人体骨骼有限元几何模型的重建

目的：研究重建人体骨骼结构的有限元几何模型。方法：通过CT扫描、影像边界记录、定标等方法，按照点、线、面、体的顺序重建三维结构，并通过有限元分析验证重建模型的有效性。结果：建立了寰椎骨性结构的有限元模型，分析结果证明其在仿真分析中是可行的。结论：该方法适用于重建人体骨骼结构的有限元几何模型，为数字化虚拟人体仿真研究提供了一种可行的建模方法。     

新型高度可调颈椎融合器的三维有限元分析

背景：颈前路减压手术的核心是解除脊髓和神经的压迫,恢复椎间高度及颈椎的生理曲度。但是目前临床上所应用的融合器无法满足个体化需求,可能导致融合节段终板破坏,融合器下沉或移位。作者设计一种高度可调颈椎融合器,植入椎间隙可达到与椎间隙上下终板贴合。目的：通过三维有限元分析法评价新型颈椎高度可调椎间融合器的力学特点,为临床应用和进一步改进提供相应理论依据。方法：建立颈椎前路椎间盘切除减压融合内固定的三维有限元模型,分为正常组、融合器植入高度较低组、融合器植入高度适中组和融合器植入高度较高组进行重建,并在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6个工况下,施加50 N预载荷以及1.0 N·m的运动附加弯矩,观察相应的椎体Von Mises应力峰值、融合器Von Mises应力峰值、椎间盘应力及椎体活动度情况。结果与结论：(1)融合器植入高度适中组对应的融合器Von Mises应力峰值和C₃-C₇椎体Von Mises应力峰值低于融合器植入高度较低组和融合器植入高度较高组;(2)植入不同高度融合器后C4/5椎间盘应力差异较为明显;(3)融合器植入高度较高组C     

振动对骨重建影响的三维有限元分析

目的观察不同振动频率刺激下股骨表观密度的变化情况,从而确定何种振动参数能对骨骼系统产生最有益影响。方法先获得兔股骨扫描图像,再利用UG软件对图像进行三维重建得到股骨的实体模型,最后导入ANSYS软件中,利用ANSYS软件布尔操作中的减操作,得到带有空腔的兔股骨生物力学模型。结果通过有限元仿真分析,发现添加振动激励后骨骼的应力分布和骨密度发生了变化,股骨部分部位骨密度增加。结论有限元分析不但为分析振动对骨重建的动物和人体实验打下基础,还为进一步深入了解骨骼结构与力学环境之间的关系、为进一步研究对抗航天失重引起的骨丢失和治疗骨质疏松症提供了帮助。     

后部结构切除对腰椎应力分布影响的三维有限元分析

本文应用三维有限元方法研究了后部结构切除后腰椎应力分布的变化.结果表明.后部结构切除对腰椎的应力分布未发生明显影响,但各部分的应力水平均有所上升。并就与此有关的临床问题进行了讨论.     

一体化小腿假肢的三维有限元应力分析

建立一体化小腿假肢和残肢的三维模型，应用有限元分析方法，计算此模型在模拟Mid—Stance步态时相的载荷作用下各节点的应力，从而得到此模型内外表面的应力分布，为一体化假肢设计的CAD＼CAM系统提供理论依据。计算结果表明，接受腔的应力值较小，假腿的应力值较大，高应力区出现在假腿下端及接受腔与假腿的交界区域。     

三维有限元分析在骨科中的应用

随着计算机技术的发展,大型的图形处理工作站已经很容易在个人电脑中实现。新的理念如数字化骨科、虚拟人、机器人手术系统以及手术导航系统的出现,标志着计算机技术在骨科的应用增大,计算机技术正日益与骨科密切结合起来。而以三维有限元为首的生物力学分析技术,因为其操作的简单性,数据可靠,在骨科中得到了推广,应用范围日益     

基于三维膝-踝-足有限元模型的足跟痛足底压力生物力学分析

目的通过有限元方法研究鞋垫参数变化对足跟痛患足生物力学机制的影响。方法基于CT图像数据建立足跟痛患者足部、小腿骨骼、腓肠肌及膝关节三维有限元模型,通过改变鞋垫形状、厚度及硬度仿真计算足底压力分布及应力峰值。结果有限元模型足底压力分布与压力测量板的足底压力分布部位大体一致,数值非常接近。与裸足站立相比,穿着平板式、半接触式和全接触式鞋垫时足跟区压力峰值分别下降20.5%、59.2%和38.4%,跖骨头区压力峰值分别下降9.9%、18.1%和46.7%。足跟痛患者足底表面足跟区和跖骨头区域压力峰值均随鞋垫常规厚度的增加而减小,并随硬度的减小而减小。结论鞋垫参数的改变对足底压力产生显著的变化。有限元分析有助于足跟痛病因病理的了解,为临床治疗提供理论基础。     

