建立足部三维有限元数字模型

背景：克服传统标本力学分析的不利因素,建立逼真的足部各结构有限元模型,是对足部进行有限元力学分析的重要基础。 目的：建立足部的三维有限元数字模型,为正常足部及足部损伤情况下的有限元力学分析打基础。 方法：对1名健康女性志愿者行双足螺旋CT扫描,将所得图像在Mimics软件中重建三维模型,在Geomagic软件中生成实体模型,最后在Ansys中建立足主要结构的三维有限元数字模型。 结果与结论：实验建立了包括全部骨骼、主要软骨和韧带、皮肤及软组织在内的人足有限元数字模型。利用CT数据及Mimics、Geomagic、Ansys软件可以建立人足全部足骨的三维有限元数字模型,该模型与实际骨骼模型大小、形态一致,并且可以随意旋转,任意角度观看,进行各种测量,可将足部骨骼任意拆分或合并,适合进行生物力学分析。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植;肝移植;移植;心脏移植;组织移植;皮肤移植;皮瓣移植;血管移植;器官移植;组织工程全文链接：     

基于有限元模型的踝关节生物力学分析*

背景：有限元力学分析在生物力学领域广泛应用。 目的：采用大型有限元软件ANSYS对踝关节三维有限元数字模型进行生物力学分析,探讨踝关节各组成骨的应力分布规律及其发生形变、位移情况。 方法：把经MIMICS、Geomagic和ANSYS处理后生成的踝关节三维数字模型导入软件ANSYS中,经过约束条件、施加载荷、求解试算等阶段,对其各组成骨进行有限元分析。 结果与结论：①静止直立位时,踝关节各组成骨最大应力区集中在内踝与距骨相关节处、胫骨远端关节面髁间线前部、胫骨中下段前缘皮质区及距骨滑车外侧部;最小应力区集中在外踝、胫骨远端内侧皮质区、距骨头、距骨颈;最大位移发生在距骨头,位移自下而上逐步减小;最小位移发生在胫骨、腓骨中下段1/3处。②高空坠落时,最大应力区集中在胫骨中下段前缘皮质区、距骨滑车前外侧、内踝内侧皮质区以及胫骨远端关节面髁间线前部。其中胫骨中下段应力集中区随着压力的增加,稍向内侧移位。距骨滑车外侧部最大应力集中区位置无明显变化,范围逐渐加大。最小应力区集中在外踝、胫骨远端关节面外侧部、距骨头、内踝的外侧皮质;随着压力不断加大,内踝外侧皮质的小应力蓝色区域范围逐渐减小;外踝逐渐出现应力稍大的淡蓝色区域,提示所受应力加大。最大位移发生的部位自距骨头向上,经距骨颈、胫距关节面到胫腓骨中下段逐渐减小,到胫腓骨中下段时减到最小。     

踝关节内翻的有限元力学分析

背景：近年来,骨科生物力学领域的研究不断成熟和发展,研究方法多采用有限元分析软件。作者检索文献发现国内外学者对于踝关节的研究也日益增多,但是所见研究均为静态状态,而且对于非中立位相踝关节损伤的研究鲜有报道。 目的：对已建立的踝关节数字模型进行有限元力学分析,观察踝关节在不同内翻角度时,其组成骨在不同空间维度上的位移、剪切力变化及应力变化规律,探讨内翻时踝关节的损伤机制。 方法：经Mimics、Geomagic和Ansys处理后,生成的踝关节三维数字模型导入软件Ansys中,经过约束条件、施加载荷、求解试算等阶段,对不同内翻角度时的踝关节各组成骨进行有限元分析。 结果与结论：实验模拟了踝关节内翻角度在10°,15°,20°,25°,30°,45°,60°,70°,80°,85°的10种不同工况,分别对踝关节进行有限元力学分析,得到其各组成骨在不同空间维度上发生的位移、剪切力和应力分布情况。分析数据,发现其所发生位移、所受应力及剪切力均随着内翻角度的增加不断增加,最大应力分布区即外踝、距骨滑车髁间线外侧部,为临床上最常见发生骨折的部位。随着内翻角度的增加,距骨x轴上发生的位移增加,从而影响整个踝关节的应力分布。     

