基于MRI的人体指骨间关节三维有限元模型的建立及生物力学分析

目的 利用人指骨间关节的磁共振成像(MRI)数据,建立正常人指骨间关节三维非线性有限元模型,并对指骨间关节的生物力学变化进行初步探讨.方法 利用MRI对健康男性左手扫描,分别得到横切面与纵切面的层厚为1.5mm的不间断连续横断位与矢状位MRI图像.将图像导出并刻录存盘为DICOM格式文件.并利用Mimics 10.0软件,建立基于MRI图像数据的指骨间关节三维模型.然后使用Geomxgic Studio 8软件对模型进一步处理,包括光顺与打磨,存成IGES格式的三维几何模型.最后将模型导入ANSYS11.0软件进行网格划分和力学分析.结果 本文基于医学图像建立了与解剖结构非常接近的手指骨间关节三维有限元模型,分析了指骨间关节的受力情况,并对各种数据进行初步研究,为进一步指骨间关节的研究奠定基础.结论 ①根据MRl图像数据建立的三维模型,比CT扫描数据建立的模型更接近于真实解剖结构;②根据MRI图像建立的三维有限元模型为静力模型,能很好地分析指骨间关节的应力情况;③为进一步进行指骨间关节生物力学分析提供了方法 与平台.     

基于CT容积数据寰枢关节结构三维有限元建模

目的 利用寰枢关节并椎动脉增强CT扫描容积数据进行有限元建模,探讨建模的可行性及可能应用价值.方法 选取良好的CT扫描数据,其中包括寰枢关节、部分枕骨、第3颈椎及椎动脉数据,使用阈值及手工结合技术将各个椎体、椎动脉区分开来并保存为STL格式文件,在NETGEN自写的软件中进行几何模型及有限元模型建立,调整相关参数获取满意的有限元模型.结果 寰枢关节CT容积数据建模方法相对简单,获取的有限元模型结构清楚、逼真,模型图像显示解剖结构满意.与常规CT重建的三维图像进行比较,不仅能清楚地显示了寰枢关节、椎动脉等结构的形态,也能方便地选择性显示单一结构并进行三维解剖测量,实现与断面图像的相互补充,更具有寰枢关节旋转运动及受力分析等功能.结论 利用CT容积数据进行寰枢关节有限元建模,其方法可行、图像真实,同时可信度高.该模型的建立为相关生物力学、解剖关系的研究提供了基础与条件.     

颌面部包括咀嚼系统的数字解剖学有限元建模初步研究

目的初步探究基于解剖学和影像学对颌面部包括完整咀嚼系统的数字解剖学三维有限元建模的可行性,为进一步模拟颌面部生物力学做准备。方法采集第2代中国数字化人体"男性第23号"头颅CT图像、咀嚼肌MRI图像及双侧颞下颌关节盘MRI图像,以DICOM格式导入Mimics软件进行三维重建,再通过Geomagic Stadio软件配准模型、优化模型并构建数字化颌面部结构,最后将单个前牙的牙体牙周精细模型导入ANSYS进行有限元分析,检验模型的实用性。结果建立了一个包含全牙列牙髓、牙本质、牙骨质、牙釉质、牙周膜、上颌骨双皮质层、下颌骨双皮质层、下牙槽神经、颞下颌关节、关节盘、关节软骨、关节囊以及咀嚼肌肉系统和颌面的三维解剖学模型,以及单个前牙的三维有限元模型。结论基于CT、MRI影像和解剖学,利用医学影像处理软件Mimics、Geomagic Stadio及Ansys结合实构法和虚构法所建高精度颌面部模型具有全面性、先进性和实用性,可以为进一步模拟口腔医学临床中的实际问题提供理论依据。     

