TM种植体骨界面应力分布的有限元分析

背景:种植体形态是决定种植体骨界面应力分布的重要因素之一。探讨顺应人体正常颌骨解剖形态的TM种植体骨界面的应力分布特征对临床医生选择和设计种植体有指导意义。目的:观察集中荷载作用下TM种植体及其周围骨组织应力分布的特征。方法:通过逆向工程技术,将二维下颌骨CT图片转化为三维实体模型,并建立3种包含不同锥度的TM种植体真实下颌骨B/2类骨质的有限元模型,利用有限元技术研究两种加载方式下TM种植体骨界面应力分布特征。结果与结论:垂直加载时,对于锥度较大的TM种植体周边密质骨承受较小的应力;斜向加载时,对于锥度较大的TM种植体周边密质骨和松质骨承受较大的应力;种植体颈部,密质骨上缘与种植体接触处和种植体底部松质骨出现明显应力集中现象,斜向荷载下种植体骨界面的应力分布显著高于垂直荷载下的应力分布。从1/2长度开始变化的TM种植体骨界面在垂直荷载下表现出较好的应力分布特征。     

TM种植体骨界面应力分布的有限元分析

背景：种植体形态是决定种植体骨界面应力分布的重要因素之一。探讨顺应人体正常颌骨解削形态的TM种植体骨界面的应力分布特征对临床医生选择和设计种植体有指导意义。目的：观察集中荷载作用下TM种植体及其周围骨组织应力分布的特征。方法：通过逆向工程技术,将二维下颌骨CT图片转化为三维实体模型,并建立3种包含不同锥度的TM种植体真实下颌骨B/2类骨质的有限元模型,利用有限元技术研究两种加载方式下TM种植体骨界面应力分布特征。结果与结论：垂直加载时,对于锥度较大的TM种植体周边密质骨承受较小的应力;斜向加载时,对于锥度较大的TM种植体周边密质骨和松质骨承受较大的应力;种植体颈部,密质骨上缘与种植体接触处和种植体底部松质骨出现明显应力集中现象,斜向荷载下种植体骨界面的应力分布显著高于垂直荷载下的应力分布。从1/2长度开始变化的TM种植体骨界面在垂直荷载下表现出较好的应力分布特征。     

微型种植体植入角度对骨界面应力峰值的影响

背景:近几年,微型种植体骨性支抗很大地扩展了正畸治疗的范围。种植体周围合适的应力分布有助于降低种植体脱落率。目的:分析微型种植体不同植入角度对骨界面应力峰值的影响。材料:颌骨CT扫描数据依据董玉英的扫描结果。参照德国Medicon公司生产的螺纹型微型种植体(纯钛,Aarhus Screw Syst1.6型)建立种植体模型。方法:应用颌骨CT扫描图象建立三维有限元模型,在下颌第1磨牙及第2双尖牙间分别以向30°,60°,90°,近中向30°,60°植入种植体,给以水平方向1.96N加载。主要观察指标:计算种植体周围骨界面最大第1主应力(拉应力),第3主应力(压应力)及Von-Mises应力蜂值和位移峰值,分析骨界面上的应力分布特点。结果:近中30°植入的拉应力、压应力及Von-Mises应力峰值都明显小于其他模型,种植体Von-Mises应力主要集中在种植体-骨界面的颈部,并在皮质层内迅速衰减,松质骨内的Von-Mises应力很小,靠近载荷的一侧受压,另一侧受拉。结论:植入角度对应力分布有明显影响。不同加载条件下应力集中部位均出现在种植体颈部。减少植入角度及减少载荷线与种植体长轴的夹角可以降低应力峰值。     

医学有限元的建模方法

目的：对目前国内医学界主流建模方法进行评价,为进一步改进建模技术提供参考. 方法：应用计算机检索万方数据库,Medline 2000/2006与有限元建模相关的文献,通过查找全文,并阅读文后的参考文献的方法选择文献,主要选择介绍医学有限元建模用软件方面的文章,排除重复文献,然后总结分析. 结果：目前国内常用的有限元软件有：①MSC公司的框架式前后处理集成和有限元分析系统MSC.PATRAN;大型通用结构分析有限元软件MSC.NASTRAN;高度非线性有限元系统MSC.MARK.②Ansys公司的支持WINDOWS可以进行各类非线性分析的ANSYS.③HKS公司的通用产品化大型有限元软件ABAQUS.④ALGOR公司的Super-SAP.常用的建模方法有直接建模法、CAD辅助法和MATLAB法.有限元方法与CT三维重建技术及其他虚拟现实技术的结合是发展的方向,这有赖于集成强大图像处理功能的医学有限元软件的发展. 结论：近年来,随着计算机技术的发展,国外对人体的器官和组织建立的模型正向高精度、整体化、动态化发展,但目前国内文献报道的建模方法仍停留在手工操作阶段,模型也缺乏统一标准.     

