个性化踝关节假体的设计及三维有限元分析

目的针对当前踝关节假体失效率高、临床应用风险大的问题,提出一种个性化解剖型踝关节假体的设计。方法首先建立正常人体足踝系统的三维有限元非线性模型,对模型的有效性进行验证;设计解剖型踝关节假体,对全踝关节假体置换进行几何仿真,建立假体-足踝系统的三维有限元模型;施加步态载荷,计算分析假体的生物力学特性。结果正常踝关节系统足底最大接触应力为214.6 k Pa,足骨最大等效应力为8.96 MPa。对比文献与仿真所得足底反力与足骨应力,验证了正常足踝有限元模型的可靠性。假体植入后,仿真所得距骨钛合金假体、聚乙烯衬垫、胫骨假体等效应力峰值分别为23.88、19.24、73.01 MPa,足踝假体应力相较正常足踝应力有大幅度上升。结论有限元分析的对比结果考察了个性化踝关节假体的可行性,为进一步假体设计优化以及临床应用提供参考。     

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Abaqus6.7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3.5MPa,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273.0MPa,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。     

侧向冲击载荷作用下髋护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响

目的利用三维有限元法研究髋部护具对人体股骨-骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下生物力学响应的影响。方法基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织,并在此基础上建立髋部护具和股骨-骨盆-软组织复合体系统的三维有限元模型;同时,在两个模型中构建刚体平面仿真地面。约束地面刚体,对两个模型均施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms。通过三维有限元分析计算获得两模型受侧向冲击载荷过程中应力、应变变化特性,对比分析髋部护具对股骨-骨盆复合体生物力学响应的影响。结果髋部护具使股骨-骨盆复合体在侧向冲击载荷作用下的应力峰值出现时间提前4 ms以上,且应力应变水平出现大幅度降低;皮质骨上的应力峰值降低67.88%以上,松质骨上的峰值应力下降69.34%以上,松质骨上的压缩主应变峰值降低可达63%。结论在侧向冲击载荷作用下,髋部护具对股骨-骨盆复合体具有良好的保护作用,能够有效预防骨折的发生或降低骨折风险。     

人体左心室三维有限元模型构建及流-固耦合动力学分析

有限元分析是研究心血管动力学问题的重要手段。本文基于中国数字人体心脏断层解剖图像,采用Visu-al C++可视化工具包对心脏外形及内腔结构进行三维重建,进一步基于结构模型构建了左心室、血液耦合有限元模型。在通用有限元分析软件ANSYS环境下使用双向流-固耦合方法对心脏灌注期心室壁受力与血液流动过程进行了动力学仿真。仿真结果成功实现了对心脏灌注期心室两阶段充盈过程中室壁应力与血液流体动态特性的定量分析。本研究提供了一种基于二维医学图像信息构建心室有限元模型,并进行心室血液流体力学模拟的新方法,为心脏生理及病理过程的定量有限元分析提供了一套可行的技术方案。     

组配式人工半骨盆假体置换后骨盆站立位生物力学有限元分析

背景：目前关于骨盆生物力学有限元分析主要是针对正常和外伤后的骨盆,缺乏对Enneking Ⅱ区的恶性肿瘤切除、组配式人工半骨盆假体重建骨盆环缺损后骨盆生物力学模型进行三维有限元分析。 目的：观察正常骨盆及半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后患者站立体位下应力分布。 方法：采用CT薄层扫描采集1例半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后17个月患者的骨盆原始数字影像和通信标准数据,将数据导入Mimics 8.1软件建立三维实体模型,再将实体模型导入Abaqus 6.7-1分析软件,分别以正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后的骨盆,建立三维有限元模型,并分别对双脚站立、患侧单脚站立两种静力状态下进行生物力学加载并对结果进行分析。 结果与结论：在正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后骨盆2种有限元模型中,不同站立体位相同载荷下健侧骨盆应力值接近;患侧组配式半骨盆假体不同站立体位时应力最大值均出现在髋臼杯上方CS脊柱内固定器与髋臼杯连接部内侧,所受最大应力均远低于其疲劳强度;组配式半骨盆假体重建后骨盆站立位时应力的分布规律与正常骨盆基本一致。说明：①组配式人工半骨盆假体置换对健侧骨盆影响较小。②站立体位下组配式人工半骨盆假体安全性好。③组配式人工半骨盆假体重建后的骨盆符合人体正常生物力学规律,具有良好的生物力学相容性基础。     