肱骨远端三维有限元模型的建立及生物力学分析

背景：采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学分析得到了广泛应用,但是关于肱骨远端的有限元分析较少,且所建模型粗糙,方法繁琐。 目的：建立肱骨远端的三维有限元模型,并模拟不同受力状态下的应力分布及应变特征。 方法：通过对正常成年男性肘关节的多排螺旋CT扫描,获得连续断层图片,导入Mimics医学建模软件生成实体模型后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS 10.0,进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型。约束边界条件,模拟肱骨远端轴向受力,得出肱骨远端有限元模型上的应力分布与应变结果。 结果与结论：建立的肱骨远端有限元模型总单元数为6 292,总节点数为10 232。肱骨远端在轴向载荷状态下的应力集中主要位于内、外侧柱区域。提示建立的有限元模型精确度高,符合肱骨远端的临床特点,较好地模拟了肱骨远端的生物力学特性。     

三维有限元分析椎体联合后部结构损伤胸椎转移瘤的生物力学特性

BACKGROUND: The spinal column is the most common site of cancer metastases. Most of the previous biomechanical experiments utilized models with defects only in the vertebral body or posterior elements, but the biomechanical changes of the thoracic vertebrae and posterior part with various locations of metastasis deserve further research. OBJECTIVE: To set up the three-dimensional (3D) finite element model to investigate biomechanical effects by simulating combined destruction of vertebral body and other posterior components. METHODS: Based on CT data, we constructed the 3D geometric models of the thoracic vertebrae (T9-11), including intervertebral discs, ligaments and ribs using the Mimics software. The 3D models of T9 vertebra and different parts of the posterior thoracic vertebrae related with the metastasis could be simulated, including the control group with the intact vertebrae, the group of the T10 vertebrae with the right defective hemi-vertebrae, the group of the defective hemi-vertebrae with the defective ipsilateral pedicle, the group of the defective hemi-vertebrae with the defective ipsilateral costovertebral joint, the group of the defective hemi-vertebrae with the defective ipsilateral pedicle and costovertebral joint, the group of the defective hemi-vertebrae with the defective ipsilateral pedicle, costovertebral joint and transverse process. The corresponding 3D finite element models were established using the Abaqus software. The displacement and Von Mises stress distribution of the models were analyzed when the anterior compressive flexure load was applied. RESULTS AND CONCLUSION: When the anterior compressive flexure load was applied, the entire stiffness was proportionally decreased when the more posterior parts destroyed, especially destruction of vertebral body and pedicle significantly decreased. The destruction of posterior structures such as the thoracic rib joints and transverse processes was not great. However, the maximal Von Mises stress increased significantly when the vertebral body and pedicle were destructed, but additional costovertebral joint destruction slightly decreased the maximal Von Mises stress because of the stress was re-distributed.       

有限元分析评估尾部悬吊大鼠股骨力学性能的研究

研究三维有限元分析对于尾部悬吊大鼠骨骼力学性能的评估能力。基于10根尾部悬吊大鼠股骨的CT图象序列,三维重建股骨的几何模型并转换为有限元网格,根据CT值与骨骼材料特性关系设置各向同性和正交各向异性材料特性,施加三点弯曲实验的边界条件进行有限元分析,用最大等效Von Mises应力和总体应变能的结果与骨密度进行回归分析。结果表明,正交各向异性模型与骨密度在最大等效Von Mises应力（R=0.907,P〈0.001）和总体应变能（R=0.827,P〈0.01）两种情况下均具有良好线性关系。因此,基于CT数据的三维有限元分析可以精确描述骨骼的力学性能,能够用于评估大鼠尾部悬吊实验结果。     