腰椎运动节段新型有限元模型建立及其生物力学意义

背景腰椎力学性质较常见的研究方法有动物模型、物理模型和尸体模型,但每种都存在一定局限性.目的建立腰椎运动节段的有限元模型,为腰椎生物力学研究提供理论依据.设计以健康志愿者为研究对象的单一样本研究.单位一所大学医院的骨科.对象实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成.选择1名健康男性志愿者作为模拟对象.方法对1名健康志愿者脊柱T12～S1节段进行层厚2 mm的连续扫描,共获得CT断层图像264幅,将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX软件建模形成正常中国男性L4-5运动节段的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转换成有限元模型.主要观察指标①3DSMAX软件中椎体、椎间盘模型.②SAP2000软件中运动节段有限元模型.结果建立了腰椎L4～5节段的有限元模型,模型总节点数为2 120个,包括1728个Solid单元,592个Area单元,50个Link单元.结论通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以建立腰椎运动节段的有限元模型,用于脊柱生物力学的进一步研究.     

成人髋臼发育不良髋臼内壁内移截骨的有限元分析

背景:成人髋臼发育不良晚期并发髋关节骨性关节炎常需行全髋关节置换.由于不同患者髋臼病变的严重程度有很大差别,导致重建髋臼时难度明显增加,而髋臼内壁内移截骨能良好解决对臼杯假体的包容,但对截骨后髋臼内壁的内移范围仍存有争议.目的:通过计算机辅助设计有限元分析,寻找髋臼内壁截骨的合适内移范围.方法:利用SolidWorks 2008软件建立髋臼发育不良骨盆的三维模型,模拟髋臼内壁内移截骨术式,使髋臼内壁骨从未完全陷入盆腔内保持2 mm骨性接触处开始,逐渐内移至完全陷入盆腔内7mm处,每隔1 mm为1个实验组,分成10个实验组.将每组髋臼人为划成4个象限,分别对各组假体髋臼-骨界面间进行计算机模拟对比力学实验分析,测量出髋臼假体-骨界画间的Mises应力及剪切应力值.结果与结论:第1,5,6,9,10组在后下、前上、前下3个象限内的Mises应力分布不均匀;第2,3,4,7,8组在后下、前上、前下3个象限内的Mises应力分布均匀,其中第4组Mises应力分布更为均匀.第2,3,4,7,8组在上述3个象限内的剪切应力分布均匀,第7,8组剪切应力最小.提示关节力在髋臼内的分布主要集中在后上象限,随着臼杯不断内移,臼杯与骨的接触面积会逐渐增大,从而增加接触面上的Mises应力,但剪切应力随髋臼内壁的内移而减小.因此髋臼内壁截骨合适的内移范围在未入盆腔内1 mm到完全陷入盆腔1 mm,最佳位置在完全陷入盆腔1 mm处.     

有限元分析在口腔生物力学中的应用

背景：在口腔医学中存在着大量的生物力学问题,有限元法是对人体力学行为进行数值模拟的一种有效工具,其在口腔生物力学中的应用越来越广泛。目的：综述有限元法在解决口腔正畸、口腔修复、口腔种植、口腔颌面外科等领域生物力学问题的研究进展。方法：以＂有限元分析;口腔;生物力学＂为中文关键词,以＂finiteelement analysis（FEA）;oralcavity;biomechanics＂为英文关键词。采用计算机检索PubMed数据库、维普数据库1995-01/2011-10有关有限元分析法在口腔生物力学领域应用的文章。结果与结论：有限元分析可以对口腔结构、形状、载荷和材料力学性能等进行应力分析,可获得模型任何部位的应力值和位移值,并借助计算机从而快速精确地求解,客观、准确、真实地反映应力的分布状况,为研究口腔医学中的有关基础性问题、解决口腔医学中的临床实际问题、发展口腔临床技术手段提供了力学基础,为进一步研究口腔疾病治疗方法提供参考和借鉴。     

