正常与骨质疏松髋关节模型的建立及有限元分析

背景：骨密度是临床上判断骨骼强度的金标准,但骨密度对骨量变化的敏感较低,只有骨量明显降低时骨密度才会出现大幅变化,故骨密度对骨强度变化和骨折危险度的预测能力有限。目的：建立正常与骨质疏松髋关节模型,分析单腿站立工况下正常及骨质疏松患者髋部应力及形变情况。方法：选择1例健康成年女性志愿者为研究对象,年龄36岁,获得该志愿者的髋部CT数据并以DICOM格式保存。对髋关节模型进行三维重建,通过灰度赋值法赋予材料属性,按照经验公式,获得正常与骨质疏松髋关节模型。设定相同的边界条件和载荷,模拟单腿站立位状态下正常与骨质疏松髋关节应力及形变情况。结果与结论：(1)在正常及骨质疏松髋关节有限元模型中,股骨颈内侧区域应力分布较为集中;(2)在髋骨中,应力分布主要集中于髋臼上部;(3)正常髋关节模型比骨质疏松性髋关节模型在股骨颈内侧、髋臼上部的应力峰值大,可能是由于骨质疏松性骨骼骨强度降低导致;(4)正常及骨质疏松髋关节模型的Von Mises峰值都集中于股骨颈内侧,髋骨Von Mises峰值较小,说明骨质疏松对髋骨受力整体影响相对较小;(5)单腿站立位下形变方面,正常髋关节模型最大形变位于髋臼与股骨头...     

股骨有限元模型材料属性分配梯度的优化分析

优化分析股骨有限元模型材料属性分配梯度,从而得到相对准确且经济的划分层数,为CT灰度值赋值法在医学有限元研究领域的应用奠定理论基础。首先选取1名成人志愿者的股骨进行CT密扫,将获取的DICOM格式CT序列医学图像数据输入Mimics中,并建构出3D渲染模型。在此基础上通过SolidWorks对模型实体化,导入HyperMesh进行体网格划分,再返回Mimics中,选择2、4、5、10、50、100、200、400层等8种梯度进行赋材质,最后将有限元模型在ABAQUS软件中设定工况,并实施仿真分析;同时构建股骨近端有限元模型,通过与文献数据对比分析来验证其有效性。结果表明,研究所构建的股骨有限元模型的应力、应变水平与有关文献的实验结果一致,其有效性得到充分验证。在材料属性分配梯度的优化分析中,2、4、5、400层材料属性时的应力与其他层材料属性相比具有显著性差异(P＜0.05),同时这4组材料属性之间的应力也具有显著性差异(P＜0.05),而10、50、100、200层的材料属性间应力则没有明显的结果偏差。10层材料属性既能提高运算速度,节省运算量,又能保证运算结果的精准性;CT灰度值赋值法适用于临床个体化快速有限元仿真分析。     

不同材料赋值下股骨静力学有限元模型的力学仿真分析

文题释义： 材料赋值：由于人体骨骼结构复杂,由骨膜、皮质骨和松质骨构成,并且不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法。 股骨模型材料赋值：给股骨分配不同的材料属性成为建立个性化有限元模型的基本步骤,而且材料属性分配将对分析结果产生很大的影响。但是目前有关不同赋值方法对人体骨科生物力学仿真分析研究的影响还很少有全面系统的研究。 背景：不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法,而材料属性分配将对生物力学分析结果产生很大的影响。 目的：采用不同的材料属性赋值方法建立3种股骨有限元模型并进行有限元仿真分析,探究不同材料赋值方法对股骨有限元生物力学仿真分析的影响。 方法：采集志愿者股骨CT扫描数据,以DICOM格式文件导入Mimics医学影像处理软件重建股骨模型,对模型分别赋予3种不同的材料属性,即均一材料赋值、皮-松质骨赋值和灰度赋值,并将模型导入有限元分析软件Abaqus 6.14中,设置相同的载荷和边界条件进行应力及位移分析。 结果与结论：①3种股骨模型的应力输出结果相差不大,且均在合理范围内;②但是均一材料赋值股骨模型与皮-松质骨赋值股骨模型的最大应力主要分布于股骨干部位,而灰度赋值股骨模型的最大应力分布在股骨颈处,这也与现实状态下股骨骨折部位主要出现于股骨颈部位所吻合;③皮-松质骨赋值模型和灰度赋值模型输出的位移值基本一致;而均一材料赋值的股骨模型位移值最小,并且与其他2种模型位移量相差40%左右;④提示灰度赋值的方法能够较好地反映人体股骨的生物力学特性,从而可以更准确地模拟真实股骨的生物力学特征,这也为骨科生物力学进行有限元仿真建模提供了重要理论依据。 ORCID: 0000-0001-5075-7333(颜继英) 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     

