发育性髋关节发育不良患者不同髋关节外展角度下髋部应力分布的有限元分析

背景：目前对于髋关节发育不良的有限元研究相对较少,髋关节外展角度对髋关节生物力学分布的影响也不明确。目的：应用有限元方法分析不同外展角度下髋关节发育不良患者健侧及患侧的髋关节应力分布,为髋关节发育不良的预防、治疗、康复等提供方案。方法：选取1例左侧髋关节发育不良患者双侧髋关节CT薄层扫描数据,利用Mimics软件建立髋关节模型,Geomagic Wrap软件完成实体化,Solidworks软件进行皮质骨与松质骨的装配,然后应用Ansys Workbench软件加载关节负荷,分析不同外展角度下单足着地条件下髋关节应力分布情况。结果与结论：(1)该研究所建模型与实际情况相符合,随着髋关节外展角度增加,正常髋关节的股骨颈最大应力值逐渐增大,且一直位于股骨颈内侧,当健侧髋关节外展为15°时股骨头最大应力值最小,当髋关节外展20°时髋臼上方最大应力值最小;(2)发育性髋关节发育不良患者患侧髋最大应力值一直位于髋臼上方,且当髋关节外展为25°时,髋臼最大应力值最小,当髋关节外展20°时,股骨头最大应力值最小,当髋关节外展0°时,股骨颈部最大应力值最小,且位于股骨颈后方,随着髋关节外展角度增大,股骨...     

有限元法建立髋关节三维模型及正立位下的应力分析

目的:建立髋关节的三维有限元模型,并分析正立位下的生物力学分布特点。方法:选取1名志愿者,以髋部CT扫描图像为数据源,导入软件Mimics 14.0进行三维重建,将所建模型再导入Ansys13.0中,建立有限元模型,计算正立位下髋关节的力学分布特征。结果;成功建立了髋骨、股骨上段的三维几何模型和有限元模型。模拟体质量负荷,获得髋骨股骨的应力分布云图,集中在髋骨的弓状线,髋臼后上方,股骨颈内、外侧。结论:利用Mimics、Ansys建立的髋关节有限元模型仿真性高,可以进行生物力学分析;分析结果可信,对预防、治疗髋关节损伤等具有重要意义。     

步幅大小及髋关节外展角度对坏死股骨头影响的三维有限元分析*

背景：目前对于日常生活中步幅及髋关节外展角度大小是否会对坏死股骨头影响认识不多,也缺乏相关的实验研究。 目的：应用三维有限元方法分析步幅大小及髋关节外展角度对坏死股骨头应力分布的影响。 方法：选取1例男性ARCO Ⅱ期股骨头坏死患者行股骨近段螺旋CT扫描,应用专业医学建模软件MIMICS及HYPERMESH建立三维有限元模型。设置边界条件和加载条件,应用有限元分析软件ANSYS执行计算。 结果与结论：随着步幅的加大(0~60°),外展角度增加(0~10°),股骨近段应力分布改变最大应力值逐渐增大,提示步幅及髋关节外展角度的大小能够影响股骨头应力分布,股骨头坏死患者日常治疗生活及功能练习时应减小步幅及外展角。关键词：步幅;股骨头坏死;三维;有限元;外展角 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.17.004     

利用有限元分析股骨颈骨折内固定术后前倾角变化对股骨近端力学的影响

目的探讨股骨颈骨折闭合复位空心螺钉内固定术后不同股骨颈前倾角对股骨近端力学分布的影响,为临床中内固定术解剖复位的重要性提供生物力学依据。方法采用16层螺旋CT扫描正常成人髋关节数据,基于三维重建软件和CAD软件,分别建立Pauwells角为70°的股骨颈骨折空心螺钉内固定术后前倾角为0°、5°、10°、15°、20°的股骨近端三维有限元分析模型,对所有模型施加人体缓慢行走时的载荷和约束,观察不同模型间股骨近端结构应力分布的变化。结果当前倾角未改变时(10°模型),股骨所受应力、产生的位移及发生的等效应变最小,股骨近端最大应力值为1.7 MPa,产生的位移为1.1 mm。随着前倾角的增大或减小,股骨近端所承受的有效应力及产生位移呈逐渐增大趋势。当前倾角为20°时,股骨近端及螺钉所受应力最大;当前倾角为0°时,股骨近端产生的位移及发生的等效应变值最大。股骨近端应力集中的部位由股骨距区域转移至头颈交界处的外上方。3枚空心螺钉承受的应力较周围骨组织高,最下方螺钉承受的应力较上方两枚螺钉明显增高。结论股骨颈骨折闭合复位空心螺钉内固定术中恢复前倾角达到解剖复位至关重要;股骨颈骨折术后生物力学因素的改变可能在术后股骨头坏死中起一定作用。     