两种颌间牵引对下颔骨微种植体及周围影响的三维有限元分析

背景：有限元分析能够模拟正畸治疗方法,并对模型进行生物力学分析,此方法被认为是一种重要的、新的正畸生物力学分析方法。目的：以三维有限元方法分析下颌骨微种植体及周围牙齿在颌间Ⅱ类、Ⅲ类牵引状况下的应力分布。方法：选择一个牙列完整（无第三磨牙）,咬合关系正常,后牙中性颌,无任何颞下颌关节紊乱症状和体征及病变的成年女性志愿者,24岁。采用螺旋CT对志愿者行闭口位头颅CT断层扫描,应用Ansys多种软件结合的方法,建立颞下颌关节、下颌骨及下颌牙列、微种植体的三维有限元模型,模拟临床颌间II类、III类牵引对微种植体及周围牙齿应力的影响,并对其进行分析。根据方向分别加载,力值为1N。结果与结论：①所建三维有限元模型具有较好的几何相似性。②颌间Ⅱ类牵引：种植钉在上颌在尖牙和第一前磨牙之间,下颌在第二前磨牙和第一磨牙之间。第一磨牙应力分布大于第二前磨牙,但第二前磨牙牙周膜应力分布大于第一磨牙牙周膜。③颌间Ⅲ类牵引：种植钉在上颌在第二前磨牙和第一磨牙之间,下颌在尖牙和第一前磨牙之间。下颌尖牙及其牙周膜应力分布大于下颌第一前磨牙。④微种植体及周围牙齿在进行颌间牵引时应力分布变化微小。     

基于图像处理和Matlab的平面有限元自动建模

目的：提出一种基于数字图像处理和Matlab的平面任意区域有限元自动建模方法。方法：图像特征点提取用数字图像处理技术得到，利用Matlab进行单元自动划分，得到有限元分析数据。结果：提取特征点和单元自动划分合并为一个步骤，因而提高了效率。结论：此方法能有效地处理具有多连通和复杂轮廓的医学图像，给出实验结果证明其有效性。     

建立正常人C2～7的三维有限元模型

背景：随着计算机技术的发展,颈椎生物力学研究不再局限于动物或人体尸体实验,计算机模型可以进行更准确的生物力学研究。目的：在已有研究的基础上,建立人体C2～7三维有限元模型,以期为颈椎前路分节段减压融合的生物力学研究提供参考数据。方法：选择1名28岁健康男性志愿者为观察对象,无明显的颈椎病史,扫描前先拍摄颈椎正侧位、斜位、过伸过屈位X射线片以排除颈椎病变。首先根据志愿者CT扫描图片,采用计算机辅助设计数据处理技术,输入相关的材料特性,构建C2～7三维有限元模型。模型重建采用先进的Geomagics系统,可以准确模拟颈椎结构,有限元部分则采用广泛使用的ANSYS系统。其次在1.8N？m作用力下,观察节段运动与力-位移反应,并与国外的实验结果对比,在前屈、后伸、侧弯和旋转等4种工况（载荷状态）下对模型进行验证。结果与结论：整个模型包括C2～7六个椎体、C2/3～6/7五个椎间盘以及后部结构与主要韧带,共有23348个节点和215749个单元。在模拟外力的作用下,模型前屈、后伸、侧弯和旋转工况下的颈椎活动度与以往实验模型结果数据基本吻合。提示所建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验,进行生物力学分析。     

构建失语症计算机训练系统软件模型：设计与使用特征

背景：有研究表明,失语症的辅助治疗手段主要是通过计算机训练系统,目前市场的应用型软件主要是汉语失语症训练系统软件。此软件对母语为维吾尔语的维吾尔族失语症患者并不适用,针对维吾尔语失语症训练软件的研发至今少有报道。目的：根据康复治疗师训练维吾尔族失语症患者的治疗规范,构建了一种适合于维吾尔族失语症的训练软件。方法：于2013年1至12月,在新疆维吾尔自治区南、北疆地区,深入调研维吾尔族常用及熟悉的生活素材,结合维吾尔族的生活习俗,筛选出相应的言语康复训练素材,初步建立维吾尔族生活言语素材数据库,并以此数据库为基础设计出维语、汉语双界面的计算机辅助应用软件。由软件设计研发人员按照本课题组成员的要求,设计出具有维语、汉语双界面的言语康复训练软件,然后筛选新疆维吾尔族脑卒中失语症患者30例,将软件进行临床实验和评价,经过多次修正,详细记录实验阶段中出现的问题和有价值的数据。再与软件工程师不断沟通,将训练过程中的不妥之处反复修正,最终研发出一套基本成熟的失语症（维吾尔语）训练系统V1.0。结果与结论：试验设计出了一套基本成熟的失语症（维吾尔语）训练系统 V1.0。此软件的研发为新疆言语治疗师提供了一种功能完善、操作简便、扩展灵活的训练工具,有助于减轻言语治疗师的工作负担,从而提高临床效率。     