椎弓根螺钉长度变化对螺钉-骨复合体模型 应力影响的三维有限元分析研究

目的 利用三维有限元模型研究椎弓根螺钉长度变化对生理载荷下螺钉骨复合体模型的应用影响。方法 建立椎弓根螺钉和L1椎体的三维模型,并对其进行网格划分,设置椎弓根钉长度尺寸的变化范围。模拟生理载荷条件下,对不同长度尺寸的椎弓根钉有限元模型进行应力分析。结果椎弓根螺钉长度在30～50 mm范围内变化时,随着螺钉长度的增大,螺钉骨复合体模型的骨质部分承担的应力均减小,而螺钉承担的应力则增加。螺钉最大平均主应变出现在螺钉的尾端,皮质骨发生的最大平均主应力位置出现在螺钉与皮质骨接触面两侧,松质骨发生的最大平均主应力位置出现在螺钉头部与松质骨接触面两侧。当螺钉长度达到50 mm时,载荷力传递到皮质骨和松质骨分别减小了43.1%和42.3%,而螺钉上出现的则增加了38%。当椎弓根螺钉长度大于45 mm时,螺钉骨复合体模型各部分应力变化不明显。结论 椎弓根螺钉长度在30～50 mm范围变化时,在生理载荷下,椎弓根螺钉长度的增大有利于改善螺钉、皮质骨及松质骨上轴向应力的力学分布;只要骨量允许,临床选择椎弓根螺钉的长度应不小于45 mm。     

外旋载荷对骨盆作用机制的三维有限元分析

目的利用骨盆的三维有限元模型研究外旋应力对骨盆的作用机制。方法 1例健康成年男性志愿者进行PET-CT扫描,结果以DICOM格式输出,在PC机上进行三维重建,建立正常骨盆的有限元模型。对模型施加外旋载荷,经计算得到应力、应变及位移云图。结果水平向后加载500N于左侧髂前上棘,应力沿两条途径传导:一条是向内后方经同侧骶髂关节前部至骶骨上部,另一条是向前方经耻骨支、耻骨联合至对侧耻骨;且骨盆前环受力较大。应变以同侧骶髂关节前下方最大,前方的耻骨联合处应变也较大。位移以受力点同侧髂前上棘处最大,同侧髂骨、坐骨及耻骨支位移均较大。结论外旋载荷易造成耻骨支骨折、骶髂关节损伤,或骶骨压缩骨折。     

足踝部有限元分析的临床应用综述

有限元分析可以计算结构内部的应力与应变,用于研究足踝部的生物力学有独特的优势,对足踝部疾病的病因、病理及治疗的临床研究具有重要的意义。目前研究主要内容有肌腱与韧带生物力学功能的分析,足部疾病的骨性结构的生物力学分析,内固定稳定性分析,另一方面用于足部支具、足垫的设计与足底压力分析相结合进行足部病因与治疗的研究。     

腰椎疲劳骨折的有限元分析

目的：了解腰椎疲劳骨折后各结构力学变化。方法：建立腰椎三维有限元模型模拟腰椎疲劳骨折的载荷状态。结果：骨折后各结构位移增加,椎间盘膨出半径增大,皮质骨,松质骨,裂纹两端应力增加。结论：腰椎疲劳骨折后各结构应力增加,小梁裂纹表现出明显的裂纹扩展趋势,增大的椎间盘膨出半径是引起下腰痛的主要原因。     

基于有限元分析腓肠肌作用力对足部生物力学的影响

目的探讨不同腓肠肌作用力变化对足跟痛生物力学机制的影响。方法运用Mimics软件对临床计算机断层扫描足部图像进行三维实体模型重建,建立包括骨骼、软组织、韧带及足底筋膜的足部有限元模型。腓肠肌作用在足部上的作用力取人体半体重320 N的40%~90%,每隔5%半体重(即16 N)增加,并计算足底表面压力分布及峰值、足底筋膜应力等。结果足底表面压力分布主要集中在足跟处和跖骨头区域,足底足跟处压力峰值随着腓肠肌作用力的增加而减小,而足底前部压力峰值先减小后增大,在224 N(70%)时达到最小值。足底筋膜的应力随腓肠肌作用力的增加而增加。结论腓肠肌作用力的改变对足底压力及足底筋膜应力产生显著影响。有限元分析有助于对足部疾病病因病理的了解以及对腓肠肌松解术后生物力学结果预测,为治疗提供理论依据。     

转矩作用对微植体矫治力系内收上前牙影响的三维有限元研究

目的研究转矩力的作用对于微植体矫治力系内收上前牙的影响。方法利用MIMICS软件和有限元软件ABAQUS,建立微植体矫治力系的有限元模型,并在该模型上计算分析有无转矩及转矩作用区域对中切牙和侧切牙移动趋势的影响。结果不加转矩时,中切牙和侧切牙都表现出舌向倾斜的趋势。在100g·cm转矩力的作用下,随着转矩作用区域的增大,中切牙的唇向移动趋势逐渐减小,侧切牙由舌向移动逐渐转为唇向移动。结论转矩能够有效改变牙齿的移动方式,如果转矩从中切牙之间开始向两侧远中方向逐渐减少,效果会更好。     

