三维有限元模型评价股骨正常站立位的生物力学特性

背景：目前建立股骨有限元模型的方法较多,但重建所得的模型普遍存在精确性较差和效率较低的问题。目的：寻求一种快速、精确建立股骨三维有限元模型的方法,并对股骨在正常站立位下的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,于2008-06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中重建符合Dicom 3.0标准的CT图像数据生成空间模型,并结合应用有限元软件ANSYS生成最终的三维有限元模型。主要观察指标：沿髋关节合力方向对模型施加350N载荷,观察股骨的Vonmises应力分布。结果：应用Mimics建立了更为精确的三维有限元模型,同时缩短了建模时间。在350N载荷作用下股骨的最大位移发生在股骨头,股骨干和股骨颈各有一个应力集中区域。结论：应用Mimics建模快速、精确。髋关节载荷传导主要通过股骨颈内侧的压力骨小梁区传递至股骨干的中下1/3交界处,提示此区域容易发生疲劳性损伤。     

采用体绘制方法建立人股骨三维有限元模型及其应力分析

背景：目前股骨三维有限元研究建模方法有多种,而采用体绘制分体建模方法还未曾报道过。目的：采用体绘制方法建立股骨三维有限元实体模型,对所建实体模型模拟力学载荷得出股骨应力分布,并与既往股骨力学实验比较,评估体绘制方法的可行性。方法：将CT扫描图像去噪等预处理后,采用体绘制技术,利用Mimics和Ansys软件建立人股骨有限元模型,并在Mimics软件中赋予股骨材质,并模拟人体正常站立位时股骨载荷情况。结果与结论：采用体绘制方法建立的人股骨三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨及髓腔解剖结构,网格化后共生成63900个节点,43552个实体单元;模拟载荷显示股骨压应力区域主要集中在股骨内侧、尤其是股骨距部位,张应力主要集中于股骨颈外侧、股骨干外侧。表明体绘制方法可以建立高仿真、接近股骨解剖结构股骨三维有限元模型实体模型,可以探索股骨的内部结构,展现其内部细节,模拟股骨生物力学分布。     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景:由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段.目的:以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布.方法:获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics 10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS.再根据解剖部位建立骨盆主要韧带.对S1椎体上终板施加600 N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况.结果与结论:垂直加载600 N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节.此时的坐骨结节处承受较大压应力.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.计算结果与文献中报道的结果相近,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及满足临床研究的需要.     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景：由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。目的：以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布。方法：获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS。再根据解剖部位建立骨盆主要韧带。对S1椎体上终板施加600N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。结果与结论：垂直加载600N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节。此时的坐骨结节处承受较大压应力。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。计算结果与文献中报道的结果相近,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及满足临床研究的需要。     

基于DICOM数据构建股骨三维有限元模型的精确力学分析☆

背景：有限元模型已经由二维发展到三维,由线性模型发展到非线性,由于该方法在分析不太规则物体的力学特点方面具有优越性,因此在骨科生物力学研究特别是髋关节方面得到广泛应用。目的：利用有限元方法分析人体股骨在载荷下的受力状态,探索一种快速建立股骨有限元模型并能进行精确力学分析的方法。方法：选择标准成年男性志愿者行股骨CT扫描成像,得到股骨每层横截面图像,应用DICOM数据和MIMICS软件行三维重建,结合有限元分析软件ABQUS 6.8构建股骨三维有限元模型,并分析股骨模型载荷状态下的应力分布。结果与结论：结果显示,基于DICOM数据建立的股骨三维有限元模型,划分网格后形成38636个节点,201422个单元,其中包括股骨松质骨体网格模型与皮质骨体网格模型。有限元分析结果与以往的实验数据一致性较好,能够客观实际地反映股骨真实解剖形态和生物力学行为,分析精度较高。提示运用Mimics软件提供了简单有效的建模方法,极大程度上提高了建模效率,基于 DICOM 数据的三维有限元模型几何形状较准确,可以为股骨正常力学行为研究提供精确模型。利用ABQUS 6.8分析得到的应力分布情况与临床观察一致。     

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.     

