有限元研究较多,但以往的研究多集中于股骨外部的生物力学方面。 目的：建立股骨近端结构三维有限元模型,对正常站立位下的股骨近端生物力学特性进行分析以指导临床工作。 设计、时间及地点：三维有限元建模及力学分析,于2009-04在天津医科大学总医院骨科生物力学实验室完成实验。 对象：天津医科大学总医院志愿者1名,男性,30岁,应用X射线排除股骨病变及损伤等情况。 方法：在Mimics中直接读取符合Dicom 3.0 标准的股骨近端原始CT数据,经阈值设定、区域增长及形态学操作等生成股骨初始3D模型,后期结合有限元软件ANSYS生成最终的三维有限元网格模型,然后在ANSYS中分别对应用Mimics得到的模型加载200 N的垂直载荷, 观察股骨近端内部应力分布。 主要观察指标：对模型施加200 N垂直载荷,观察股骨近端的Von mises应力分布。 结果：应用Mimics和Ansys软件建立股骨近端有限元模型,观察到股骨近端内部应力分布,验证了结构与功能的对应关系。 结论：应用Mimics可以建立更符合股骨近端机械结构和力学性质的三维有限元模型,据此模型得到的股骨近端力学特性分析结果更为可信,以辅助指导临床应用。 关键词：股骨;有限元模型;生物力学     

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。     

CroweⅣ型髋关节发育不良骨盆有限元模型的构建

背景：骨骼生物力学数字有限元分析方法,因其有限元模型作为虚拟标本可重复使用而不被破坏,可以降低实验成本。 目的：探索一种利用三维有限元软件快速建立骨盆三维有限元模型的方法,并对发育性髋关节脱位患者假髋臼周围的受力情况进行初步分析。 方法：采用发育性髋关节脱位患者的骨盆CT数据,在Mimics 10.0软件中进行三维重建面网格划分,在Ansys10.0软件中进行体网格划分后导入Mimics10.0中赋予材料属性,从而建立发育性髋关节脱位患者的双髋臼半骨盆有限元模型。在Ansys10.0中,模拟患者患侧单下肢站立的情况对假臼关节面施加静力载荷,对该模型进行初步的力学分析及验证。 结果与结论：基于DICOM格式CT数据建立了发育性髋关节脱位患者的双髋臼半骨盆三维有限元模型,模型精确可用,包括147 167个节点,113 898个单元,假臼位置与骶髂关节的关节面相对。患侧单下肢站立的情况下,骨盆应力主要集中在假髋臼和骶髂关节面之间的骨质。利用Mimics及Ansys软件可简单有效地建立骨盆的有限元模型,此建模过程同样适用于人体其他骨骼有限元模型的建立。利用有限元模型可以方便有效的模拟人体骨骼生理及病理状态下的受力情况,对于临床提供参考和指导。     

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。     

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。     

腕保护器抗冲击载荷的有限元分析

背景：人体防滑倒腕部保护支具对手腕部有明显的保护作用。 目的：采用有限元分析验证腕保护器防护腕部骨折的有效性。 方法：以中国力学可视人原始资料为依据，应用Abaqus 6.51软件构建带软组织的正常手腕和佩带腕保护器手腕的三维有限元模型，对整个手腕模型加载2 m/s的速度载荷，经程序运算后对比手腕部三维有限元模型佩带腕保护器前后的应力应变分布云图及腕部尺骨远端掌面最大应力值随时间变化规律图。 结果与结论：与未佩带腕保护器比较，佩带腕保护器后在跌倒过程中小鱼际和腕关节背面的软组织等效应力、腕部桡尺骨下段的等效应力均明显变小，力学结构最薄弱的桡尺骨远端应力变小尤为最明显，而第2~4掌骨、食指近节、钩骨等力学结构相对坚强的短管状骨和不规则骨所受应力明显增大，提示腕保护器可分散、吸收一部分桡尺骨远端应力，转移至腕、掌、指骨上一部分，对保护腕关节尤其是防止桡尺骨远端骨折有积极的作用。     

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。     

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。     

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。     

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。     

腰椎运动节段流固耦合有限元模型的建立与验证*

背景：传统的脊柱生物力学体外实验难以取得椎间盘液体相关的力学性能数据,国外可见多孔弹性有限元模型用于腰椎的固液二相性的研究,然而国内罕见相关报道。 目的：利用ANSYS12.1有限元分析软件,建立腰椎运动节段流固耦合有限元模型,旨在推动有限元分析技术在脊柱生物力学方面的广泛应用。 方法：对1名健康男性志愿者进行L4~5运动节段的螺旋CT扫描成像,利用医学图像处理软件Mimics10.01对其进行预处理,再利用逆向工程软件Geomagic9.0对模型进行NURBS曲面重构,然后导入有限元软件ANSYS12.1重建椎体皮质骨、松质骨、纤维环和髓核等结构,最后通过划分网格、定义材料属性、定义接触、加载求解等操作建立了腰椎运动节段流固耦合三维有限元模型,并将椎间盘高度随时间变化的数据与文献数据进行比较,以验证模型的有效性。 结果与结论：建立了L4~5运动节段的流固耦合有限元模型,模型的总节点数210 718个,总单元数85 973个。将本模型所测得的椎间盘高度数据与文献数据进行比较,结果基本一致。腰椎流固耦合有限元模型更加符合人体的生物力学特点。     

女性盆底肛提肌的有限元分析*★

背景：有限元分析法在骨科生物力学研究领域中已得到广泛的应用，作为与传统实验生物力学互相验证和互为补充的方法，它发挥着其他方法不可替代的作用。目前有限元分析法对人体软组织(如肛提肌)的研究在国内外尚处于初级阶段，但其发展极其迅速。 目的：针对女性盆底肛提肌的有限元分析研究进展作一综述。 方法：由第一作者检索1990/2008 PubMed数据及中国期刊引文数据库中有关盆底功能障碍性疾病与盆底肛提肌有限元及生物力学分析与盆底重建等方面的文献。 结果与结论：通过对女性盆底肛提肌有限元模型的建立及其分析不仅有助于了解盆底功能障碍性疾病的发生机制，而且还能帮助改进医疗器械设计及实施最佳外科手术计划。虽然现在对盆底软组织肌肉的有限元模型建立及分析尚处于初级阶段，但随着计算机硬件的飞速发展及各类有限元应用软件的持续改进，有限元法的应用将越加广泛。 关键词：盆底肛提肌；有限元法；女性；盆底软组织；数字化医学