转矩作用对微植体矫治力系内收上前牙影响的三维有限元研究

目的研究转矩力的作用对于微植体矫治力系内收上前牙的影响。方法利用MIMICS软件和有限元软件ABAQUS,建立微植体矫治力系的有限元模型,并在该模型上计算分析有无转矩及转矩作用区域对中切牙和侧切牙移动趋势的影响。结果不加转矩时,中切牙和侧切牙都表现出舌向倾斜的趋势。在100g·cm转矩力的作用下,随着转矩作用区域的增大,中切牙的唇向移动趋势逐渐减小,侧切牙由舌向移动逐渐转为唇向移动。结论转矩能够有效改变牙齿的移动方式,如果转矩从中切牙之间开始向两侧远中方向逐渐减少,效果会更好。     

大腿残肢步态过程的非线性有限元分析

目的利用三维有限元分析方法研究大腿截肢患者在行走过程中3个不同时相下残肢的生物力学特性,为建立完整的大腿接受腔测量、设计与评估系统提供研究基础。方法首先根据CT图像三维重建大腿截肢患者的骨骼、肌肉软组织和接受腔的三维几何模型;定义软组织为超弹性和线弹性材料属性,并相应建立两个有限元仿真模型;定义残端与接受腔之间的接触关系,约束残肢近端,对模型的远端施加膝关节载荷,模拟步态周期中足跟着地时期、站立相中期、脚尖离地3个时相下大腿残肢-接受腔系统所受载荷;计算分析接触界面上的应力,并对比分析超弹性和线弹性软组织力学特性对接触界面力学行为特性的影响。结果无论线弹性还是超弹性模型,3个时相下大腿残肢-接受腔界面的最大接触压力均在残肢末端达到最大值。超弹性模型3个时相下接触压力峰值分别为55.80、47.63和50.44 kPa;而线弹性模型接触压力的最大值都增加2倍以上,其值分别为149.86、118.55和139.68 kPa。同时通过分析接触面间的径向剪切应力和轴向剪切应力发现,3个时相下接触界面间的应力在残肢末端较集中,在足跟着地到脚尖离地过程中,有部分力通过接受腔后侧缘传递转向接受腔前缘传递。结论不同时相下残肢与接受腔接触界面的压力和剪切应力分布情况不同,在设计接受腔时需要充分考虑其受力特点。     

A three-dimensional finite element analysis of the human hip

Abstract

A three-dimensional hip model was created from the MRI scans of one human subject based on constructing the entire pelvis and femur. The ball and socket joint was modelled between the hip’s acetabulum and the femoral head to analyse the multiaxial loads applied in the hip joint. The three key ligaments that reinforce the external surface of the hip to help to stabilise the joint were also modelled which are the iliofemoral, the pubofemoral and ischiofemoral ligaments. Each of these ligaments wraps around the joint connection to form a seal over the synovial membrane, a line of attachment around the head of the femur. This model was tested for different loading and boundary conditions to analyse their sensitivities on the cortical and cancellous tissues of the human hip bones. The outcomes of a one-legged stance finite element analysis revealed that the maximum of 0.056?mm displacement occurred. The stress distribution varied across the model which the majority occurring in the cortical femur and dissipating through the cartilage. The maximum stress value occurring in the joint was 110.1?MPa, which appeared at the free end of the proximal femur. This developed finite element model was validated against the literature data to be used as an asset for further research in investigating new methods of total hip arthroplasty, to minimise the recurrence of dislocations and discomfort in the hip joint, as well as increasing the range of movement available to a patient after surgery.     

Three dimensional finite element modelling of metatarsal stresses during running

Abstract

Second metatarsal stress fractures are a problematic injury for runners and are formed when the rate of repair of bone is outpaced by the damage accumulated during loading. Measuring the peak stresses on the bone during running gives an indication of damage accumulation but direct measurement is invasive. Finite element modelling is a viable alternative method of accurately estimating bone stresses but tends to be too computationally expensive for use in applied research. This study presents a novel and simple finite element model which can estimate bone stresses on the second metatarsal during the stance phase of walking and running, accounting for joint reaction forces and soft tissue effects. The influence of the forces and kinematic inputs to the model and the presence of the soft tissues was quantified using a sensitivity analysis. The magnitudes of maximum stress from the model are similar to existing finite element models and bone staple strain gauge values collected during walking and running. The model was found to be most sensitive to the pitch angle of the metatarsal and the joint reaction forces and was less sensitive to the ground reaction forces under the metatarsal head, suggesting that direct measurement of external forces should not be assumed to represent internal stresses.