垂直载荷作用下骨盆的三维有限元分析

背景：目前对骨盆的力学分析还处于极其粗糙阶段，而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，正日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。 目的：建立正常骨盆的三维有限元模型，分析骨盆在垂直载荷作用下的应力／应变和位移分布。 设计、时间及地点：三维有限元分析，单一样本观察。于200703／09在南方医科大学生物力学实验室完成。 材料：健康成年男性志愿者1例进行PET—CT扫描，层厚1FfLrn，得N-维原始图像以DICOM格式输出。 方法：应用Mimics、Freeform、ANSYS等软件进行三维重建，并建立正常骨盆的有限元模型。模拟人体双腿直立位的生理姿势，对模型施加500N轴向载荷。具体方式为约束双侧靛臼，向骶骨椎体上表面垂直加压，压力均匀分布于各个结点。 主要观察指标：计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。 结果：垂直加载500N载荷于骶骨上表面时，应力经两侧骶骨翼、骶髂关节，斜向下方经过坐骨大切迹附近，髂骨中央弓状线，传导至两侧髋臼。骨盆前环即耻骨支和耻骨联合受力较小。应变集中在两侧骶髂关节，绝对值很小，前方的耻骨联合处应变极小，呵忽略不计。位移以骶骨背侧的骶正中嵴处最大。 结论：正常骨盆是一个非常稳定的力学结构。过大的垂直应力容易引起骶骨或骶髂关节受损导致骨盆的垂直稳定性下降；恢复骶骨至髋臼的连续性对应力传导非常重要。     

改良的儿童股骨近端解剖型锁定板的有限元分析研究

[目的]建立儿童股骨粗隆下骨折的三维有限元模型并模拟改良后的儿童股骨近端解剖型锁定板螺钉系统固定,使用有限元方法对其进行生物力学分析,指导钉板系统的设计.[方法]建立股骨粗隆下骨折模型,并根据螺钉钢板数据建立改良的儿童股骨近端解剖型锁定板三维有限元模型,导入骨折模型,设定边界及载荷条件,分析骨折端界面的应力及应变值.[...     

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汁算准确性;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.     

肱骨三维有限元分析及其记忆生物力学意义

目的:分析肱骨不同载荷加载下应力分布,探讨其相关的记忆生物力学意义。方法:选择湿肱骨标本行CT成像,大型有限元分析软件ANSYS5.6建立肱骨三维模型以及天鹅记忆加压接骨器(shapememoryconector,SMC)固定模型,同时进行相应力学分析。结果:当纵向加压的压力P=300N时,Z方向的正应力为-4.0～-4.5MPa,断面区域的压应力为0～0.2MPa。结论:SMC固定肱骨后三维有限元的分析,可以为肱骨骨折后内固定的力学研究提供新思路。     

应用Mimics软件建立下颌骨双侧矢装劈开内固定后的有限元模型

背景:双侧升支矢状劈开截骨术是正颌外科常见的治疗方法之一,有限元法成为研究双侧升支矢状劈开内固定后生物力学的重要方法。目的:快速建立下颌骨双侧矢装劈开内固定后有限元模型,寻求一种更为快捷、精确的矢装劈开内固定的三维有限元模型,为研究下颌骨矢装劈开内固定后生物力学打下基础。方法:应用薄层CT,Dicom标准和Mimics软件,结合MSC.Patran三维有限元专用软件对CT断层影像进行分析处理。结果与结论:建立了精确的下颌骨双侧矢装劈开内固定后三维有限元模型。使用Dicom标准和Mimics软件获取三维模型,直接写入MSC.Patran三维有限元软件,提高了建模效率。提示薄层CT、Dicom标准的应用使得有限元模型的建立更为精确,同时Mimics软件直接建立矢装劈开内固定三维模型,极大程度提高了建模效率,为生物力学分析打下基础。     