腓骨支撑踝关节融合的三维有限元分析*☆

背景：利用有限元法进行模拟实验具有实验时间短、费用低、可模拟复杂边界条件、力学性能测试全面和可重复性好等优点。 目的：通过建立腓骨支撑固定融合踝关节三维有限元模型,分析其生物力学稳定性及安全性,并进一步探讨其生物力学特性。 方法：基于正常人体足踝部的三维CT断层数据集,重建踝关节几何形态,应用Abaqus6.9软件模拟踝关节4种活动模式(中立位、背屈位、内旋位和外旋位)时的受力状况,进行静力学有限元分析。 结果与结论：成功建立了腓骨支撑固定踝关节融合三维有限元模型,具有良好的几何相似性;在4种载荷下,背屈位引起的螺钉应力峰值最大,应力分布主要集中在螺钉的融合面水平,同时融合面发生的位移最大;而4枚螺钉中,胫骨后外侧螺钉应力最大;外侧支撑腓骨的应力主要集中在钉孔周围及上下钉孔之间的腓骨体部。说明踝关节行腓骨支撑固定融合时,应注意合理放置2枚交叉螺钉,避免应力过分集中,而内固定后应加强抗背屈方向的制动;在处理外侧支撑腓骨时,螺钉钉孔应避免靠近腓骨边缘且上下钉距不宜过大,可有效降低内固定失效的风险。 关键词：腓骨;踝关节;螺钉;融合;有限元;生物力学 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.13.004     

踝关节三维有限元生物力学研究的临床转化

背景：踝关节是人体的负重、足部压力的缓冲和人体与地面接触的枢纽,极易受到损伤;骨科生物力学领域的研究不断成熟和发展,利用三维有限元软件建模分析踝关节生物力学并研究临床疾病逐渐成为研究热点。 目的：探讨踝关节三维有限元生物力学的研究现状,并对其临床研究进展作一综述。 方法：应用计算机检索CNKI期刊全文数据库和PubMed数据库中1986年1月至2014年3月关于踝关节有限元的文章,以“踝关节、有限元、生物力学、力学研究”或“ankle, finite element, biomechanics, mechanics research”为检索词进行检索;排除与研究目的无关和内容重复的文献;保留47篇文献进行综述。 结果与结论：踝关节生物力学机制复杂,各种损伤后都可能打破其周围结构的力学平衡而导致不稳定,诱发创伤性关节炎。踝关节三维有限元模型可准确反映解剖学结构特点、虚拟仿真可以再现手术方式及过程逼真的模拟,模拟压缩、拉伸、弯曲、扭转、抗疲劳等力学实验,并从静态的生物力学转向动态的方向研究,为分析临床疾病进而找到更合适的诊治方案。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

STAR人工踝关节置换术后数字模型的建立和运动仿真

目的　探讨STAR人工踝关节置换术后运动仿真的方法。 方法　应用Mimics 10.01、Geomgic studio 10.0、PRO/E 2.0软件模拟建立STAR人工踝关节置换术后数字模型,并利用PRO/E 4.0软件的机构设计和动画功能建立运动仿真。 结果　成功建立STAR人工踝关节置换术后数字模型屈伸、内收外展、内外翻运动仿真视频,形象了解术后STAR人工踝关节屈伸、内收外展、内外翻运动情况,直观了解STAR人工踝关节置换术后各方向运动理论活动度。 结论　建立STAR人工踝关节置换术后运动仿真有助于从人工关节术后理论活动度来预防手术的失败,提高手术的准确度。     

踝关节内侧韧带损伤肌腱重建的三维有限元分析

背景：踝关节内侧三角韧带损伤的重建方法很多,但是目前还没有研究对这些方法进行对比。 目的：三维有限元法对比Wiltberger、Deland、Kitaoka和Hintermann 4种修复方法重建踝关节内侧韧带损伤肌腱后的效果。 方法：建立踝关节三维有限元模型,模型中包括踝周的6块骨性结构、软骨和主要韧带。对模型进行验证试验后,在其基础上建立三角韧带损伤、Wiltberger、Deland、Kitaoka和Hintermann重建模型。在踝关节不同屈曲角度上对模型施加外翻及外旋应力,比较重建后的踝关节生物力学。 结果与结论：4种重建方法均不能使踝关节生物力学完全恢复正常,其中Kitaoka法在恢复踝关节外旋稳定性上最有效,Deland法在恢复踝关节外翻稳定性上最有效。提示4种内侧韧带肌腱重建术式中,Kitaoka和Deland法较其他方法能够相对有效的恢复踝关节旋转稳定性。     

