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。     

健康人体正常站立位完整股骨生物力学的有限元分析

建立完整的正常人股骨三维有限元模型,并应用于正常站立位生物力学分析。基于序列CT断层扫描图像,应用逆向工程原理,用自编图像处理程序从图像提取点云,并在逆向工程软件和有限元分析软件中建立有限元模型。其中将模型中材料考虑为连续、均质、各向同性的线弹性材料,将皮质骨和松质骨材料参数综合等效为弹性模量12GPa,泊松比是0.3。模拟正常双足站立,股骨头上表面受到垂直向下的分力为500N,执行计算。结果成功建立了有限元模型,最大位移发生在股骨头,最大应力发生在股骨体中下段,为14.2MPa,股骨颈局部拉应力较大。验证了股骨骨折多发于股骨体中下段的理论;并证明了老年人多发股骨颈骨折,并且骨折难愈合的事实,从生物力学角度说明股骨颈骨折后应避免活动。     

儿童股骨近端解剖钢板生物力学及三维有限元分析

背景:以往的三维有限元研究多集中在成人骨科生物力学方面。目的:以三维有限元方法分析儿童股骨近端解剖钢板固定股骨转子下骨折的生物力学性能。方法:从6具儿童尸体上取股骨12根,X射线排除骨病后分为2组,实验组采用儿童股骨近端解剖钢板固定,对照组采用重建钢板固定。分别进行生物力学实验,测试其轴向压缩、扭转刚度、弯曲刚度。选取1名健康男性儿童进行螺旋CT扫描技术,获得股骨近端图像数据,建立儿童股骨近端三维有限元模型,并进行三维有限元力学分析。结果与结论:在轴向压缩刚度、扭转刚度上儿童股骨近端解剖钢板与重建钢板两者比较差异无显著性意义(P>0.05);在抗弯曲刚度上,两者相比差异有显著性意义(P<0.05)。结果显示儿童股骨近端解剖钢板的抗压能力、抗扭能力上与重建钢板相当,而在抗弯曲能力上强于重建钢板。生物力学三维有限元分析显示儿童股骨近端解剖型钢板的设计符合生物力学原理,具有较好的强度、刚度和稳定性,能够满足对儿童股骨近端骨折固定的需要。儿童股骨近端解剖型钢板对固定股骨转子下骨折具有良好的生物力学性能。     

兔股骨三维生物力学模型的建立

背景：基于自编写的Matlab程序实现了对兔股骨图像边缘的识别。但鉴于模型的复杂性,在UG三维软件中建立股骨实体模型后导入ANSYS软件中,能否构建相应的结构模型？目的：构建兔股骨三维生物力学模型的方法。设计：随机对照观察。单位：北京理工大学生物力学实验室。材料：实验用1只雌性新西兰大白兔,兔龄1年,体质量2.6kg,。实验用ACTIS400/225型工业CT扫描机为美国BIR公司生产。方法：实验于2005-07/12在北京理工大学生物力学实验室完成。①股骨影像轮廓提取：实验兔麻醉后处死,分离股骨。将工业CT扫描图像转换成＊.bmp格式的图像文件,应用Photo shop图像处理软件,对原始图像进行对比度调整、平滑去噪等必要处理,以增强图像的可辨性和可分析性。再用磁性套索工具勾勒各层图像的内、外边界线,得到各层面股骨内、外轮廓曲线,采用CT扫描机对兔股骨进行扫描,自股骨头上端起,由近端向远端垂直于股骨纵轴行CT扫描,层间距为1mm。小转子下方第43层至股骨中段53层,由于形状比较规则,扫描层间距为2mm。共扫描87层,长度为9.9cm,输入计算机后经处理得到边界轮廓线,再通过自编程序,获取建模时所用的轮廓线坐标,将坐标数据输入建模软件,建立三维实体模型。②股骨有限元模型的建立：将UG中导出的＊.IGES文件,导入至ANSYS软件,自动生成股骨实体模型,利用ANSYS软件布尔操作中的减操作,得到有空腔的实体模型。主要观察指标：兔股骨结构模型建立情况。结果：①利用UG三维造型软件,读取第1层轮廓数据＊.dat文件,形成由多个数据点连接的自由曲线,依次读取第2层、第3层、第4层至第87层,形成兔股骨内、外轮廓的堆叠图。②采用自由网格划分法,应用ANSYS程序自动划分网格,生成有限元网格。网格划分后得到42221个节点及27768个单元。结论：实验模型真实模拟了兔股骨的解剖学形态。建立的三维生物力学模型为下一步通过有限元法确定振动对骨丢失影响的最佳参数奠定了实验学基础。     