髋关节置换的三维有限元分析

目的本文建立股骨髋关节置换有限元模型，并进行了静力学模拟计算，寻求假体的材料属性对髋关节置换后产生的的影响。方法运用逆向工程与有限元的基本概念和理论，采用医学专用的建模软件mimics读取原始的股骨CT图片的dicom格式，完成股骨二维重建，然后根据股骨髓腔几何解剖状态应用CAD软件设计个性股骨假体。在ansys中对两个模型进行有限元装配，进行接触耦合分析!结果建立了精确的股骨模型和设计了个性假体。利用MIMICS基于灰度值进行赋材质，实现股骨有限元模型材料正确的非均匀及各向异性描述。成功模拟了三种假体材料置换后股骨的应力。结论三种材料中复合材料假体更接近人体生理环境，减弱了假体的应力遮挡，有利于力由假体传到到股骨上。为改进人工髋关节的设计、置换和提高人工髋关节寿命提供了一些有益的依据。研究结果表明这种假体设计和分析方法更为合理、可靠。     

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...     

不同材料属性赋予下椎体的静力学分析

背景:人体骨骼具有非线性强、骨质分布不均匀等特点,不同的弹性模量赋值导致静力学结果差异性大.目的:分析3种材料属性赋予方法在椎体数值模拟分析中的差异性.方法:基于逆向工程原理,通过图像分割建立腰椎L4、L5及椎间盘模型,对椎体模型赋予3种材料属性:①灰度值赋值:通过Mimics利用灰度值进行梯度赋值;②均质及灰度值混合...     

髋关节假体的三维有限元分析与材料结构设计

我们设计了具有复合结构的假体模型,采用ANSYS软件对髋关节假体进行了静态三维有限元分析,对比了材料的弹性模量、泊松比及复合结构半径比对假体应力分布的影响,通过对假体受到的正应力、剪切应力和合力情况的综合分析,提出了假体设计的新方案,即采用复合结构,使用模量低、泊松比大的外层材料和有足够力学性能的内层材料,并尽量增大复合结构的半径比。     

基于CT灰度值赋值的股骨头坏死有限元模型对比

文题释义： CT灰度值赋值：此赋值法利用CT灰度的不同,将组织划分为不同的等级材料,利用数学公式将CT灰度值与弹性模量进行转换运算,将不同骨组织材料进行相应赋值,能够较真实的体现骨组织内部的复杂情况,使模型更加准确。 股骨头坏死应力集中：正常股骨头内应力延压力性骨小梁均匀分布在股骨头内,坚硬的股骨距承受大部分应力。股骨头坏死的应力因坏死区骨小梁的断裂、硬化带及肉芽带的形成无法均匀传导下行,股骨头负重区、坏死区应力分布不均匀出现多个应力集中区域,与正常股骨头不同的是,应力分散于股骨颈内外侧。 背景：目前研究股骨头有限元模型多采用单例或较少样本建模用于特定的生物力学研究,对于模型稳定性研究不多。 目的：以正常股骨头和股骨头坏死建模进行多样本的模型对照,通过应力分布规律和力学参数的对比,分析模型的准确性和稳定性,为股骨头坏死塌陷防治提供力学基础。 方法：选择20髋经1年非手术治疗稳定未塌陷的股骨头为实验组,20髋单侧股骨头坏死患者的健侧设为正常组。采集股骨头CT数据分别建立有限元模型,观察正常股骨头与股骨头坏死应力分布、股骨头负重区最大等效应力与最大总形变量,对比并统计分析。研究方案经中国中医科学院望京医院医学伦理委员会批准,患者签署知情同意书。 结果与结论：①建立了正常股骨近端、无坏死股骨近端和坏死骨有限元模型,单元数和节点数分别为       502 568±114 196、692 608±154 678,449 954±125 824、623 311±171 401,19 133±13 167、27 577± 19 131;②模拟单足站立位进行载荷设定的云图显示：当施以体质量2.5倍压强作用于股骨头负重区表面时,正常股骨头负重区表面应力均匀,应力延压力性骨小梁均匀分布在股骨头内,股骨距承受大部分应力;股骨头坏死负重区表面及坏死区出现应力集中区域,头内应力分散于股骨头颈交界,股骨颈内外侧应力相当,且股骨头坏死产生的形变多于正常股骨头;③股骨头坏死与正常股骨头的负重区最大总形变量分别为(4.14±1.31),(1.36±0.22) mm,最大等效应力分别为(1.94±0.77),(0.75±0.19)MPa,差异有统计学意义(P < 0.05),且两组数据偏于集中,模型稳定性较好。通过多样本的正常股骨头与股骨头坏死比较,证明了基于CT灰度值直接赋值反映了股骨头坏死的实际力学特性,具有较好的准确性和稳定性。ORCID: 0000-0001-5227-532X(薛志鹏);0000-0003-0831-1201(陈卫衡) 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     