基于三维有限元模型分析成年人后踝骨折对踝关节的生物力学影响

目的 利用三维有限元模型分析探讨成年人后踝骨折对踝关节的生物力学影响。方法 采用1例健康成年男性的踝关节CT扫描数据构建踝骨实体模型并导入Ansys 10.0有限元分析软件,建立踝关节三维有限元模型,并对模型的有效性进行验证。设定站立状态下踝关节载荷和条件,模拟后踝1/5、1/4、1/3、1/2范围骨折对比不同程度后踝骨折状态胫距关节软骨接触面积、最大米塞斯应力、最大接触应力和平均接触应力等参数。模拟腓骨外移、短缩、内旋和外旋状态,对比不同状态胫距关节接触应力峰值。结果 骨折范围增加后,胫骨软骨接触面积不断缩小,最大米塞斯应力及胫骨软骨最大接触应力和平均接触应力均不断增加。骨折范围> 1/3时,胫距关节接触面积显著缩小,关节位移显著增加。腓骨外旋、内旋、外移、短缩产生的胫距关节最大接触应力峰值变化差异分别为17.6%、17.7%、45.3%和10.3%。结论 三维有限元技术建立踝关节模型仿真度较高,当后踝骨折范围超过1/3时,会影响胫距关节的接触状态。骨折范围增加关节接触面积减小,接触应力增加,关节相对位移趋势增加,容易引起胫距关节软骨的退行性变,而不同腓骨移位状态会影响胫距关节...     

跟骨内翻畸形对踝关节应力变化三维有限元分析

目的通过踝关节三维有限元模型的建立,模拟正常负重应力状态下随着跟骨内翻角度的增大,对踝关节的损伤模式的变化。方法取一名28岁男性志愿者,基于踝关节CT的数据建立包括骨骼、软组织和关节囊,考虑材料的非线性和关节接触的踝关节的三维有限元模型。采用统一的模型和方法,志愿者人体重量为60 kg,单腿站立,总加力600 N,垂直朝下,跟踪跟骨内翻角度从4~°、8~°、11~°、14~°的变化共四种情况力学表征形式,关注对踝关节应力分布的影响进行对比分析。应用有限元分析软件(Abaqus6 v6.14,DS System公司,法国)。结果踝关节应力集中区域在内踝与对应距骨关节面的凹陷区域,其次是外侧。距骨应力集中区域在距骨顶与内踝接触位置的区域,其次是外侧。我们发现4种情况下分析结果显示趋势一致,符合线性力学分析基本规律。结论跟骨内翻畸形负重应力集中固定在内踝、距骨接触位置,随着跟骨内翻畸形角度的增大,局部所承载的应力负荷增大,成正相关。跟骨手术治疗时跟骨内翻角变异应控制在患者跟骨生理内翻角+2°内。     

脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立

背景：建立逼真的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,关于骨质疏松有限元模型的报道尚少。 目的：建立脊柱腰段各主要结构及骨质疏松腰椎的有限元数字模型,为正常脊柱腰段及骨质疏松患者腰椎的有限元力学分析打下基础。 方法：对1名健康男性志愿者行脊柱腰段的螺旋CT扫描,将所得图像先在Mimics中进行分隔和重建,在Geomagic中进行优化,在Ansys中赋材质及网格划分,建立三维有限元数字模型。 结果与结论：建立了包括全部腰椎、椎间盘及主要韧带的正常腰椎及骨质疏松腰椎三维有限元数字模型。该模型外形逼真,几何相似性好,可以随意旋转,方便从多角度观察、采集三维信息,各主要结构材料属性接近实际,适合进行生物力学研究。提示利用CT数据及mimics、geomagic、Ansys软件可以建立脊柱腰段正常及骨质疏松有限元数字模型。     

颈椎三维有限元模型的建立

目的 建立颈椎（C2～ C7）三维有限元模型。方法 根据1名既往无颈椎病史健康成年男性志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像,采用Mimics1 3.1、SolidWorks2012软件进行三维重建和造型,利用ANSYS14.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性,建立颈椎（C2 ～C7）三维有限元模型。结果 本研究成功建立了6个椎体运动节段的三维有限元模型,模型高度模拟颈椎结构与材料特性,单元划分精细。在建立的模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动,所获得的理论分析结果与参考文献的报道一致。结论 建立的颈椎三维有限元模型可进行颈椎生物力学研究。     