股骨下端三维有限元模型反应其真实几何结构的意义

目的：建立股骨下端的三维有限元模型，以期为膝关节三维有限元的建立和研究，提供方法学和研究平台。方法：根据螺旋CT扫描图像，利用Ansys有限元软件的由下向上的点、线、面、体的建模原则，对股骨下端的三维有限元模型进行重建。结果：建立了股骨下端的三维有限元模型。结论：建立了股骨下端的三维有限元模型，该模型能逼真地反应股骨下端的真实几何结构。     

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EnnekingⅡ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Mimics8.1软件建立三维实体模型,再将实体模型导入Abaqus6.7-1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。     

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(shape memory conector,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。     

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。     

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.     

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.     

静载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力学意义

目的:探讨骨盆受到静力载荷作用后的力学行为特征,为临床分析及判断骨盆力学分布、静载荷影响提供力学基础。方法:实验于2002-01/2004-04在第二军医大学长海医院骨科实验室和同济大学生命科学与技术学院生物力学实验室完成。采用计算机仿真模拟方法,将所构建骨盆三维实体模型导入三维有限元分析软件ANSYS7.0,分别计算单侧髂前上棘和单侧髂骨正后方静载荷作用下骨盆的力学行为表现,静载荷为8000N,分析主应力值、应力分布情况以及主应力方向上骨盆单元的位移。结果:单侧髂前上棘侧方加载下,应力沿着受力点与骶髂关节连线方向传导,没有应力沿着髋臼或者耻骨、坐骨传导;单侧髂骨后方静载荷加载时,应力沿着髂骨纵行方向、髂骨与骶髂关节部位连线方向、同侧耻骨上支传导。结论:分析静载荷作用下骨盆各部位应力分布以及骨盆各个单元在应力作用下的位移变化,有助于临床上进行骨盆损伤内固定力点的选择以及进一步明确骨盆内在应力值分布。     

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。     

不同骨质密度下生物型及骨水泥型股骨假体置入后的三维有限元分析

背景:患者自身骨质情况往往决定髋关节置换手术中假体的选择,目前对假体的选择尚无金标准,而通过计算机二维有限元分析、模拟对比力学实验,对不同骨密度下股骨假体类型进行选择,将更具科学性.目的:通过计算机三维有限元分析,选择不同骨密度下的股骨假体类型,并行模拟对比力学实验,从而确定临床全髋关节置换选择股骨假体的年龄标准.设计、时间及地点:开放性实验,于2006-09/2007-05 在吉林大学第一临床医院骨科研究所和吉林大学生物力学研究所完成.材料:成人新鲜股骨尸体骨.方法:利用Solidworks计算机软件建立人体股骨三维有限元模型.利用已有公式转化计算不同年龄段下骨质的密度及弹性模量,分别输入计算机.模拟人体单足站立状态,对重建的股骨模型进行力的加载与约束.主要观察指标:测量生物型和骨水泥型股骨假体在不同股骨密度下的应力分布及初始微动等生物力学特性.结果:生物型股骨假体上的整体应力在男性30～60岁年龄段分布相对较均匀,初始微动变化较小;在女性40～55岁年龄段分布相对较均匀,仞始微动变化较小.骨水泥型股骨假体上的整体应力在男性60～70岁年龄段分布相对较均匀,初始微动变化较小;在女性55岁后分布相对较均匀,初始微动变化较小.结论:计算机三维有限元分析及模拟对比力学实验结果提示,男性小于60岁,女性小于55岁使用生物型人上股骨假体优于骨水泥型人工股骨假体.     