上颌前磨牙区种植单端桥三维有限元模型的建立

目的 通过建立上颌前磨牙区种植单端桥三维有限元模型,为研究其相关的生物力学分析奠定基础。方法 通过螺旋CT薄层扫描获取图像数据,导入Mimics软件初步处理,经Geomagic软件精修,由Solidworks软件装配各模块,应用有限元软件Ansys划分网格、赋予组织材料属性,建立适合生物力学分析的上颌前磨牙区种植单端桥三维有限元模型。结果 通过三维有限元技术建立了一个能反应上颌前磨牙区种植单端桥生物力学性能的有限元模型用于力学分析与研究。结论 本研究为构建上颌前磨牙区种植单端桥有限元模型提供了一个切实可行的方法,同时为进一步分析种植单端桥修复前后不同部位加载时种植体＿骨界面的应力大小及分布规律提供了模型基础。     

成人肘关节及前臂三维有限元模型的建立

目的建立成人肘关节及前臂三维有限元模型,为进一步进行生物力学研究打下基础。方法拍摄健康成人肘关节至腕关节薄层CT图像,将其导入Mimics、Hypermesh软件中建立肘关节及前臂三维有限元模型,用模型进行负荷加载实验并在LS—DYNA中运算,将结果与以往的实验数据进行对比验证模型的有效性。结果建立的肘关节及前臂三维有限元模型与实体解剖标本相似度高,通过模型有效性的验证能准确反映肘关节及前臂的生物力学特性。结论使用有限元法建立肘关节及前臂三维有限元模型进行生物力学研究是可行的。     

腕关节有限元骨性建模及力学分析

目的：探讨基于CT影像数据的腕关节有限元模型构建、受力分析,以期为开展腕关节生物力学有限元分析的研究提供参考。方法：选取1名29岁成年健康男性志愿者,对其右尺桡骨远端到近端指骨进行CT扫描,将所得图像导入Mimics 10.01中,建立腕关节三维有限元模型,将赋予材料属性的模型导入ANSYS10.0中,模拟体外生物力学试验,观测在轴向压力情况下腕关节各结构的应力分布。结果：成功建立了包括桡、尺骨远端,腕骨,掌骨,近端指骨,三角纤维软骨复合体等结构的三维有限元模型,计算并获得了掌骨受轴向压力下各腕骨的应力分布图。结论：在目前的个人计算机平台上依据CT影像资料,利用医学图像处理软件和三维重建软件可以准确、快捷地构建腕关节的三维有限元模型,并可根据模型计算轴向压力下的应力分布,为腕部有限元分析及整个虚拟手的构建提供了技术支持。     

上颈椎运动节段数字模型建立及三维可视化研究

目的:寻求连续CT断层图像重建上颈椎运动节段数字模型及三维可视化的方法。方法:基于上颈椎连续薄层CT图像,运用Mimics10.01软件重建上颈椎运动节段骨性和各种软组织结构,并导入有限元分析Ansys10中初步进行有限元分析验证。结果:成功建立上颈椎运动节段三维数字模型并实现可视化。模型包括:C0~3骨性结构并区分皮质骨与松质骨、C1~3关节软骨盘、C2,3椎间盘和6种韧带结构。上颈椎有限元模型初步验证结果与体外生物力学实验和临床结果相符,可进一步行各种上颈椎有限元分析。结论:Mimics软件基于薄层CT图像建立上颈椎有限元模型提供了一个更为快捷精确的方法,所建模型逼真,几何相似性好,为研究上颈椎的生物力学性状创造了条件。     

基于CT图像的人体股骨上段有限元模型的建立

目的 建立人体股骨上段三维有限元模型,从几何上完全忠实于真实的解剖结构,作为今后对股骨进一步有限元分析的基础.方法 采用活体股骨上段为研究对象,应用CT扫描技术获取CT图像资料,运用三维图像重建软件3D-doctor进行图像重建,获取股骨上段三维坐标,输入有限元分析软件Cosmos/M,通过确定材料特性参数和网格化,建立完整的股骨上段三维有限元模型.结果 建立的三维有限元模型几何形状与材料特性还原良好,网格大小可根据研究者的需要在一定范围内自行调整,可以满足有限元分析的需要.结论 采用CT扫描资料建立股骨三维有限元模型切实可靠,可以最大限度地忠实于个性化的解剖结构,且利用这种方法可以更精确地模拟复杂几何形态的实体.     