Hangman骨折相关三维有限元模型的建立和验证

背景：目前有关上颈椎多节段有限元模型的相关文献很少,尚无建立Hangman骨折有限元模型的报道。 目的：建立C2~4节段正常颈椎及不同程度Hangman骨折的三维有限元模型,并对各模型进行模拟及加载验证。 方法：选择一健康成年男性志愿者进行C2~4节段CT扫描,以CT扫描图像为基础,在计算机工作站利用ANSYS等有限元分析软件,建立C2~4节段颈椎三维有限元模型,模型包括椎体和椎弓、椎间盘、韧带成分,在此模型基础上逐步模拟切断双侧C2椎弓峡部、切除C2~3前纵韧带和部分椎间盘的Hangman骨折模型,分别计算正常颈椎、不同Hangman骨折模型在模拟施加50 N载荷下,C2~3,C3~4节段三维六自由度的角位移(ROM)。 结果与结论：C2~3节段Hangman骨折加韧带椎间盘切除模型在各个方向上均较正常和固定模型ROM增大,在屈伸运动时增大最明显,而在旋转和侧屈时与正常标本相差不多。C3~4节段各组间的ROM相差不超过0.16°。各种三维有限元模型的位移和应力验证结果与实验生物力学结果基本相符,提示建立的三维有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验。     

传动直丝弓矫治器三维有限元模型的建立

背景：随着现代矫治技术的发展, 发明一种高效的矫治器,一直是正畸学者们的研究热点。传动直丝弓矫治器就是在这种大环境下应运而生,能快速打开咬合和缩短疗程,但前对主弓丝后段宽度与后倾弯角度之间的关系的研究均不深入。 目的：建立生物相似性和力学相似性较高的传动直丝弓矫治器的三维有限元模型,获得弓丝后段宽度和后倾弯大小之间的关系。 方法：使用64排螺旋CT扫描,得到1例安氏Ⅱ类1分类的志愿者上颌牙列、上颌骨截面的DICOM格式的影像数据。采用Ansys workbench 13.0软件、Mimics 10.01软件、Unigraphics NX 6.0软件、GeomagicStudio 8.0 软件相结合的方法,在Windows XP Service Pack 3系统中建立包括传动直丝弓矫治器、带环、澳丝、上颌骨、上颌牙齿及牙周膜的三维有限元模型。 结果与结论：实验建立了由250 929个单元数,657 766个节点组成的传动直丝弓矫治器的三维有限元模型,不仅具有高度的几何相似性和力学相似性,具有依据研究需要添加或删减组件,利于分析传动直丝弓矫治力学体系并指导临床应用和矫治器改良。     

碳化硅-碳复合材料用于小关节假体：生物力学研究及三维有限元分析

BACKGROUND: Silicon carbide-carbon (C/C-SiC) composite materials are widely used, but no relevant experimental studies on medical prosthesis materials have been reported.     

国人头颅三维有限元模型有效性检验

目的检验国人头颅三维有限元模型有效性。方法依据Nahum头颅冲击尸体实验参数，对有限元模型加载额部冲击载荷，载荷位于正中矢状面上，由前向后，呈正弦波形，峰值6．8kN，时程15ms。计算分析头颅结构的力学响应。分析不同部位结构的应力改变。由应力值计算颅内压，对模拟计算结果与尸体实验测定结果进行比较。结果头颅不同结构的应力改变不同，由额、顶及枕部硬膜节点主应力计算出的颅内压时间曲线与尸体实验测定的颅内压曲线吻合。结论由硬脑膜节点应力计算所得的颅内压与尸体实验测定值吻合。该头颅三维有限元模型可用于头颅冲击的模拟计算，模型有效。     

有限元数字化膝关节模型构建的研究与应用

背景：膝关节的解剖结构和力学特征决定它的生物力学特性,应用有限元分析方法对膝关节生物力学机制及损伤机制进行研究,可以有效地指导预防和治疗膝关节疾患。 目的：评价有限元数字化膝关节模型构建的研究和应用价值。 方法：以“CT,MRI,膝关节,有限元,模型构建”为关键词,采用计算机检索2005年1月至2011年11月维普数据库和万方数据库相关文章。纳入与膝关节模型构建及应用相关的文章;排除重复研究或Meta分析类文章。以9篇文献为重点讨论CT、MRI和有限元模型构建在膝关节中的研究和应用。 结果与结论：CT、MRI所采集到的DICM图像在有限元模型构建中各具优缺点,有限元模型合理应用,能够为膝关节的手术提供更全面、更可靠的影像学资料,临床医师可根据模型进行手术方案设计,模拟手术流程,显著降低了手术风险,减少了患者的痛苦。