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。     

Chiari骨盆截骨术中外展肌张力对股骨头软骨生物力学影响的三维有限元分析

目的　探讨Chiari骨盆截骨术中外展肌力负荷对股骨头软骨的生物力学影响。方法　建立Chiari骨盆截骨术的髋关节三维有限元模型，应用非线性接触压力分析方法，观察不同的外展肌力负荷条件下关节软骨接触压力及软骨下骨应力分布。结果　Chiari术后关节软骨的接触压力和股骨头软骨下骨应力明显降低，接触面积明显增加。随着外展肌力负荷的降低，接触压力的重新分布更加明显。对应于原髋臼软骨的压力逐渐降低，新髋臼软骨的压力逐渐升高。股骨头软骨下骨应力也进一步降低。而术后关节软骨的接触面积改变不大。结论　外展肌力负荷所引起的生物力学改变在Chiari骨盆截骨术中起重要作用。     

全髋表面置换术后与正常股骨近端生物力学比较

目的 通过三维有限元方法研究全髋表面置换术后股骨近端骨质区应力分布的变化。方法 采用64排螺旋CT扫描获得正常股骨近端图像数据,重建股骨近端的三维有限元模型,对金属对金属全髋表面置换术后股骨近端和正常股骨近端应力分布进行量化研究,分析术后生物力学环境的变化。结果 髋关节表面置换术后,股骨头近端上、前、后、下方4个区域均出现明显应力遮挡,应力峰值分别为0.60、0.57、0.66、0.79 MPa,遮挡率分别为99.80%、99.16%、98.92%、96.66%。股骨头远端大部分区域出现了应力增加,其中应力遮挡只出现在股骨头远端的后方区域,遮挡率为4.92%。术后股骨颈近端前方区域出现了应力增加,在上、下、后方区域出现了应力遮挡,遮挡率分别为16.48%、22.75%和7.83%;股骨颈远端下方区域出现了应力增加,其余区域出现应力遮挡。大粗隆区出现应力增加9.22%;小粗隆区域和股骨颈基底区出现应力遮挡,遮挡率分别为2.49%、14.44%。结论髋关节表面置换术后股骨近端大部分区域的应力分布和正常股骨相比非常接近,应力传递接近生理状态,可有效避免术后股骨近段明显的应力遮挡,同时保留了骨量,有利于患者正常的生理活动。     

股骨近端骨缺损在内固定术后的生物力学特征分析

目的 探讨股骨头近端骨缺损在内固定术后的生物力学情况.方法 选择正常志愿者1例以及股骨近端骨缺损内固定术后患者1例进行股骨近端有限元模型的建构.在Mimics软件中输入DICOM数据进行截骨模拟,建立70°Pauwells角且骨缺损体积不等的股骨颈骨折模型.在模型与空心钉完成装配之后,于ABAQUS软件中进行导入,执行约束与加载操作.结果 股骨颈外上方和下方的最大应力是18.9 MPa和24.2 MPa,应力集中分布在股骨颈中段.股骨头的应力峰值最大,股骨颈上方次之,而下方空心钉所受到的应力峰值最低.随着股骨颈下后方骨缺损体积的增大,股骨颈上方两枚空心螺钉所承受的最大拉伸应力值变大,该最大拉伸应力出现于骨折断端位置,且股骨头最大应力范围向外移动,非主要负重区出现高压强区.结论 股骨颈近端骨缺损固定术中,在股骨颈下方置钉的固定方式螺钉变形断裂概率最小,对股骨颈下后方骨缺损体积患者来说倒三角置钉固定方式可为骨折处提供良好的力学环境.     

非解剖复位下股骨颈系统内固定治疗股骨颈骨折的有限元分析

背景：难复性股骨颈骨折很难获得解剖复位，作为一种新型内固定装置，目前关于股骨颈系统内固定治疗非解剖复位的股骨颈骨折尚是空白。目的：运用有限元分析方法，探讨股骨颈系统内固定治疗未能获得解剖复位的股骨颈骨折的生物力学稳定性。方法：收集一名健康女性成年人的髋关节CT数据，利用Mimics 21.0、Geomagic Wrap 2021和SolidWorks 2020制作Pauwels角分别为30°，50°和70°的解剖复位股骨颈骨折模型，将以上3个解剖复位模型的骨折近端沿骨折线向上移位2 mm，得到3个不同Pauwels角的阳性支撑模型；相反，得到3个阴性支撑模型。使用SolidWorks 2020制作股骨颈系统内固定，并与以上9个模型装配。使用Ansys 19.0软件进行有限元分析，记录2 100 N应力下股骨和股骨颈系统的位移分布和最大位移、应力分布和最大应力。结果与结论：(1)Pauwels角为30°，50°，70°时，股骨颈系统最大应力均集中在螺栓与抗旋螺钉交界处，股骨最大应力集中在股骨内侧皮质，最大位移均分布于股骨头上部和股骨颈系统顶端；(2)Pauwels角为30°，50°时，股...     