基于CT和MRI数据建立人脊柱腰段三维有限元模型

目的:本研究旨在利用CT及MRI图像DICOM数据对正常人脊柱腰段主要结构进行三维重建,然后对模型进行网格划分和材料属性设定使其成为有限元模型并验证模型的有效性。方法:选取一健康成年男性志愿者进行CT和MRI扫描采集数据,以DICOM格式存储入可读写光盘。利用Mimics14.0软件依据CT数据重建L1~L5椎骨及骶骨上部的三维模型,依据MRI数据重建L1~L5椎间盘髓核的三维模型。将所建模型导入Geomagic12.0软件中对位组装,并生成椎间盘模型和韧带模型。将所有模型导回Mimics14.0中组装并自动划分面网格和体网格。将模型导入Ansys13.0中设定材料属性,重划网格,设置接触关系,对第五腰椎椎体和下关节突关节面进行约束。在Ansys13.0中对模型的L4~L5节段分级加力验证模型有效性。结果:建立了人脊柱腰段的三维模型及有限元模型,包含L1~L5的椎骨、5个椎间盘、骶骨上端、前纵韧带、后纵韧带等重要结构。该模型与脊柱标本相比具有较高相似性且可以进行有限元力学分析。结论:基于CT、MRI图像DICOM数据通过Mimics14.0、Geomagic12.0和Ansys13.0软件可以重建出人体脊柱腰段的椎骨、椎间盘等结构的三维模型和有限元模型。三维模型解剖结构相符度高,有限元模型准确有效,可以用于有限元分析。     

轴向应力作用下的舟骨有限元分析

目的 快速、准确建立舟骨有限元模型,分析其轴向应力下的力学分布.方法 采用美国GE LightSpeed VCT(64排螺旋CT)对健康志愿者1例(男性,24岁,无腕部疾病史)扫描获取CT扫描图像,将12具尸体标本与Instron Model 1011型力学试验机相连接,扫描压敏图像,得到腕关节的受力面积和应力分布,通过CT扫描图像数据对腕部进行三维有限元建模,计算并分析舟骨受轴向压力作用下正常腕部载荷传递及接触应力的分布.将此实验数据及以往文献数据与有限元模型的数据进行对比以验证有限元模型的精确性.结果 本模型构架了包括桡骨以及近端掌骨的腕部整体三维有限元模型,共有节点73 588个,单元39 7344个;桡舟关节面受力面积约为153.35 mm2,应力大小约为54.28 MPa,最大应力约为2.72 MPa,桡舟关节面受力面积约为90.00 mm2,受力大小约为45.72 MPa,最大应力约为3.45 MPa,舟骨载荷传递及关节接触应力分布情况与实验数据相接近.结论 所建模型结构完整,空间结构准确,轴向压力作用下加载模拟形象、逼真,客观反映舟骨三维解剖形态结构和生物力学特点,本模型可以较好地模拟舟骨以及腕关节载荷传递与接触应力的分布情况.     

脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析

［摘要］ 目的建立正常脊柱腰段三维有限元模型,为生物力学研究及腰椎损伤研究提供可靠模型。 方法采集1名健康成年男性脊柱腰段CT和MRI断层影像数据,应用Mimics软件依据CT数据对全部腰椎骨及骶骨上部进行三维模型重建,依据MRI数据对L1~L5椎间盘髓核进行三维模型重建。将椎骨与髓核进行空间配准,在此基础上建立椎间盘、关节囊和韧带的三维模型。在Ansys中划分网格并定义材料属性,对模型施加运动性载荷模拟脊柱腰段处于前屈、后伸、侧弯和扭转等运动工况下的生物力学特征,验证模型的有效性。 结果建立了完整的脊柱腰段三维有限元模型,包含椎骨、椎间盘、骶骨上端、韧带、关节囊等重要结构,总节点数为104 190个、总单元数为339 165个。模型通过有效性验证,运动工况下的角位移范围和椎间盘的应力分布特点符合腰椎的生物力学特性。 结论本研究建立的三维有限元模型仿真度高,可用于脊柱腰段的生物力学研究以及模拟疾病和手术对腰椎生物力学的影响。     