腰椎—骨盆—髋关节有限元模型建立及生物力学分析

背景：髋腰疾病的发病率不断增加,给临床治疗带来一定的挑战,需要完善的腰椎-骨盆-髋关节模型以分析其生物力学特点。目的：建立正常成人腰椎-骨盆-髋关节三维有限元模型进行生物力学分析,为研究髋腰疾病和相关手术治疗提供实验依据和参考。方法：获取正常成人CT数据,利用Mimics、Geomagic、Hypermesh、Abaqus等软件构建正常的腰椎-骨盆-髋关节三维有限元模型,将所得模型进行各个工况分析,得到椎体活动度、椎间盘及股骨头应力分布进行模型有效性验证。之后进一步构建坐位模型,比较分析站立位和坐位2种姿势下的生物力学分布特点和变化趋势。结果与结论：(1)成功建立了正常成人腰椎-骨盆-髋关节三维有限元模型;(2)构建的模型在各工况分析中结果均在既往文献数据的参考范围内,确认模型有效,可进一步用于后续的实验研究;(3)从站立位到坐位姿势变化后,L₄-L₅及L₅-S₁椎间盘的应力呈上升趋势,其中L₅-S₁应力变化最明显;对于髋关节应力分布而言,在站立位时,应力...     

膀胱全切、Roux—y乙状结肠新膀胱术在女性膀胱癌治疗中的应用

目的：评价膀胱全切、Roux-Y乙状结肠新膀胱尿流改道术治疗女性浸润性膀胱癌的临床效果。方法：采用膀胱全切、Roux—Y乙状结肠新膀胱术治疗女性膀胱癌患者12例。术中取直肠腹膜反折以上20cm处切断乙状结肠,近端与直肠在腹膜反折上行乙状结肠-直肠Y式端侧吻合,远端去管化后,构建一球形新膀胱。结果：随访3—96个月,平均36个月。未见肿瘤复发。术后新膀胱容量约300ml,术后3个月平均405ml,1年后平均456ml。无尿失禁发生。术后尿动力学检查,充盈期膀胱压力（39．2±10．8）cmH2O、最大尿流率（34．7±8．9）ml／s,排泄后残留尿量是0ml。7例术后3年行尿路造影示新膀胱形态良好,无输尿管返流及上尿路扩张。结论：Roux—Y乙状结肠新膀胱尿流改道术治疗女性浸润性膀胱癌患者疗效好,并发症少,肿瘤复发率低,术后排尿和控尿功能满意。     

基于CT图像和逆向工程方法建立正常人体腰椎三维有限元模型◆

背景：利用有限元法可以分析静止及活动时正常脊柱的生物力学,并预测应力时的风险。 目的：建立腰椎L3~L5三维有限元模型。 方法：选取一名健康30岁男性志愿者L3~L5薄层CT扫描图像,使用工具软件 Geomagic 和 Ansys,应用逆向工程原理构建三维有限元模型,设定边界条件进行加载,记录角位移及应力集中部位,计算模型的平均刚度。 结果与结论：建立L3~L5椎体三维有限元模型,包括椎体、韧带、椎间盘、纤维环和小关节,模型总单元数51 905个,通过定量和定性两方面验证模型有效。说明所建立的L3~L5椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特征,可用于进一步脊柱生物力学研究。     

