轴向应力作用下的舟骨有限元分析

目的 快速、准确建立舟骨有限元模型,分析其轴向应力下的力学分布.方法 采用美国GE LightSpeed VCT(64排螺旋CT)对健康志愿者1例(男性,24岁,无腕部疾病史)扫描获取CT扫描图像,将12具尸体标本与Instron Model 1011型力学试验机相连接,扫描压敏图像,得到腕关节的受力面积和应力分布,通过CT扫描图像数据对腕部进行三维有限元建模,计算并分析舟骨受轴向压力作用下正常腕部载荷传递及接触应力的分布.将此实验数据及以往文献数据与有限元模型的数据进行对比以验证有限元模型的精确性.结果 本模型构架了包括桡骨以及近端掌骨的腕部整体三维有限元模型,共有节点73 588个,单元39 7344个;桡舟关节面受力面积约为153.35 mm2,应力大小约为54.28 MPa,最大应力约为2.72 MPa,桡舟关节面受力面积约为90.00 mm2,受力大小约为45.72 MPa,最大应力约为3.45 MPa,舟骨载荷传递及关节接触应力分布情况与实验数据相接近.结论 所建模型结构完整,空间结构准确,轴向压力作用下加载模拟形象、逼真,客观反映舟骨三维解剖形态结构和生物力学特点,本模型可以较好地模拟舟骨以及腕关节载荷传递与接触应力的分布情况.     

儿童肱骨远端有限元模型的建立及力学分析

目的建立儿童肱骨远端有限元模型,并模拟肱骨轴向受力状态下应力分布,为肱骨的生物力学研究提供数值分析模型。方法通过CT扫描正常儿童右侧肱骨,获得连续断层图片,导入mimics13.1医学建模软件进行网格划分、材料属性赋值,生成有限元模型,应用有限元分析软件ANSYS10.0,约束边界条件,模拟肱骨轴向受力状态进行加载,得出肱骨远端有限元模型上的应力分布。结果建立的肱骨远端有限元模型节点共50364个、四面体单元29951个。肱骨在轴向载荷状态下应力集中主要位于髁上区,且尺侧应力集中现象较桡侧明显。结论应力分析结果解释了肱骨骨折好发于髁上区的原因,髁上区尺侧骨质的高应力是肱骨髁上骨折致肘内翻的基本生物力学因素。     

胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折三维有限元模型的建立和应力分析

目的 建立脊柱胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折及邻近节段的有限元模型,并对模型进行初步的生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对患者的CT图片进行预处理,后导入大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.建立了胸10-腰2四个运动单元的三维模型,并且准确模拟了椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.通过设置0.3、1.0、4.0 Mpa 3种轴向载荷进行力学分析,观察力学改变情况.结果 当轴向压力以0.3、1.0、4.0MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加.椎间盘所受应力分布不均;各椎体前部所受应力最大,而后部结构所受应力较小,椎体局部出现受力较大情况,尤以相邻椎体更为明显.结论 本研究的有限元模型符合胸腰段骨质疏松性椎体骨折的临床特点,模拟了其生物力学特性.     

上颌前磨牙区种植单端桥三维有限元模型的建立

目的 通过建立上颌前磨牙区种植单端桥三维有限元模型,为研究其相关的生物力学分析奠定基础。方法 通过螺旋CT薄层扫描获取图像数据,导入Mimics软件初步处理,经Geomagic软件精修,由Solidworks软件装配各模块,应用有限元软件Ansys划分网格、赋予组织材料属性,建立适合生物力学分析的上颌前磨牙区种植单端桥三维有限元模型。结果 通过三维有限元技术建立了一个能反应上颌前磨牙区种植单端桥生物力学性能的有限元模型用于力学分析与研究。结论 本研究为构建上颌前磨牙区种植单端桥有限元模型提供了一个切实可行的方法,同时为进一步分析种植单端桥修复前后不同部位加载时种植体＿骨界面的应力大小及分布规律提供了模型基础。     