髋关节三维有限元模型的构建及关节囊修复预后分析

目的 构建髋关节置换的三维有限元模型,模拟关节囊修复和术后康复活动,比较两种关节囊修复方法的生物力学差异。方法 以骨-囊-骨方式采集6个冷冻髋关节的后关节囊韧带复合体标本,用万能材料试验机测定标本的载荷-应变曲线等力学特性。采集一名志愿者骨盆及下肢薄层CT扫描数据导入Mimics软件,构建髋关节的三维模型,在CATIA软件中建立臼杯、股骨假体、关节囊的三维数字模型导入Mimics,模拟行全髋关节置换手术（THA）,装配后数据导入ABAQUS软件中,根据解剖研究、力学结果、本构方程设定关节囊属性,测量、比较屈髋过程中,解剖和传统修复关节囊的生物力学差别。结果 关节囊韧带复合体标本测试平均极限拉伸应变（39.21±5.23）%、极限拉伸强度（1.65±0.38）MPa。有限元模型应力-应变曲线与标本力学测试的结果相似,符合关节囊的力学特征,屈髋活动时解剖修复的关节囊应力分布均匀,均在极限拉伸强度范围内,传统修复关节囊应力分布不均,屈髋90°时下部关节囊的拉伸应力达到关节囊标本的拉伸强度极限。结论 有限元模型可用于动态、量化、可视化分析髋关节囊应力分布,解剖修复比传统修复更符合生物力学特点。     

颅颈交界区畸形寰枢外侧关节生物力学稳定性的有限元分析

目的：利用有限元法分析颅颈交界区畸形（CJVM ）寰枢椎外侧关节生物力学变化。方法获取1例CJVM 枕骨和颈椎的CT扫描图像,利用三维造型和有限元软件建立颅颈交界区的三维有限元模型。施加生理载荷和边界条件,通过比较该模型与正常模型活动度的差异结合临床观察经验,验证模型的有效性,同时分析寰枢椎外侧关节应力分布。结果建立几何精度较高和参数设定可靠的CJVM有限元模型,通过模型发现各节段的活动度与相关尸体实验和有限元模型数据的结果相比总体呈偏小趋势,与一般CJVM患者临床实际运动表现相符合。获得了不同生理状况下畸形有限元模型寰枢椎外侧关节面的应力分布情况,可以合理解释寰枢外侧关节结构变异及其在维持寰枢椎之间稳定的重要作用。结论 CJVM 患者寰枢外侧关节结构发生变异,其生物力学稳定性对于术前的诊断和术中治疗操作具有一定价值。     

桡骨头三维有限元模型建立及生物力学分析

目的:构建起肘关节三维有限元模型,借助三维有限元法对桡骨头在各种损伤程度下、各种位置上及肘关节各种屈曲程度下生物力学改变的情况进行分析,为研究桡骨头病理形态及生理功能变化提供实验依据。方法:将1名身体健康的成人志愿者作为研究对象,不考虑肘部的所患有的疾病,前薄层扫描CT图像扫描右肘及前臂,在软件中导入Mimics、ANASY、LS.DYNA97数据以构建起肘关节三维模型,开展装配、分配网格、将属性赋予材料以及有限元计算等工作。结果:所构建起来的肘关节三维有限元无限接近实体解剖标本,对桡骨头实际解剖状态与生物力学行为进行了全面真实的体现,同时与CT切片图相对比以验证了其精确性。结论:借助三维有限元模型将生物力学模型可以为桡骨头正常力学行为以其病变、损伤的临床诊疗提供病理形态及生理功能变化基础,为临床诊疗奠定更坚实基础。     

人体髋关节三维有限元模型的建立及其生物力学意义

目的:构建正常人体髋关节的三维有限元模型,作为该部位进一步有限元分析的基础.方法:采用活体髋关节为标本,应用CT扫描技术及图形数字化方法获取髋关节的三维坐标,输入有限元分析软件,并通过确定材料特性参数和网格化,建立髋关节的三维有限元模型.结果:所构建髋关节三维有限元模型客观反映髋关节真实解剖形态及其生物力学行为,还原性良好,可以满足有限元分析的需要.结论:采用CT扫描资料建立的三维有限元模型切实可靠,实体建模法将有限元模型的几何特征和边界条件的定义与有限元网格的生成分开进行,减少了模型生成的困难.所构建的髋关节三维有限元模型,可以为髋关节力学行为以及骨折内固定、髋关节成型术的力学基础研究提供精确模型.     