足部有限元建模方法应用现状

背景:有限元分析因其在生物力学研究方面独特的优势,近年来逐渐成为足部疾病病理机制、治疗及矫形支具制作等研究领域的有力的工具.目的:就足部有限元模型的建模方法应用进展,包括数据的采集方法、材料的特性和参数、建模方法和常用有限元软件做综述.方法:通过计算机检索中国期刊全文数据库(CNKI)、PubMed数据库、万方数据库及维普数据库1980-01/2009-05期间的相关文章,检索词为"有限元法,有限元模型,足,Finite element method,foot,Finite element model.主要纳入了有关有限元法数据的采集方法研究、足部的材料的特性和参数的研究、建模方法研究等方面论文资料.对方法重复、相关参数未做详细介绍的论文予以剔除.结果与结论:从CT和MR图像上获得研究对象数据的方法是目前最为广泛使用的方法.在CT三维重建技术与有限元三维重建技术间建立程序接口,使有限元软件可以直接读取CT三维建模,将成为医学有限元建模发展的趋势.目前足部有限元模型的材料特性和参数大多参考国外文献,尚未见国内开展材料参数的测试研究工作的报道.在材料特性方面,适应生物力学研究的非线性和组织各向异性足部模型将成为主流.     

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。     

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。     

仿真环境下医学器官的三维有限元建模方法

背景:通过医学影像图片数据进行三维重建的模型主要应用于医学临床分析,而采用激光扫描进行逆向重建时建立的模型主要用于生物力学分析。生物力学模型建立的精确程度,直接影响分析结果。目的:分析采用医学影像图片数据和三维激光扫描重建医学器官模型的两种方法及意义。方法:①通过人体CT断层扫描医学影像图片数据,并运用医学重建软件进行三维重建。②采用三维激光扫描仪对医学模型进行扫描得到点云数据,再利用逆向处理软件实现医学器官模型的逆向重建。结果与结论:两种方法都可以建立符合人体解剖结构、可进行生物力学仿真计算的几何模型和有限元模型。医学影像CT/MRI数据重建的三维模型,能够真实再现被扫描对象的表面特征及内部结构,该模型为临床辅助诊断、手术规划、整形、假肢设计及解剖教学等方面提供了可靠的参考模型。三维激光扫描所得点云数据进行逆向重建,具有测量精度高、速度快,能够反映所测标本的表面形态,该模型可在交通运输、军事领域中因发生钝性冲击对人体内部器官造成的损伤进行计算机仿真分析。     

仿真环境下医学器官的三维有限元建模方法

背景：通过医学影像图片数据进行三维重建的模型主要应用于医学临床分析,而采用激光扫描进行逆向重建时建立的模型主要用于生物力学分析。生物力学模型建立的精确程度,直接影响分析结果。目的：分析采用医学影像图片数据和三维激光扫描重建医学器官模型的两种方法及意义。方法：①通过人体CT断层扫描医学影像图片数据,并运用医学重建软件进行三维重建。②采用三维激光扫描仪对医学模型进行扫描得到点云数据,再利用逆向处理软件实现医学器官模型的逆向重建。结果与结论：两种方法都可以建立符合人体解剖结构、可进行生物力学仿真计算的几何模型和有限元模型。医学影像CT/MRI数据重建的三维模型,能够真实再现被扫描对象的表面特征及内部结构,该模型为临床辅助诊断、手术规划、整形、假肢设计及解剖教学等方面提供了可靠的参考模型。三维激光扫描所得点云数据进行逆向重建,具有测量精度高、速度快,能够反映所测标本的表面形态,该模型可在交通运输、军事领域中因发生钝性冲击对人体内部器官造成的损伤进行计算机仿真分析。     

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。     

Seat-interface pressures on various thicknesses of foam wheelchair cushions: a finite modeling approach