基于MRI的人体指骨间关节三维有限元模型的建立及生物力学分析

目的 利用人指骨间关节的磁共振成像(MRI)数据,建立正常人指骨间关节三维非线性有限元模型,并对指骨间关节的生物力学变化进行初步探讨.方法 利用MRI对健康男性左手扫描,分别得到横切面与纵切面的层厚为1.5mm的不间断连续横断位与矢状位MRI图像.将图像导出并刻录存盘为DICOM格式文件.并利用Mimics 10.0软件,建立基于MRI图像数据的指骨间关节三维模型.然后使用Geomxgic Studio 8软件对模型进一步处理,包括光顺与打磨,存成IGES格式的三维几何模型.最后将模型导入ANSYS11.0软件进行网格划分和力学分析.结果 本文基于医学图像建立了与解剖结构非常接近的手指骨间关节三维有限元模型,分析了指骨间关节的受力情况,并对各种数据进行初步研究,为进一步指骨间关节的研究奠定基础.结论 ①根据MRl图像数据建立的三维模型,比CT扫描数据建立的模型更接近于真实解剖结构;②根据MRI图像建立的三维有限元模型为静力模型,能很好地分析指骨间关节的应力情况;③为进一步进行指骨间关节生物力学分析提供了方法 与平台.     

基于MRI的人体指骨间关节三维有限元模型的建立及生物力学分析

目的利用人指骨间关节的磁共振成像（MRI）数据,建立正常人指骨间关节三维非线性有限元模型,并对指骨间关节的生物力学变化进行初步探讨。方法利用MRI对健康男性左手扫描,分别得到横切面与纵切面的层厚为1.5mm的不间断连续横断位与矢状位MRI图像。将图像导出并刻录存盘为DICOM格式文件。并利用Mimics10.0软件,建立基于MRI图像数据的指骨间关节三维模型。然后使用Geomagic Studio8软件对模型进一步处理,包括光顺与打磨,存成IGES格式的三维几何模型。最后将模型导入ANSYS11.0软件进行网格划分和力学分析。结果本文基于医学图像建立了与解剖结构非常接近的手指骨间关节三维有限元模型,分析了指骨间关节的受力情况,并对各种数据进行初步研究,为进一步指骨间关节的研究奠定基础。结论①根据MRI图像数据建立的三维模型,比CT扫描数据建立的模型更接近于真实解剖结构;②根据MRI图像建立的三维有限元模型为静力模型,能很好地分析指骨间关节的应力情况;③为进一步进行指骨间关节生物力学分析提供了方法与平台。     

下腰椎的三维有限元分析

目的为研究下腰椎活动提供三维有限元力学模型。方法选取成年男性的下腰椎典型CT影像,建立几何模型后利用有限元划分和分析软件建立有限元模型,设定边界条件并加载负荷,记录下腰椎在前屈、后伸、侧屈和轴向旋转等不同工况下的运动范围和应力分布。结果建立的下腰椎三维有限元模型中4面体单元总数为114953。模型在各工况下的运动范围与体外生物力学试验所测定的结果比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论建立的下腰椎三维有限元模型能够模拟下腰椎的生理活动,可用于进一步的研究。     

下腰椎的三维有限元分析

目的 为研究下腰椎活动提供三维有限元力学模型. 方法 选取成年男性的下腰椎典型CT影像,建立几何模型后利用有限元划分和分析软件建立有限元模型,设定边界条件并加载负荷,记录下腰椎在前屈、后伸、侧屈和轴向旋转等不同工况下的运动范围和应力分布. 结果 建立的下腰椎三维有限元模型中4面体单元总数为114 953.模型在各工况下的运动范围与体外生物力学试验所测定的结果比较,差异无统计学意义(P>0.05). 结论 建立的下腰椎三维有限元模型能够模拟下腰椎的生理活动,可用于进一步的研究.     

新型外固定支架系统-胫骨骨折模型的建立与三维有限元分析

目的建立新型外固定支架系统在胫骨骨折模型上的有限元模型,分析评价有限元模型建立的可行性及力学分布特点,为进一步的材料结构优化及临床应用提供理论支持。方法利用Mimics17.0 软件将新鲜尸体的胫骨CT 数据导入并建立胫骨模型,用Hypermesh 对模型进行网格划分并导入有限元分析软件ABAQUS6.13,施加轴向载荷后观察Von-Mises 应力分布和骨折断端位移情况,通过与生物力学结果对比评价其生物力学特点。结果成功创建了装配体有限元模型,生成548 101 个体单元,节点548 101 个。最大轴向载荷下骨折断端最大位移为1.16 mm,最大Von mises 应力分布点为骨针接触面。结论有限元模型的建立及分析方法能较好地反映该新型外固定支架胫骨骨折系统的生物力学分布情况,可为进一步临床应用提供理论基础。     