颈椎（C0～C3）有限元模型的建立及验证

目的：建立具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性有限元模型并验证其有效性。方法：对1名健康成年男性,以层厚0．6mm进行连续颈部CT扫描得到骨窗断层图像,将CT数据导入到三维重建软件Mimics11．0中得到上颈椎的三维图像数据,再导入ANSYS8．1中生成上颈椎的三维骨性模型。依据文献资料及参考CT结果对上颈椎软组织进行建模,包括椎间盘、小关节和主要韧带结构。最后模拟生理载荷下测定模型各节段（C0-C1,C1～C2,C2～C3）的三维运动范围,并将所得结果与体外生物力学实验结果进行对比,验证所建颈椎有限元模型的有效性。结果：建立了一个较为详尽的上颈椎有限元模型。包括76799个10-node Solid 92单元,14670 Shell 93单元,80个2-node Link 10单元．1557个8-node Solid 45单元,56个Shell 63单元。结论：该模型的生物力学和几何学相似性很好．本实验方法是科学的、精确的。     

髋臼三维有限元模型的建立

目的:构建髋臼三维有限元模型.方法:选择成年湿髋臼尸体标本行CT扫描成像得到髋臼每层横截面图像,提取边界坐标,利用有限元分析软件ANSYS5.6构建髋臼三维有限元模型,三维十结点四面体实体单元进行网格划分.结果:所构建髋臼模型共划分为121 239个结点、112 491个单元,客观反映髋臼真实解剖形态及生物力学行为.结论:构建的髋臼三维有限元模型为髋臼骨折内固定的记忆力学研究提供可循模型.     

基于解剖数据建立人眼组织的三维有限元模型

目的借助计算机辅助设计(CAD)软件,探索利用人体解剖数据,建立人眼组织的三维有限元模型的方法,为相关的眼外伤仿真研究提供技术平台。方法收集眼组织的解剖学数据,确定眼球、眼外肌、视神经的几何尺寸和配合位置,在UG NX2.0软件中制作草图、设计零件并组装成三维实体模型,模型导入Hypermesh 8软件进行划分网格,导入ANSYS软件进行材料赋值和节点耦合,最终建立人眼组织三维有限元模型。结果成功建立了由7 047个单元和5 642个节点组成的人眼组织三维有限元模型。结论基于解剖学数据,利用计算机辅助设计软件和有限元软件建立眼球组织的三维有限元模型,模型忠实于人体解剖学数据,为进一步进行眼眶骨折生物力学研究和眼外伤研究提供了技术平台。     

人体胸部有限元模型研究

目的 建立人体胸部的三维有限元模型,以用于单兵防护工程研究.方法 以CT的扫描数据为重建源图像,利用医学图像重建软件Mimics进行三维重建;在有限元前处理软件ANSYS ICEM CFD中进行单元网格划分,并为模型各部分指定相应的材料特性参数;在有限元软件ANSYS LS-DYNA中完成有限元模型建模,并参照既往尸体实验数据检验模型有效性.结果 建立了近似人体胸部解剖结构的有限元模型,模型的模拟计算结果和既往尸体实验结果基本相符.结论 利用人体断层数据和专业软件,能够完成有限元模型的重建,模型能够满足单兵防护工程研究中进行人体胸部冲击相关数值分析的需要.     

腰椎间盘摘除新型三维有限元模型研究

目的 建立腰椎L4/5运动节段椎间盘摘除的三维有限元模型,用于进一步的生物力学研究.方法 将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX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转换成三维有限元模型.去除模型中L4～5椎间盘右后侧1/4的纤维环中部全层及约1/4的髓核单元,以模拟腰椎间盘摘除手术.结果 建立了L4/5运动节段椎间盘摘除的三维有限元模型.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椎间盘摘除的三维有限元模型,用于脊柱生物力学的研究.