人工髋关节活体有限元建模及力学分析

背景:有限元分析最为广泛地应用于人工髋关节置换的研究,能够反映人工髋关节置换前后的应力分布情况。目的:通过CT扫描图像建立人工髋关节置换后的三维有限元模型,分析假体和股骨的力学分布,提供研究活体内假体的评估方法。方法:选非水泥型人工髋关节假体置换后患者1例,64排CT扫描髋关节,通过三维建模软件建立三维有限元模型,加载载荷1500N,分析假体和股骨的应力分布,并与体外建模和正常股骨有限元模型比较。结果与结论:应用患者人工髋关节置换后CT扫描图像建立的三维有限元模型,加载后应力主要分布在股骨干上端1/3处,在股骨假体柄颈结合处,假体外侧,假体的远端与股骨接触处,是假体置换后应力在体内传递的真实反映。结果说明活体髋关节建模优于体外建模,不改变假体在体内的位置,人工髋关节活体建模是假体评估新方法。     

C4～C6颈椎有限元模型的建立和多点力学加载方法

背景:人体颈椎运动是多节段之间相互力学及位移关系的变化,建立多节段有限元模型及多点力学加载方法可以为颈椎生物力学研究提供高精度的模型和科学的计算分析方法。目的:建立人体C4~C6颈椎三维有限元模型,并在此基础上提出多点力学加载方法。方法:以正常人C4~C6颈椎CT图像作为数据源,利用Mimics10.0、Ansys11.0有限元分析软件建立三维有限元模型,对其进行多点力学加载测试,模拟生理状态时颈椎的轴向、屈曲、后伸、侧弯、扭转运动,分析各运动状态下C4~C6颈椎关节突和椎间盘的应力和位移改变。结果与结论:建立的C4~C6颈椎有限元模型几何形态逼真,重现了C4~C6颈椎节段解剖结构外形,整体显示直观,表面无过多简化,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。应力Se、Sz在不同加载工况时,前屈/后伸>侧弯>轴向加载。轴向加载载荷明显小,导致应力位移水平低。提示应用正常人体原始资料构建的C4~C6颈椎有限元模型以及多点力学加载分析的方法科学有效,为颈椎的生物力学研究提供了高精度模型和科学的计算分析方法。     

纤维桩核冠修复上颌中切牙三维有限元模型的建立

背景:建立有限元模型对缺损的上颌中切牙进行应力分析可为临床修复方法提供选择依据。目的:建立纤维桩全瓷冠修复上颌中切牙的三维有限元应力分析模型。方法:通过螺旋CT扫描、Mimics软件和Ansys软件建立冠缺损1/2的上颌中切牙采用纤维桩全瓷冠修复的三维有限元模型,模拟咬合加载,记录组织的VonMises应力和最大拉应力。结果与结论:建立了冠缺损1/2的上颌中切牙三维有限元模型,并模拟纤维桩核全瓷冠修复,与临床实际情况接近。运用螺旋CT、Mimics软件、Ansys软件能有效建立牙齿组织的三维有限元模型,模拟临床实际情况,并能以此演化为其他修复情况的模型。     

应用Mimics软件建立下颌骨双侧矢装劈开内固定后的有限元模型

背景：双侧升支矢状劈开截骨术是正颌外科常见的治疗方法之一,仃限元法成为研究双侧升支欠状劈开内阎定后生物力学的重要方法。目的：快速建立下颌骨双侧矢装劈开内固定后有限元模型,寻求一种更为快捷、精确的矢装劈开内固定的三维有限元模型,为研究下颌骨矢装劈开内固定后生物力学打下基础。方法：应J用簿层CT,Dicom标准和Mimics软件,结合MSC．Patran三维有限元专用软件对CT断层影像进行分析处理。结果与结论：建立了精确的下颌骨双侧矢装劈开内固定后三维有限元模型。使用Dicom标准和Mimics软件获取三维模型,直接写入MSC．Patran三维有限元软件,提高了建模效率。提示薄层CT、Dicom标准的应用使得有限元模型的建立更为精确,司时Mimics软件直接建立矢装劈开内固定三维模型,极大程度提高了建模效率,为生物力学分析打下基础。     