有限元模拟复杂性腰椎管狭窄症减压手术

本文目的是精确建立复杂性腰椎管狭窄症(LSS)的退变腰椎有限元模型和减压手术模型,与正常模型进行对比与分析。首先,选取复杂性LSS患者采集CT数据,采用专用生物力学软件建立退变腰椎全节段模型,同时构建正常材质模型和减压手术模型,用相同边界条件进行对比分析。结果表明:复杂性LSS腰椎的活动度范围比正常模型要小,而减压模型的活动度变大。在应力方面,退变椎间盘L4-L5和邻近上位椎间盘L3-L4的终板、髓核和维环基质应力分布趋向四周边缘集中,而减压手术模型的应力进一步出现较大增加。仿真显示单纯的减压手术虽然可以减缓神经疼痛,但是很可能进一步造成腰椎稳定性的破坏,加速腰椎退变。     

步态周期下内侧半月板后根部分撕裂对膝关节生物力学的影响

背景：目前针对内侧半月板后根撕裂加速膝关节退变相关生物力学研究大多数仅限于在静态仿真设计的基础上对内侧半月板后根完全撕裂模型进行测试,而对内侧半月板后根部分撕裂在完整步态周期下的生物力学行为尚不清楚。目的：运用动态有限元分析的方法来比较正常膝关节模型与内侧半月板后根部分撕裂模型在完整步态周期下生物力学的差异。方法：以健康成年人右膝关节CT扫描数据为基础,建立包括骨、半月板、关节软骨在内的健康膝关节有限元模型,并在健康模型基础上进一步构建膝关节内侧半月板后根撕裂模型。分别在2种模型上施加ISO标准步态载荷进行仿真测试。比较2种模型对应部件在各时相下应力、位移和接触面积的差异。结果与结论：(1)在完整步态周期下,健康模型内侧半月板后根云图应力分布均匀,而病理模型则在损伤区出现应力集中表现,健康模型最大应力出现在30%时刻外侧半月板内缘,值为29.68 MPa,病理模型最大应力出现在50%时刻外侧半月板内缘,值为30.34 MPa;(2)在完整步态周期下,健康和病理模型胫骨软骨应力分布大体一致,2种模型承受最大应力分别出现在步态周围50%,20%时刻,值大小分别为5.11,6.85MPa;(...     

男性尿道括约肌失协同的有限元分析

目的 探究内外括约肌失协同对下尿路器官组织应力和尿液流速的影响。方法 基于火棉胶切片对下尿路器官组织进行几何模型重建,并建立含有肌肉主动力的下尿路有限元模型;通过流固耦合仿真,模拟排尿末期内外括约肌均正常收缩、均丧失主动力和单独丧失主动力4种情况下组织应力和尿流速率变化。结果 内外括约肌正常收缩尿道应力变化和临床测得的尿道压力变化趋势相同。与正常收缩情况比较,内括约肌单独丧失主动力,内括约肌和前列腺位置尿道应力分别降低33.6%、13.8%,且此位置尿液流速也降低。外括约肌单独丧失主动力,外括约肌和外尿道位置尿道应力分别降低59.5%、24.03%,而内外括约肌均丧失主动力,内括约肌、前列腺、外括约肌和外尿道位置尿道应力分别降低38.77%、18.6%、63.58%、29.74%,且相对应位置的流速也降低。结论 内外括约肌失协同导致下尿路组织应力和尿液流速的差异性变化。研究结果可为手术治疗因括约肌引起的尿失禁提供理论依据。     

不同形状种植体支持单端固定桥的三维有限元分析北大核心

背景:种植体的形状影响其生物力学表现,目前对种植支持式单端固定桥的研究多在相同形状种植体进行,对不同形状种植体支持的单端固定桥的比较分析较少。目的:利用三维有限元建模,分析圆柱形、锥形与膨胀式3种种植体支持的单端固定桥在下颌后牙区的生物力学特征。方法:分别建立圆柱形、锥形与膨胀式种植体支持单端固定桥及其支持组织的三维有限元模型,对单端固定桥轴向90°和颊舌向45°分别施加300 N的力,分析皮质骨、松质骨的von Mises应力及种植体-基台复合体的最大位移。结果与结论:①在轴向和颊舌向加载力下,3种模型皮质骨的最大应力峰值远大于松质骨,皮质骨的最大应力峰值均集中于近悬臂种植体远中颈部周围;②膨胀式种植体模型在皮质骨中的最大von Mises应力值最低,在轴向加载力下尤其明显,在松质骨中的von Mises应力值最高;③与轴向加载力比较,颊舌向加载力下3种模型皮质骨、松质骨的von Mises应力峰值及种植体-基台复合体最大位移均增大;在颊舌向加载力下,膨胀式种植体模型的种植体-基台复合体最大位移最小;④结果表明,膨胀式种植体支持的单端固定桥稳定性最好。     