腰椎三维有限元模型建立和应力分析

目的 建立完整的腰椎三维有限元模型,并对腰3-4运动节段的进行了有效性验证和生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对CT图片进行预处理,后导人大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.分别建立了腰1-腰5各椎体及其椎间盘有限元实体,后组合成整体的腰椎和腰3-4有限元模型,并且还准确的模拟了腰椎的椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.验证了模型的收敛性,并针对腰34运动单元设置了0.3、0.5、1.0、2.0、4.0 mPa 5种载荷进行生物力学分析.结果 在轴向压力作用下,椎间盘纤维环后部存在着明显的应力集中,并向后外侧传导.最大压应力的部位在髓核和软骨终板的中央,椎弓根是椎体多种应力集中的部位.轴向压力增加,应力成比例增大.结论 本研究的有限元模型精确度高,结论符合腰椎的临床特点,较好的模拟了腰椎的生物力学特性.     

胸腰段三维有限元模型的建立

目的：研究建立胸腰段活动节段三维有限元的模型.方法：选取一具正常人体T10～S1节段标本为研究对象,通过CT扫描获取脊柱的二维图像,然后进行三维重建,转化为有限元几何模型.通过有限元方法,将脊柱几何模型网格化转变为T10～L3活动节段有限元模型,然后应用ANSYS6.0软件对模型在轴向载荷状态下进行应力分析.结果：建立T10～L3活动节段的有限元模型,并分析了轴向载荷下T12～L1节段不同组成部分的应力分布.结论：为胸腰段活动节段三维有限元模型的建立提供了一种简便、精确的方法,为分析和研究该模型在各种情况下的生物力学表现创造了条件.     

人体髋关节三维有限元模型的建立及其生物力学意义

目的:构建正常人体髋关节的三维有限元模型,作为该部位进一步有限元分析的基础.方法:采用活体髋关节为标本,应用CT扫描技术及图形数字化方法获取髋关节的三维坐标,输入有限元分析软件,并通过确定材料特性参数和网格化,建立髋关节的三维有限元模型.结果:所构建髋关节三维有限元模型客观反映髋关节真实解剖形态及其生物力学行为,还原性良好,可以满足有限元分析的需要.结论:采用CT扫描资料建立的三维有限元模型切实可靠,实体建模法将有限元模型的几何特征和边界条件的定义与有限元网格的生成分开进行,减少了模型生成的困难.所构建的髋关节三维有限元模型,可以为髋关节力学行为以及骨折内固定、髋关节成型术的力学基础研究提供精确模型.     

锁骨三维有限元模型的建立及生物力学分析

目的:建立正常锁骨有限元模型,并模拟锁骨轴向受力状态下应力分布及应变特征,为锁骨的生物力学研究提供数值分析模型.方法:通过CT扫面正常成年男性右侧锁骨,获得连续断层图片,导入Simpleware医学建模软件生成实体模型后,应用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,模拟锁骨轴向受力状态进行加载,得出锁骨有限元模型上的应力分布与应变结果.结果:建立的锁骨有限元模型节点共62 182个、四面体单元40 878个.锁骨在轴向载荷状态下应力集中主要位干锁骨干中1/3区域,且下表面应力集中现象较上表面明显.结论:应力分析结果解释了锁骨骨折好发于中1/3的原因,并且发现主要应力集中于下表面,锁骨产生断裂的弯矩位于冠状面,提示临床内固定治疗锁骨中段骨折时,钢板放置于上表面能有效抵抗产生的弯矩,避免内固定失败.有限元分析法可较好分析锁骨的生物力学特点.     