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1 500 N,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。     

单髁置换术应用于骨关节炎合并前交叉韧带缺失的三维有限元研究

目的采用有限元方法比较前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)完整与缺失的骨关节炎患者单髁关节置换(unicompartmental knee arthroplasty,UKA)术后膝关节生物力学特性,分析ACL缺失对膝关节单髁置换术后的运动和应力的影响。方法根据膝关节CT、MRI图像,建立有限元模型。采用逆向工程技术重建活动衬垫单髁假体,加载入该正常膝关节三维有限元模型。在不同屈膝角度(0°、30°、60°、90°、120°)加载载荷,观察在ACL完整(ACL-intact,ACLI)和缺失(ACL-deficiency,ACLD)情况下,膝关节的最大接触压和位移程度。结果 UKA-ACLI与UKA-ACLD模型在膝关节屈膝各角度,各部位(外侧股骨软骨、胫骨软骨、半月板、股骨假体、胫骨假体、衬垫)最大应力无明显差异,ACLD模型在膝关节屈膝0°和30°位前后位移明显大于ACLI模型,在膝关节屈膝0°位股骨相对内旋减小,在膝关节屈膝30°位股骨相对外旋增加。结论标准位置假体植入情况下,ACL缺失并不会导致UKA术后应力异常增大,会导致在膝关节伸直位时位移增加。     

横韧带损伤上颈椎C0-C3不稳定节段的三维有限元分析

目的建立寰椎横韧带损伤上颈椎C0-C3不稳定节段的三维有限元模型,探究横韧带损伤对上颈椎关节活动度ROM(the range of motion)和椎骨应力分布的影响。方法基于CT图像数据结合临床寰椎横韧带损伤特征,建立人体寰椎横韧带损伤上颈椎不稳定的三维有限元模型,比较分析横韧带损伤后上颈椎在不同工况下的关节活动度及椎骨应力分布情况。结果横韧带损伤后上颈椎寰枢关节在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转等工况下的关节活动度均比正常组有不同程度的增大,增值分别为:3.5°、 4.8°、 1.1°和4.7°;屈伸时横韧带损伤后模型最大应力均比无损模型的大。结论寰椎横韧带损伤后上颈椎模型相比正常模型稳定性差,符合横韧带损伤后的真实情况,建立的有限元模型可用于上颈椎生物力学特性的分析。     

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。     

利用有限元分析技术探讨后踝骨折的治疗方案

目的通过踝关节三维有限元模型,研究静止站立位后踝骨折后胫距关节面的应力变化及位移趋势,为后踝骨折的治疗提供理论依据。方法以一套正常人体站立位踝关节CT图像为原始数据,应用有限元建模技术,建立带有关节软骨的踝关节三维有限元模型,对模型的有效性进行验证。通过对后踝关节面进行分区、切割,模拟计算后踝不同骨折范围条件下施加正常应力时的关节软骨接触面积、最大接触应力、平均接触应力、最大位移等参数。结果随着骨折范围的增加,胫骨软骨接触面积呈逐渐减小趋势,胫骨软骨的平均接触应力值逐渐增大,胫骨相对位移增加。胫距关节的应力区主要集中在踝穴的外侧及前外侧,当后踝骨折面积超过1／3时,关节负重区面积明显缩小,关节位移趋势增加。结论后踝骨折面积超过1／3时,关节接触面积明显减小,应力变化明显增加,关节位移趋势增加,预后不佳,具有手术复位固定的指征。     

新型锁定钢板与AO-PHILOS钢板固定肱骨近端四部分骨折的三维有限元分析

目的比较分别使用新型锁定钢板固定和AO-PHILOS钢板固定肱骨近端四部分骨折的生物力学表现。方法建立肩关节、肱骨近端四部分及骨折内固定三维有限元模型。通过有限元分析,比较两种骨折内固定模型在肩关节4种外展不同功能位置时应力、位移分布情况。结果肩关节外展0°、30°、60°、90°时,新型锁定钢板的最大位移分别为6.644、7.079、5.850、3.005 mm,而AO-PHILOS钢板的最大位移分别为6.293、6.826、5.774、3.023 mm。两种内固定的最大位移在变化中接近,表明在固定肱骨近端骨折中的稳定性无明显差别。肩关节外展0°、30°、60°、90°时,新型锁定钢板的最大Von Misses应力分别为1 033.0、904.1、888.1、1 062.0 MPa,而AO-PHILOS钢板的最大Von Misses应力分别为743.1、692.4、486.4、393.5 MPa。在不同肩关节外展位过程中,两者总体应力都在逐渐减小,但新型锁定钢板应力减小的范围较大,相对来说,应力分散传递明显。结论新型锁定钢板和AO-PHILOS钢板内固定治疗肱骨近端四部分骨折时,应力分布差异不明显,都表现出稳定的固定效果。但对于有骨质疏松且同时合并大、小结节的肱骨近端骨折时,新型锁定钢板独特的解剖设计及固定效果更具有优势。     