均匀材料和基于CT灰度值材料的股骨、胫骨有限元分析

为了定量分析骨量分布与载荷环境的关系,基于CT数据建立了大鼠股骨和胫骨的三维有限元模型,并分别赋予均匀的材料特性和基于CT灰度值的材料特性,用描述骨密度与力学刺激关系的算法来评估简单生理载荷下两种材料模型的有限元分析结果。结果表明,基于CT灰度值模型的有效应力和应变能密度分布与CT灰度分布比较相似,相关系数也较均匀材料模型更高;而且,基于CT灰度值模型的抗断裂能力更强;除此之外,这类模型也更符合骨再造平衡时的力学刺激均匀性假设。基于CT灰度值的有限元模型符合骨的功能适应性原理,可用于进行骨骼内部受力、变形和断裂分析,以及骨再造的数值仿真等研究。     

Cam型髋关节撞击综合征关节软骨接触力学的有限元分析

目的 通过有限元方法探讨不同严重程度的Cam型髋关节撞击综合征(femoroacetabular impingement,FAI)关节软骨接触力学的变化。方法 建立正常髋关节及不同α角的 Cam型FAI髋关节三维有限元模型,计算行走、坐下、起立等日常活动下的关节软骨接触压力和应力。结果 完整步态周期加载过程中,不同α角的Cam型FAI软骨接触压力分布与正常髋关节接近,无高接触压力和Von Mises应力集中区域;坐下、起立加载过程中,Cam型FAI软骨接触压力均大于正常髋关节,且随α角的增加而增大,其接触区域主要位于髋臼缘前上方,局部出现过高压力和Von Mises应力集中。结论 Cam型FAI软骨接触力学变化的关键影响因素是运动方式,关节软骨过高的接触压力和Von Mises应力,可能是其引起软骨退变并最终导致骨性关节炎的力学原因。     

各向异性松质骨弹性性能有限元分析

骨质疏松会导致松质骨细化从而降低松质骨力学性能。为了评估椎体松质骨的力学特性,文中采用有限元参数化建模,利用十四面体模型模拟棒状小梁骨的微结构,对各向异性松质骨的弹性性能进行了计算分析。通过控制输入参数Tb.Th、Tb.Sp、E0模拟不同骨质疏松程度的松质骨。计算结果表明,松质骨模量与骨体积分数呈平方律关系;随着各向异性比的增加,松质骨纵、横向模量间的比值呈线性增加,而横向两个模量保持基本一致。结果说明该微结构模型较好地反映了松质骨的横观各向同性性质,并能较好地反映受载松质骨的应力分布。     

3D Finite Element Analysis of a Man Hip Joint Femur under Impact Loads

Objective： The biomechanical characters of the bone fracture of the man femoral hip joint under impact loads are explored. Methods ：A biosystem model of the man femoral hip joint by using the GE （ General Electric） lightspeed multi-lay spiral CT is conducted. A 3D finite element model is established by employing the finite element software ANSYS. The FE analysis mainly concentrates on the effects of the impact directions arising from intense movements and the parenchyma on the femoral hip joint on the stress distributions of the proximal femur. Results：The parenchyma on the hip joint has relatively large relaxation effect on the impact loads. Conclusion：Effects of the angle δ of the impact load to the anterior direction and the angle γ of the impact load to the femur shaft on the bone fracture are given;δ has larger effect on the stress and strain distributions than the angle γ,which mainly represents the fracture of the upper femur including the femoral neck fracture when the posterolateral femur is impacted, consistent with the clinical resuits.     