成人肘关节及前臂三维有限元模型的建立

目的建立成人肘关节及前臂三维有限元模型,为进一步进行生物力学研究打下基础。方法拍摄健康成人肘关节至腕关节薄层CT图像,将其导入Mimics、Hypermesh软件中建立肘关节及前臂三维有限元模型,用模型进行负荷加载实验并在LS—DYNA中运算,将结果与以往的实验数据进行对比验证模型的有效性。结果建立的肘关节及前臂三维有限元模型与实体解剖标本相似度高,通过模型有效性的验证能准确反映肘关节及前臂的生物力学特性。结论使用有限元法建立肘关节及前臂三维有限元模型进行生物力学研究是可行的。     

利用CT扫描及CAD技术建立第3～7颈椎三维有限元模型

目的：探讨3～7颈椎有限元模型的建立,以期应用于临床实验研究。方法：通过CT扫描、Unigraphics V18．0软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用CAD数据处理技术,输入相关的材料特性,构建3～7颈椎三维有限元模型。并通过有限元分析验证重建模型的有效性。结果：采用Unigraphics V18．0软件建立3～7颈椎的实体模型并划分单元,并分析了生理载荷下3～7颈椎不同组成部分的应力分布。结论：为颈椎有限元模型的建立提供了一种简便、准确的方法,为分析和研究各种情况下生物力学表现创造了条件。     

椎体后凸成形术后骨水泥椎间盘渗漏对邻近节段力学影响的有限元分析

目的 探索椎体后凸成形术(PKP)术后骨水泥椎间盘渗漏对相邻椎体的力学影响,探讨相邻椎体继发骨折的病因.方法 利用MIMICS软件用有限元方法对1例T12压缩骨折PKP术后出现椎间盘骨水泥渗漏的患者手术前后CT图片进行预处理,后导入ABAQUS软件中建立T10-L2的三维有限元模型,设置0.3、1.0、4.0 Mpa 3种轴向载荷进行生物力学分析,观察不同载荷下模型整体及各部分的Von Mises应力,重点评价骨水泥椎间盘渗漏对骨折相邻椎体的力学影响.结果 成功建立了PKP术后骨水泥椎间盘渗漏的手术前后三维有限元模型,当轴向压力以0.3、1.0、4.0 MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加.PKP术后脊柱胸腰段各部位的应力开始重新分布,增强椎体(T12)的上、下终板应力增强区域范围增加;相邻椎间盘(T11-12、T12-L1)及相邻终板(T11下终板、L1上终板)的应力增强区域增加;T12相邻椎体(T11、L1)所受最大应力显著增加,但是远端椎体(T10、L2)的最大应力明显减少.结论 PKP术后骨水泥椎间盘渗漏引起上下相邻椎体继发骨折的并发症可能和生物力学行为的改变密切相关.

Abstract：

Objective To explore the biomechanical effects on adjacent vertebra of thoracolumbar osteoporotic vertebral compression fracture (OVCF) after percutaneous kyphoplasty (PKP) with cement leakage into the disc by using finite element analysis. Methods T10-L2 segment data were obtained from computed tomography (CT) scans of an elder female with single T12 OVCF undergoing a cement leakage into the T1 2-L1 disc after PKP. A three-dimensional finite element Model of thoracolumbar spine (T10-L2)was built in the Mimics and the ABAQUS software. The stress on annulus fiber, nucleus pulposus, endplate and facet joints under axial pressure (0. 3, 1.0, 4. 0 MPa) were analyzed. Results The 3D finite element after percutancous kyphoplasty (PKP) with cement leakage into the disc may be strongly related with the changes of biomechanical effects on adjacent vertebras of thoracolumbar OVCF. Models of thoracolumbar OVCF before and after PVP with a cement leakage into the T12-L1 disc were successfully established. The stresses increased with a rising axial pressure in the model of cement leakage into the disc after PVP, the stress augmentation scope on adjacent end plates ( T11 low plate & L1 top plate) and intervertebral disc (T11-12 & T12-L1 ) increased. The maximal Von Mises stress on adjacent vertebras (T11 & L1 ) increased while but the maximal Von Mises stress on end vertebras (T10 & L2) decreased. Conclusion Postoperative adjacent vertebral fracture.     

人体全骨盆三维有限元模型的建立与验证

目的建立人体全骨盆的三维有限元模型,提供骨盆生物力学研究的数学模型。方法获取正常成年男性全骨盆包括相邻自第3腰椎、股骨上端1／3处的CT扫描图像,运用ANSYS有限元分析系统,采用直接从原始图片生成单元和节点的方法构建人体全骨盆的三维有限元模型。结果建立了正常人体全骨盆并包含第3腰椎和股骨上1／3段的三维有限元模型,模型由721820单元,207248节点构成。结论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。