有限元分析法研究脊柱生物力学的新进展

近20年来，有限元分析法在脊柱生物力学研究领域中已得到日益广泛的应用。本就近10年来国外学用有限元法研究脊柱生物力学的新进展作以综述。详细介绍了椎体、后部结构、问盘、韧带、肌肉组织在生理及病理情况下的生物力学特性，及不同术式、内固定器械对脊柱生物力学的影响；介绍了用有限元法研究某些疾病发病的力学机制的新成果；展望了有限元法应用于脊柱生物力学研究的前景。     

脊柱生物力学有限元分析法的概述

简述了有限元的概念及发展过程,主要从八个方面介绍了有限元分析法在脊柱生物力学上的应用,客观地评价了此种方法的优缺点及存在的问题和发展方向.     

有限元方法在脊柱生物力学中的应用研究

有限元分析可对形态、结构、材料和载荷情况及复杂的构件进行应力、应变分析,具有力学性能测试全面、可重复性等优点,目前广泛应用于脊柱复杂结构的生物力学研究中。文章简单介绍了有限元的概念、原理和建模方法,主要从腰椎、颈椎、内固定器械和术式选择上阐述了有限元在脊柱上应用。     

有限元分析在脊柱生物力学领域的应用

介绍了近年来有限元方法应用于脊柱生物力学分析的研究新进展,并讨论了其在临床工作中的实际意义,提出了建立有限元模型的一些思路,有限元分析作为一个理论性方法,必须与临床实践相结合才能真实,可靠地解释疾病的发生,发展经过,并为疗效预测提供参考。     

有限元法在脊柱生物力学应用中的新进展

本文归纳整理了近3年来使用有限元分析方法研究脊柱生物力学的主要工作,总结了有限元建模方法在建立微观结构以更细致化、常见椎骨参数权重的个性化研究、采用新标定校准和赋值方法使模型更准确化、自动化分网赋值方法4个方面的发展,及其在植入器械设计评估、椎间盘生物力学、异常脊柱结构生物力学、动态仿真4个脊柱生物力学应用方向的主要研究进展。并结合最新的研究趋势,对有限元法在创伤机理研究、手术模拟、新药评估等方面的应用前景进行展望。     

基于三维有限元模型的脊柱生物力学特性研究进展

脊柱相关疾病研究是一门新兴的边缘学科,其研究重点即为脊柱的生物力学特性.综合分析了基于三维有限元模型的腰椎和颈椎生物力学特性研究方法;总结出有限元建模的三种方法,即几何建模法、三维坐标仪建模法以及图像建模法;提炼出图像建模法的关键步骤,即几何模型的建立、椎骨和软组织的材料特性定义、边界条件定义以及模型验证分析;最后提出有限元建模的两个主要改进方面及其研究趋势.     

有限元分析在脊柱外科生物力学的应用

有限元分析是工程活动中的一个组成部分,其被应用于许多工业产品的设计测试中,如家电、汽车、航空等方面。这种方法首先于1950年代在航空业中发展起来,成为目前许多重要飞机构件设计的必需工具。1972年,Brekelmans等首次报道将有限元分析方法应用于生物力学方面研究。自此以后,有限元分析逐渐被广泛应用于生物力学研究,促进了人们对一些机体生物力学行为的深入理解。     

我国脊柱生物力学研究现状

引言 脊柱伤病在临床上颇为多见,医学工作者曾为改进诊断和治疗,探讨脊柱疾患进行过不懈的努力,但仍有不少问题尚未明了。近二、三十年来随着生物力学的发展,得知脊柱伤病的许多问题都与力学密切相关。本文试就我国脊柱生物力学在这一问题上的研究作一简要回顾。     

有限元分析法在脊髓损伤生物力学中的研究进展

脊髓损伤时的变化非常复杂,动物模型很难精确模拟损伤环境以及测量局部组织的生物力学属性,而有限元模型则可以通过分析脊髓组织的应力和应变分布,从生物力学角度为脊髓损伤的病理研究和治疗提供一个更为高效的方法。目前,有限元模型已被广泛应用,并与动物实验模型相辅相成。本文回顾了有限元法在脊髓损伤中的研究进展,对有限元法在脊髓本体建模、脊髓损伤的生物力学行为及其临床应用等方面的研究现况进行归纳及总结,以期为临床脊髓损伤问题提供更为全面的理论参考。     