有限元分析腰椎传统椎弓根钉道和改良皮质骨钉道的生物力学性能

目的 通过有限元分析传统椎弓根钉道(traditional trajectory, TT)和改良皮质骨钉道(modified cortical bone trajectory, MCBT)在骨质疏松椎体上的力学性能。方法 建立L4椎体三维模型,在椎体两侧分别模拟置入椎弓根螺钉(pedicle screw, PS)(直径6.0 mm,长45 mm)和MCBT螺钉(直径4.5 mm,长40 mm)。比较螺钉在两种钉道上、下、左、右4种工况下载荷位移比和螺钉抗拔出力,评价在骨质疏松条件下螺钉和椎体之间的稳定性。结果 MCBT螺钉抗拔出力比PS提高13.1%。MCBT螺钉在上、下、左工况下载荷位移比相比PS分别提高57.1%、32.3%、31.6%,MCBT螺钉在右工况下载荷位移比虽高于PS,但不具有统计学差异。在轴向旋转和侧屈工况下,MCBT组椎体载荷位移比明显高于TT组;在前屈工况下,MCBT组椎体载荷位移比低于TT组;在后伸工况下,MCBT组椎体载荷位移比虽高于TT组,但不具有统计学差异。结论 MCBT在抗拔出力、螺钉稳定性、椎体轴向旋转和侧屈的稳定性优于TT,但在椎体前屈和后伸稳定性弱...     

髋离断假肢接受腔-残肢站立期静态有限元分析

目的 利用有限元分析方法研究髋残肢在支撑阶段与髋离断假肢接受腔生机界面的力学特性,为优化、设计髋接受腔结构提供理论依据,为评估髋接受腔舒适度提供研究基础.方法 根据患者残肢CT扫描模型,采用逆向建模的方式,三维重建骨骼、软组织以及接受腔模型.利用有限元方法研究站立状态下残肢-髋接受腔界面正应力及剪切应力的分布情况,并通...     

接骨板不同螺钉布局下骨愈合过程有限元分析

目的探究螺钉布局方式对骨愈合的影响,为相关的骨折治疗提供基础。方法采用有限元方法研究不同螺钉布局方式下骨愈合过程;采用骨折块应变理论(interfragmentary strain theory,IFS)模拟骨痂的生长变化过程;利用Python语言对ABAQUS进行二次开发,使得迭代过程中骨痂所划分的每个单元都根据IFS理论更新弹性模量,从而模拟骨折愈合过程。结果不同数量螺钉对骨愈合过程的影响小于不同接骨板工作长度对骨愈合过程的影响;稳定固定的前提下,接骨板工作长度一定时,螺钉数量变化对接骨板或螺钉的应力影响较小;接骨板工作长度不同,对接骨板及螺钉的应力影响较大,且工作长度变化对螺钉上应力变化的影响大于对接骨板的影响。结论相较于螺钉数量,对于接骨板工作的长度应着重考虑,应当遵循在保证内固定系统稳定的前提下,减少接骨板上的螺钉数量,并对接骨板工作长度的选择进行恰当的选择。     

全髋关节置换术中压电股骨重建的边光滑有限元分析

目的 针对传统有限元法(finite element method, FEM)分析全髋关节置换(total hip arthroplasty, THA)后压电股骨重建时精度低的问题,采用边光滑有限元法(edge-based smoothed finite element method, ES-FEM)对植入假体后压电股骨近端的骨重建进行仿真分析。方法 根据自适应骨重建理论,建立假体-压电股骨模型。基于模型的背景网格构建光滑域,引入梯度光滑技术,求解出光滑的重建刺激,进而得到术后压电股骨近端的密度分布。结果 植入假体后,受力点由股骨头转移到假体,出现应力屏蔽现象,股骨内部表观密度的分布发生明显变化。相比于FEM,ES-FEM在一定程度上能软化数值模型,提高仿真精度。在相同的网格下,电势和密度的求解精度分别提高27%和30%左右。结论 采用ES-FEM能够更精确地模拟出THA术后压电股骨近端的骨重建进程,为THA临床研究提供有效的理论依据。     