基于有限元方法的全髋关节假体个体化选型分析

目的 研究ISO 7206标准对全髋关节置换术临床应用的指导意义。方法 建立肌骨数值模型,对正常行走步态进行仿真,以获得下肢的运动学和动力学参数;建立对应的全髋关节假体有限元模型,应用步态载荷进行计算,并对比ISO标准的有限元模型计算结果。结果 正常行走步态下,髋关节力分别在20%和54%步态周期出现峰值,以此作为有限元计算的步态载荷,得到20%步态周期时假体应力最大;松动模型中假体柄上最大应力大于无松动模型中假体柄上最大应力,且应力分布趋势存在差异;分析对比ISO测试和不同体重人体步态载荷下的假体最大应力,得到ISO测试中最大应力水平对应108~142 kg体重载荷下的假体最大应力。结论ISO测试中合格的假体可满足100 kg体重人体正常步态下的强度要求。     

有限元建模分析牵开成形治疗踝关节骨性关节炎的生物力学响应

背景：目前踝关节骨性关节炎的手术方式包括关节置换和关节融合,但2种方式均存在一定问题,因此保踝治疗成为踝关节骨性关节炎初期治疗的首选方式。牵开成形是一种重要的保踝治疗术式,有利于缓解踝关节疼痛和改善功能,有助于关节软骨的自我修复,但现在仍缺乏确切的生物力学证据。目的：通过有限元建模探究踝关节牵开成形治疗早中期无明显力线改变的踝关节骨性关节炎的力学因素,为临床治疗提供力学证据。方法：将1名27岁志愿者足踝CT扫描数据DICOM文件导入有限元软件中,进行三维重建及曲面拟合,再进行网格划分,建立含有骨骼、韧带、肌腱和软骨的精细足踝有限元模型,对比踝骨关节炎组、外固定架组分别在中立0°、跖屈20°、背屈20°3种不同工况下的胫距关节面应力、距骨应力及距骨应变的生物力学响应。结果与结论：（1）经过有限元仿真计算发现,从踝关节整体受力来说,两组模型在中立位0°时最小,从中立位逐渐跖屈或背屈时,随着踝关节活动发生变化,应力值也逐渐增加,且在同等屈曲的条件下,背屈要比跖屈的整体应力增幅明显;（2）从胫距关节的应力峰值来说,踝骨关节炎组的胫距关节面应力峰值较正常组增幅明显,外固定架组的胫距关节面应力峰值...     

胸腰椎骨折单侧固定的有限元探讨

目的:通过有限元运算方法探讨胸腰椎骨折单侧固定的生物力学效果和可行性.方法:采用正常健康志愿者数据构建胸腰椎骨折有限元模型,装配单侧固定系统和双侧固定系统,对其进行有限元运算模拟.结果:通过有限元运算获得的结果分析,采取单侧固定的静态应力、最大应力与最大位移都明显提示较双侧固定不稳定(P<0.05).结论:胸腰椎骨折采取单侧固定后其有限元运算的结果提示其生物力学效应较差,在临床应用中单侧固定选择需要慎重,避免矫形复位手术的失败.     