脊柱生物力学的有限元法研究进展

背景：有限元分析法可取代传统的生物力学实验法进行数字化仿真,重复实验分析,在脊柱生物力学研究中的运用日益广泛且深入。 目的：旨在强调运用有限元法对脊柱解剖,脊柱疾病,脊柱相关手术,以及脊柱的有限元模型的建立进行简要的阐述。 方法：以“有限元;脊柱”为检索词,检索Pubmed文献检索数据库以及中国知网数据库2000-01/2010-08文献。选择文章主要内容与脊柱的有限元分析直接相关的、针对性强、代表性好、相关领域权威杂志的文章共44篇进行综述。 结果与结论：有限元方法将发挥它低成本,可重复性强的特点,在深化理论研究的同时,还将为临床上提高对疾病发生、发展的认识,以及选择个体化治疗方案提供可靠的依据。有限元研究已经成为数字医学的重要组成部分。利用有限元方法人们进一步加深了对脊柱生物力学特性的认识。     

踝关节三维有限元生物力学研究的临床转化

背景：踝关节是人体的负重、足部压力的缓冲和人体与地面接触的枢纽,极易受到损伤;骨科生物力学领域的研究不断成熟和发展,利用三维有限元软件建模分析踝关节生物力学并研究临床疾病逐渐成为研究热点。 目的：探讨踝关节三维有限元生物力学的研究现状,并对其临床研究进展作一综述。 方法：应用计算机检索CNKI期刊全文数据库和PubMed数据库中1986年1月至2014年3月关于踝关节有限元的文章,以“踝关节、有限元、生物力学、力学研究”或“ankle, finite element, biomechanics, mechanics research”为检索词进行检索;排除与研究目的无关和内容重复的文献;保留47篇文献进行综述。 结果与结论：踝关节生物力学机制复杂,各种损伤后都可能打破其周围结构的力学平衡而导致不稳定,诱发创伤性关节炎。踝关节三维有限元模型可准确反映解剖学结构特点、虚拟仿真可以再现手术方式及过程逼真的模拟,模拟压缩、拉伸、弯曲、扭转、抗疲劳等力学实验,并从静态的生物力学转向动态的方向研究,为分析临床疾病进而找到更合适的诊治方案。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

关于腰椎三维有限元模型的建模及有效性验证*

[摘要]目的 利用三维有限元原理，通过三维 有限元软件创建正常人腰骶椎三 维有限元模型，并对 模型进行有效性 考证。方法 选取一名健康成年男性志愿者，在平卧非承重条件下采用螺旋CT行薄层扫描，利用数字软件Simple ware2.0、Geo magic studio9.0、Hypermesh10.0、ANS YS9.0及Abaqus6.10-l等建立正常人腰骶椎（L3-S1）模型。对健康完整模型进行四种状态（前屈、后伸、侧屈和轴向旋转）的加载分析，并将L3-L4在不同工况下的角位移与以往文献结果比较，来验证模型的有效性。结果 建立健康成年男性的L3-S1三维有限元模型，包括72158个节点，173035个单元；模型L3-L4节段在前屈、后伸、侧屈及旋转运动时的角位移数值与其他实验数据对比相似性好，各椎间盘最大Von Mises应力与文献结果一致。结论 通过有效性验证，可认为该基于正常人体L3-S1腰骶部的三维有限元模型在一定的条件下是有效的，可用于生物力学实验。     

正常颈椎有限元模型建立及有效性验证

目的：建立颈椎C2～C7节段三维有限元模型,分析模型的生物力学特征,进行有效性验证。方法：招募一名健康志愿者为建模对象,利用64排螺旋CT进行颈椎连续性断层扫描,扫描区域设定为枕骨至C7椎体节段。将获得的图像数据DICOM文件导入至Mimics图像分割软件中,对颈椎骨性结构进行分割提取。在Geomagic studio软件中对获得的颈椎骨性结构模型进行去噪、光顺、修补填充等处理,拟合曲面实体,并偏移分割生成皮质骨与松质骨,将模型保存为STEP文件。在Solidworks软件中完成椎间盘髓核、纤维环及关节软骨结构的建立与模型的组装匹配。ANSYS Workbench软件中添加材料属性、接触关系、边界条件及载荷,测量颈椎在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种应力作用下位移变化。结果：成功建立颈椎C2～C7节段有限元模型,颈椎C2～C3屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为7.2°、8.2°、5.3°,颈椎C3～C4屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为7.2°、8.1°、6.2°,颈椎C4～C5屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为8.1°、7.9°、7.8°,颈椎C5～C6屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为6.9°、...     