髋臼内陷技术对成人DDH全髋关节置换术髋臼杯生物力学影响的有限元分析

目的 探讨髋臼内陷技术对成人发育性髋关节发育不良（developmental dysplasia of the hip,DDH）髋关节置换术后髋臼假体的生物力学效应。方法 获取1名成人单侧DDH患者双侧髋关节CT图像数据,进一步构建患侧半骨盆有限元模型,在此基础上,建立臼杯不同内陷水平的有限元模型,对比分析原位组和不同水平内移组之间的生物力学差异。结果 在模拟拔出试验中,原位组最大抗拔出载荷强度为1 166 N;相比原位组,4 mm和8 mm内移组抗拔出载荷强度分别增加了45.8%和57.1%;原位组髋臼假体在步态周期站立位相载荷工况下的臼杯-骨界面最大微动为166.4 μm,内移4 mm及8 mm组相对原位组分别减少了46.2%和62.1%。对于臼杯植入后髋臼周围即刻应力分布,不同组别之间的差异并不显著;而在步态周期站立位相载荷工况下,原位组髋臼周围平均应力及峰值应力均最小,平均应力随内移程度的增加而增大,内移4 mm组峰值应力最高。结论 相较原位植入假体,髋臼内陷技术可以提高假体初始稳定性,稳定性和内移程度成正比。但内移程度不足导致骨覆盖面积不足时,臼杯-骨界面边缘应力显著增加,可能会导致假体相关并发症风险的升高。     

预期条件下不同侧切角度膝关节应力状态的有限元分析

目的 探讨预期条件下不同角度侧切触地过程中膝关节运动学、地面反作用力（ground reaction force, GRF）特征以及软骨、半月板的应力状态。方法 采集14名受试者在预期条件下分别进行45°、90°和135°侧切时的运动学和GRF数据,通过Visual 3D逆动力学计算获取膝关节反作用力,基于膝关节三维有限元模型分别对3种侧切角度下触地过程进行数值仿真。结果 预期条件下3种侧切角度在触地过程中的膝关节运动学特征存在显著性差异（P＜0.001）,膝关节屈曲程度随侧切角增大而增加;垂直GRF随侧切角增加而显著减小（P＜0.001）,水平GRF呈现出相反的趋势;3种侧切角度下,90°侧切时髌骨软骨以及股骨软骨接触应力峰值较大, 前交叉韧带（anterior cruciate ligament,ACL）接触点主应力峰值较大,其次为135°和45°侧切;3种侧切角度下,外侧股骨软骨接触应力峰值均大于内侧。结论 90°侧切运动时膝关节损伤风险更大,135°侧切时膝关节内部的应力状态与90°侧切相比较为良好。预期条件下膝关节损伤风险并不随侧切角增大而升高。     

Comparing the Distribution of Strains with the Distribution of Bone Tissue in a Human Mandible: A Finite Element Study

Comparative anatomy and experimental studies suggest that the mass and distribution of tissue within a bone is adapted to the strains the bone experiences during function. Finite element analysis is a powerful tool that can be used to investigate this since it allows the creation of hypothetical models with unadapted morphology. Here we use FE models of a human mandible with modified internal morphology to study the relationships between the gross distribution of bone tissue (i.e., the presence or absence of bone in a certain area), the variation of cortical bone thickness within the mandible and the distribution of strain magnitudes. We created one model in which all internal cavities were filled with cortical bone material and a second, hollow model with constant cortical bone thickness. In both the models, several load cases representing bites at different positions along the tooth row were applied and peak strain magnitudes across these load cases were calculated. The peak strain distributions in both models show striking similarities with the gross distribution of bone tissue and the variation of cortical thickness in the real mandible, but the correlation coefficients are rather low. These low coefficients could be explained by confounding factors and by the limited spectrum of load cases that were simulated. However, the correspondences we find between strain magnitude and bone tissue distribution suggest that models with altered internal geometry are useful in studying the mechanical adaptation of bone, especially in the absence of any in vivo strain data. Anat Rec, 2013. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.