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。     

应用三维建模有限元方法定位分析腕舟骨肿物及切除后的生物力学分析

目的:通过三维建模有限元方法对腕舟骨肿物的精确定位及肿物切除后的生物力学改变,探讨三维建模及有限元分析对腕舟骨肿物切除的指导作用。方法:选择2005-07/08吉林大学中日联谊医院手外科收治的腕舟骨肿物患者1例,女,46岁。腕部疼痛3年余,查体:鼻咽窝部有压痛,腕过屈时加重。X射线片及CT片示舟骨内有一高密度肿物,周围有低密度区。利用螺旋CT获取腕舟骨肿物患者的腕骨DICOM格式文件,利用3D-Doctor1.2建立腕骨三维数字模型及虚拟切除肿物前后舟骨三维模型,导入Ansys9.0,建立实体模型,施加载荷后进行分析。结果:①三维数字模型:所有69层CT文件构建的三维数字模型,可从任意角度观察腕舟骨轮廓构建的三维数字模型,发现肿物位于腕舟骨腰部靠近远极位置,离背侧皮质距离近,于是可确定手术入路为腕背侧鼻咽窝入路。②有限元分析:从VonMises应力分布图可见肿物未切除时腕舟骨应力分布均匀,肿物切除后腕舟骨应力分布不均,提示肿物切除后存在桡舟关节创伤性关节炎或骨折的风险,有必要行植骨术。结论:三维建模及有限元分析能够术前精确定位肿物,并对切除部位是否需要植骨具有指导意义。     

构建寰枢椎前路融合后三维有限元模型及生物力学分析

获取正常枕寰枢的CT扫描的计算机数字图像数据,利用Mimics软件将图像坐标数据转换成ASCII格式的点云数据,并利用CATIA软件对点云进行处理,通过Geomagic studio,Catia建立几何模型,然后导入有限元处理软件Hypermesh,Ls-dyna建立最终的寰枢椎三维有限元模型,依据经口咽入路寰椎前弓、齿状突切除并侧块关节融合术,在有效的寰枢椎有限元模型上,通过单元结构的删、填来模拟手术,建立术后模型:模拟颈椎运动、加载力,了解术后颈椎的应力云图的变化和活动度.建立了有效的正常的寰枢椎有限元模型,并在此基础上利用Hypermesh软件模拟了寰枢椎术后,并很好的观察了术后寰枢椎生物力学的变化.结果提示采用CT扫描资料初步建立了一个解剖学模拟详细的寰枢椎三维有限元模型,通过了有效性验证,在其基础上能够建立前路寰枢椎融合后模型,对该模型生物力学改变及其对颈椎稳定性的影响可以进行有效的,可重复的有限元仿真分析.     

颈椎牵引过程的三维有限元分析

目的　比较不同力学条件下颈椎牵引的生物力学过程,从而得出最为有效的牵引条件。方法　通过建立颈椎（Ｃ１－ Ｔ１）三维有限元模型,对颈椎在不同力量、不同角度条件下的牵引过程进行力学分析,得出各种条件下颈椎上的位移情况、应力分布情况及各椎间隙的变形情况,并进行比较分析。结果　在不同牵引力的作用下,颈椎均出现一定的位移,诸椎间隙后缘均有一定增宽,前缘则大多有所缩窄,最大应力位置均出现在颈椎后缘的椎体上。当牵引角度不变时,随牵引力的增大,颈椎的位移及各点的应力均增大,椎间隙的形变亦更明显。当牵引力不变,随牵引角度的增大,颈椎的位移增大,颈椎上最大应力的位置下移,各椎间隙的形变增大。结论　在本文分析中,以前倾角３０ 度、９０ Ｎ 牵引颈椎可以最大程度的扩宽椎间隙,缓解对神经根的压迫,牵引治疗最为有效     

构建全口覆盖义齿三维有限元模型及其生物力学特征

构建全口覆盖义齿三维有限元模型,分析不同颌弓形态对全口义齿应力分布的影响规律.对不同的石膏模型采用层切的方法,获得不同层的二维坐标点数据,导入ANSYS软件,建立典型的尖、圆、方形共9种颌弓形态所对应的全口覆盖义齿三维有限元模型.对全牙列加载,进行生物力学分析.结果显示,应力从高到低的顺序为方形、圆形、尖形;外推形式、基本形式、内推形式.提示三维有限元模型具有很高的仿真精度,分析结果为临床工作提供了实验依据和指导.