C_4～C_6颈椎有限元模型的建立和多点力学加载方法

背景：人体颈椎运动是多节段之间相互力学及位移关系的变化,建立多节段有限元模型及多点力学加载方法可以为颈椎生物力学研究提供高精度的模型和科学的计算分析方法。目的：建立人体C4~C6颈椎三维有限元模型,并在此基础上提出多点力学加载方法。方法：以正常人C4~C6颈椎CT图像作为数据源,利用Mimics10.0、Ansys11.0有限元分析软件建立三维有限元模型,对其进行多点力学加载测试,模拟生理状态时颈椎的轴向、屈曲、后伸、侧弯、扭转运动,分析各运动状态下C4~C6颈椎关节突和椎间盘的应力和位移改变。结果与结论：建立的C4~C6颈椎有限元模型几何形态逼真,重现了C4~C6颈椎节段解剖结构外形,整体显示直观,表面无过多简化,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。应力Se、Sz在不同加载工况时,前屈/后伸〉侧弯〉轴向加载。轴向加载载荷明显小,导致应力位移水平低。提示应用正常人体原始资料构建的C4~C6颈椎有限元模型以及多点力学加载分析的方法科学有效,为颈椎的生物力学研究提供了高精度模型和科学的计算分析方法。     

基于CT图像构建的腰椎三维有限元模型

背景:与实验生物力学研究相比,有限元分析方法具有独特的优越性。如何准确地构建腰椎节段有限元模型是有限元分析的关键。目的:建立人体腰椎三维有限元模型用于生物力学分析。方法:利用GE64排螺旋CT对成年男性腰部进行扫描,得到351层DICOM格式断层图像,应用Mimics软件进行三维重建,将所得模型以.stl格式导入Solidworks,生成实体模型,最后导入Ansys赋予材料属性并划分网格,得到便于分析的有限元模型。与体外生物力学实验数据对比,完成模型验证。结果与结论:成功地建立了表面光滑、外观逼真的腰椎有限元模型。该模型共有144411个节点,88742个单元,具有较高的准确性,且可以方便地施加约束和载荷,进行有限元分析。为临床腰椎三维有限元模型建立提供了一种精确而实用的方法,所建模型可以用来模拟腰椎生物力学实验。     

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ANSYS10.0,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6292,总节点数为10232。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。     

股骨近端溶骨性转移瘤三维有限元模型的力学分析

背景：如何评估股骨近端转移瘤的骨折风险在临床上争议较多. 目的：建立股骨近端不同大小溶骨性转移瘤的三维有限元模型,分析在慢步行走过程中病变局部的应力变化,评估骨折风险. 方法：对志愿者双下肢进行薄层 CT 扫描获得股骨数据,图像处理软件 Mimics11.1进行图像处理后数据导入建模软件 UG4.0建立股骨近端3个部位溶骨性病变模型,给予加载缓慢行走时单足落地状态下股骨的载荷,利用有限元软件分析股骨颈区,转子间区及转子下区应力的变化. 结果与结论：①股骨颈水平：皮质完整的髓内缺损破坏直径至相应冠状面直径的90%局部应力突然增长至135.98 MPa,破坏一半内侧皮质的髓内病变至70%局部应力突然增长至92.34 MPa,完全破坏皮质的半球形病变至60%时,局部应力大于屈服应力,增长至101.19 MPa.②转子间水平：内侧皮质完整的髓内球形病变破坏直径至80%局部应力突然增长至131.21 MPa,破坏一半内侧皮质的髓内病变破坏至80%局部应力突然增长至105.19 MPa,完全破坏皮质的半球形病变至70%时,局部应力大于屈服应力,增长至92.21 MPa.③转子下水平：破坏一半内侧皮质的髓内病变破坏至80%局部应力突然增长至92.42 MPa,完全破坏皮质的半球形病变至70%-80%之间,局部应力增长至89.97-105.19 MPa,大于屈服应力.结果表明股骨近端未穿透骨皮质的髓内病变对股骨近端应力变化影响不大.对于破坏单侧骨皮质的病变,在股骨颈水平破坏直径大于60%时存在骨折风险,转子间水平破坏直径大于70%时存在骨折风险,转子下水平破坏直径大于70%时存在骨折风险.