颈椎有限元模型的建立方法及进展

详细论述建立颈椎有限元模型的四项基本准则(解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证)及其实现方法。回顾现有的一些具有代表性的颈椎有限元模型,并指出其未来发展的一些新动向。     

颈椎有限元模型的建立方法及进展

详细论述建立颈椎有限元模型的四项基本准则（解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证）及其实现方法。回顾现有的一些具有代表性的颈椎有限元模型，并指出其未来发展的一些新动向。     

三维有限元分析在脊柱生物力学中应用研究

三维有限元分析方法作为脊柱生物力学研究方法之一,随着人们对脊柱力学特性的认识,有限元分析软件在国内外不断开发与应用,不但促进了有限元技术的发展,而且推动着脊柱生物力学研究更深入发展。作者从有限元法概念及原理、脊柱有限元模型构建、颈椎和腰椎三维有限元应用、内固定器械三维有限元分析等方面综述了近年来的一些研究进展。     

胸腰椎骨折有限元后路矫形复位椎弓根螺钉内固定方案优选分析

目的:采用有限元分析的方法对脊柱胸腰椎骨折术后的不同内固定方式进行优选分析,获得数据分析结果,继而验证临床治疗方案的有效性,具有高度的拟真性和可重复性.方法:采用健康志愿者胸腰椎CT平扫获得的数据,在计算机内采用MINICS软件进行有限元模型重建.使用几何修剪法获得脊柱胸腰椎骨折模型及复位模型,按照临床常用的后路矫形复位内固定方案装配上后路椎弓根螺钉系统.分别对不同运动状态进行生物力学分析,优选出最佳方案.结果:3种不同内固定状态下椎弓根螺钉系统上的应力云图及位移云图均得分析,其中后路经伤椎椎弓根螺钉固定的六钉两棒固定法具有明显的优势(P＜0.05).结论:有限元分析方法优选脊柱外科最佳手术方案已经成为目前数字化医学的发展方向之一,为临床诊疗提供充分的数据支持,为个体化设计及手术方案的制定提供了充足的证据.     

人工椎间盘置换腰椎节段有限元模型的建立

目的：建立UL节段正常及人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用于进一步的腰椎生物力学研究。方法：取新鲜成人腰椎标本，通过螺旋CT扫描、图像数字化处理、三维图像重建技术及自由造型系统进行图像表面光滑处理，再对表面图像矢量化，转入有限元软件，建立L4／L5腰椎节段和SMH人工腰椎间盘的有限元模型，模仿腰椎前路椎间盘除术，建立人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用不同的材料参数仿真腰椎和人工椎间盘各结构特性。结果：建立了L4/L5节段人工腰椎间盘置换的有限元模型，模型由皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带和人工椎间盘等结构组成。模型分为53452个单元，86329个结点，其中包括53408个固体单元，44个缆绳单元。结论：通过CT扫描可以获得准确的腰椎几何构型数据，并可在此基础上建立高仿真脊柱节段有限元模型。     

Predicting bite force and cranial biomechanics in the largest fossil rodent using finite element analysis

Josephoartigasia monesi, from the Pliocene of Uruguay, is the largest known fossil rodent, with an estimated body mass of 1000 kg. In this study, finite element analysis was used to estimate the maximum bite force that J. monesi could generate at the incisors and the cheek teeth. Owing to uncertainty in the model inputs, a sensitivity study was conducted in which the muscle forces and orientations were sequentially altered. This enabled conclusions to be drawn on the function of some of the masticatory muscles. It was found that J. monesi had a bite of 1389 N at the incisors, rising to 4165 N at the third molar. Varying muscle forces by 20% and orientations by 10° around the medio‐lateral aspect led to an error in bite force of under 35% at each tooth. Predicted stresses across the skull were only minimally affected by changes to muscle forces and orientations, but revealed a reasonable safety factor in the strength of the skull. These results, combined with previous work, lead us to speculate that J. monesi was behaving in an elephant‐like manner, using its incisors like tusks, and processing tough vegetation with large bite forces at the cheek teeth.     

单双侧小关节分级切除的有限元分析

目的 :研究单双侧小关节部分和全部切除对腰椎稳定性影响。方法 :采用三维有限元法建立腰椎活动节段 (L3～L4 )的数学力学模型。结果 :全部切除L3～L4 节段间小关节 ,椎间盘纤维环的最大应力由 0 .72MPa上升为 0 .81MPa。活动节段的运动范围在单、双侧小关节切除时有明显增大 ,其最突出的倾向表现在轴向旋转和后伸旋转时 ,而前屈时最小。结论 :小关节不同程度切除后 ,腰椎活动节段纤维环最大VonMises应力的变化与其相对应的活动范围的变化呈明显的相关性。一侧小关节主要是限制活动节段向外侧扭转和向对侧弯 ,而对同侧的限制作用则较小