步态仿真下腰椎间盘退变合并骶髂关节紊乱的有限元分析

目的通过观察腰椎间盘退变合并骶髂关节紊乱的生物力学特征,探讨腰椎间盘退变与骶髂关节紊乱相关性的生物力学机制。方法选取正常志愿者1名,腰椎间盘突出症合并骶髂关节紊乱者2名(骶骨错位、髂骨错位各1名),采集CT数据建立相应的正常、骶骨错位、髂骨错位腰椎-骨盆模型,同时采集其步态数据驱动Any Body仿真肌骨模型,得到腰椎骨盆周围肌肉力及髋关节力作为加载条件,进行有限元分析。比较患者与正常志愿者L4、L5椎间盘及骶髂关节应力变化。结果正常模型L4、L5左右及两侧骶髂关节应力曲线呈双峰,且无明显差异;骶骨错位模型与髂骨错位模型L4、L5左右及两侧骶髂关节应力曲线双峰改变甚至消失,L4左右两侧应力峰值差分别为0.55、0.80 MPa,L5左右两侧应力峰值差分别为4.05、2.08 MPa,骶髂关节右侧应力峰值与左侧峰值差分别为0.96、3.32 MPa。结论腰椎间盘退变合并骶髂关节错位导致人体承重力线的偏移,骶髂关节紊乱可加重身体两侧应力失衡,在腰椎间盘突出症的治疗过程不能忽视骶髂关节紊乱的影响。     

经椎间孔腰椎椎间融合术式模型的生物力学研究

本文基于经椎间孔腰椎椎间融合(TLIF)治疗腰椎滑脱的术式模型,采用有限元方法探讨腰椎融合术内植物固定系统中融合器和椎弓根钉在不同组合下表现出的生物力学特性。首先,基于CT图像结合有限元前处理软件,建立人体腰椎L4-L5节段轻度滑脱及内植物不同固定组合方式下的三维非线性有限元模型。比较各模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右轴向旋转6种工况下,腰椎活动范围和融合器、椎弓根钉的应力分布等生物力学特征。结果表明各术式模型的活动范围均较无损模型减少84%以上,稳定性显著提高。各术式模型中,单枚融合器辅加单侧椎弓根钉固定下融合器和椎弓根钉的应力值相对较大,但差异无统计学意义。研究结果可为TLIF的体外标本实验研究和临床分析提供相应的生物力学参考和印证,并为单侧内固定斜行椎间融合TLIF手术的可行性提供生物力学依据。     

突入膀胱不同形态的前列腺增生的有限元分析

目的 通过有限元分析方法，探索不同形态的膀胱内前列腺突出（intravesical prostatic protrusion,IPP）对排尿过程的影响。方法 基于1例前列腺中叶和双侧叶突入膀胱的良性前列腺增生患者MRI图像，重建其下尿路有限元模型（模型3）。通过图像修改突出部分，构建双侧叶突出模型（模型1）和中叶突出模型（模型2）。结合有限元分析软件进行双向流固耦合仿真分析，比较3种模型的前列腺尿道形变和流体动力学参数。结果 排尿过程中，模型3前列腺尿道角减小的程度最大，其次是模型2。模型3中的液体压强损失最严重。在每种膀胱内压下，模型1的流体速度大于其他模型，模型3的最大流率低于其他模型。在相同的膀胱出口截面积，模型3的最大流率低于其他模型，且增加膀胱出口截面积会进一步扩大这一差距。结论 与具有相同IPP长度但只有中叶突出或只有双侧叶突出的患者相比，中叶和双侧叶均突出的患者具有更大的尿道阻力和更小的最大尿流率。评估IPP不仅要测量其长度，还要注意IPP形态。     

腰椎椎间融合坚强固定与弹性固定生物力学效果的三维有限元分析

比较腰椎坚强固定与弹性固定的三维有限元模型在不同生理载荷条件下的力学特点。我们以健康男性志愿者为样本建立模型,观察它们在垂直、屈曲和后伸扭矩下的应力分布特点。结果显示:在不同的载荷下,坚强固定连接棒的受力是弹性固定的4~6倍,弹性固定应力峰值及受力面积较坚强固定大。表明弹性固定在促进椎间融合方面比坚强固定更有生物力学的优越性。     

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。