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63 900个节点,43 552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。关键词：体绘制;股骨;实体模型;有限元;力学分布 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.17.003     

骨盆倾斜对髋关节置换后站立位髋臼侧应力影响的有限元分析

背景：在髋关节置换术中,仅利用髋臼解剖放置髋臼杯会改变功能性髋臼杯的方向;计算机导航完成髋关节置换手术可提高假体放置的准确性。目的：应用有限元模型模拟手术,模拟髋臼杯的应力大小及区域,结合骨盆倾斜角计划髋关节置换髋臼杯放置方向,探讨骨盆倾斜角对髋关节置换术髋臼侧假体应力分布的影响。方法：收集6例(标记为A-F)骨盆X射线片及CT数据,通过有限元软件ABAQUS 6.14-4(SIMULIA公司,法国)建立髋关节模型,以仰卧位前骨盆平面为坐标平面,模拟髋关节置换手术,建立6个模型,再根据站立位骨盆倾斜角,对骨盆倾斜角≤-10°与骨盆倾斜角> 10°者,调整假体植入的参考平面,建立9个模型,分为矫正前模型：A(-14°),B(-29°),C(11°);矫正后模型：Aa(-7°),Bb(-18°),Cc(1°);正常模型：D(-8°),E(-2°),F(-9°)。在有限元求解软件中,约束固定模拟单足站立,于骶髂关节、耻骨联合、大转子处加载关节负荷,比较各模型髋臼、髋臼杯及内衬最大Von Mises应力分布情况。结果与结论：(1)运算中模型B出现不收敛,在骨盆倾斜矫正后收敛;模型A出现不...     

髋关节置换过程中假体位置的有限元分析

背景:三维有限元法研究发现,髋关节假体的安装位置和髋关节置换效果关系密切,但关于不同前倾角和外展角髋关节假体安装位置对髋关节生物力学影响的研究不多。目的:应用三维有限元法分析不同假体安放位置髋关节置换的生物力学特点。方法:选择1名健康志愿者,获得志愿者骨盆和股骨的影像资料,建立该志愿者的骨盆和股骨的三维几何模型并进行有限元网络划分,采用CT扫描获得假体模型数据建立准确的假体模型,然后建立16种不同假体安放位置的髋关节置换模型。在骶髂关节和耻骨联合上方垂直向下施加780 N的力,观察16种模型的髋臼应力峰值、股骨应力峰值、聚乙烯内衬应力峰值和聚乙烯内衬破坏区体积情况。结果与结论:(1)16种不同假体安放位置的髋关节置换模型观察结果显示,前倾角为10°外展角50°时,髋臼的应力峰值最小,为51.23 MPa;股骨的应力峰值最小,为26.34 MPa;聚乙烯内衬的应力峰值最小,为5.288 MPa;聚乙烯内衬破坏区体积最小,为2.239×10-7 m3;(2)结果可见,假体安装角度为前倾角10°外展角50°时最理想,此安装角度髋臼、股骨、聚乙烯内衬的应力峰值和聚乙烯内衬破坏区体积均最小,可为临床提供参考数据。     

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...     

复杂受力下股骨应力分析

目的对人体在行走时身体发生扭曲、跌倒等情况下股骨可能发生在弯矩和压力复合荷载作用下的受力问题进行研究,为人工股骨头置换的设计和手术提供指导。方法应用大型通用有限元软件ANSYS进行受力分析,根据人体股骨的实际尺寸,采用plate42单元建立平面模型,将股骨头传递的关节力的作用点向外偏移为0mm、5mm、10mm、15mm,模拟股骨头受弯矩作用的情况下股骨应力分布。结果得出了在弯压复合荷载下股骨的变形、应力云图、股骨颈和股骨干上端的截面应力。结论股骨颈存在较大的应力集中现象,股骨颈外侧承受较大的拉应力,股骨颈内侧承受较大的压应力,股骨干在垂直方向上外侧为拉应力,内侧为压应力。随着弯矩的增加股骨的应力有明显增加。