OBJECTIVE: To investigate the effect of cushion thickness on subcutaneous pressures during seating by using a finite element modeling approach. DESIGN: Seat-interface pressure measurements were used in a computational model. SETTING: Biomechanics laboratory. PARTICIPANT: A single healthy man (weight, 70 kg). INTERVENTIONS: Subject sat upright either with or without cushions of various heights. Seat-interface pressures measured by using a sensor mat interfaced to a personal computer sampling at 15 Hz. MAIN OUTCOME MEASURES: Peak seat-interface pressure; finite-element software was used to model the buttock, ischial tuberosity, and seat cushion. Subcutaneous stresses were calculated from the model. RESULTS: The region of highest subcutaneous stress in the soft tissue was concentrated within 1 or 2 cm of the ischial tuberosity, with the maximum compressive stress inferior to the bottom surface of the ischial tuberosity. The maximum subcutaneous stress, maximum seat-interface pressure, and maximum subcutaneous shear stress each changed with cushion thickness. Subcutaneous pressures decreased with thicker cushions, but almost all of the reduction was obtained with an 8-cm cushion. The amount of subcutaneous shear stress increased slightly for thicker cushions. The maximum subcutaneous stress was greater than the maximum interface pressure but not by a constant factor. Instead, the former was consistently larger by 0.7 to 0.8 N/cm(2). CONCLUSIONS: Cushion use reduced the maximum subcutaneous stress inferior to the ischial tuberosity. However, increasing the cushion thickness beyond 8 cm was ineffective in further reducing subcutaneous stress. It was also found that seat-interface pressures were a good indicator of the subcutaneous stress reduction in seating.     

基于超级计算人体骨骼肌系统弯腰搬物整体有限元的建模与仿真

背景:目前有限元模型的建立大多通过CT成像技术建立三维三角面片模型,然后通过商业软件转换成四面体有限元网格,但建立的有限元模型无实体模型,不能进行切割或植入假体。目的:建立人体骨骼肌系统整体有限元模型,并对人体骨骼肌系统弯腰搬物运动进行基于超级并行计算的整体有限元仿真分析。方法:针对中国数字人工程所获得的冷冻切片数据进行人体骨骼肌系统的整体三维重建;建立人体骨骼肌系统各肢体部分有限元模型,利用系统集成的方法建立人体骨骼肌系统的整体有限元模型;对人体骨骼肌系统弯腰搬物运动行运动捕捉测量实验,进行人体骨骼肌系统弯腰搬物的整体有限元仿真分析。结果与结论:建立了人体骨骼肌系统的整体有限元模型,人体弯腰搬物过程中总体有限元仿真分析显示,腰椎部分是提供人体弯腰搬物运动的主要动力部分,而胸椎则在整个弯腰搬物运动中起的作用不大,结果分析同解剖学和生理学上的解释一致。说明建立的人体骨骼肌系统整体有限元系统集成建模方法和模型,能够有效真实地对人体骨骼肌系统整体运动过程中的微观力学行为进行仿真分析,为从整体角度研究人体骨骼肌系统的深层次力学现象提供了一种新方法。     

基于超级计算人体骨骼肌系统弯腰搬物整体有限元的建模与仿真

背景：目前有限元模型的建立大多通过CT成像技术建立三维三角面片模型,然后通过商业软件转换成四面体有限元网格,但建立的有限元模型无实体模型,不能进行切割或植入假体。目的：建立人体骨骼肌系统整体有限元模型,并对人体骨骼肌系统弯腰搬物运动进行基于超级并行计算的整体有限元仿真分析。方法：针对中国数字人工程所获得的冷冻切片数据进行人体骨骼肌系统的整体三维重建;建立人体骨骼肌系统各肢体部分有限元模型,利用系统集成的方法建立人体骨骼肌系统的整体有限元模型;对人体骨骼肌系统弯腰搬物运动行运动捕捉测量实验,进行人体骨骼肌系统弯腰搬物的整体有限元仿真分析。结果与结论：建立了人体骨骼肌系统的整体有限元模型,人体弯腰搬物过程中总体有限元仿真分析显示,腰椎部分是提供人体弯腰搬物运动的主要动力部分,而胸椎则在整个弯腰搬物运动中起的作用不大,结果分析同解剖学和生理学上的解释一致。说明建立的人体骨骼肌系统整体有限元系统集成建模方法和模型,能够有效真实地对人体骨骼肌系统整体运动过程中的微观力学行为进行仿真分析,为从整体角度研究人体骨骼肌系统的深层次力学现象提供了一种新方法。