股骨近端溶骨性转移瘤三维有限元模型的力学分析

背景：如何评估股骨近端转移瘤的骨折风险在临床上争议较多。 目的：建立股骨近端不同大小溶骨性转移瘤的三维有限元模型,分析在慢步行走过程中病变局部的应力变化,评估骨折风险。 方法：对志愿者双下肢进行薄层CT扫描获得股骨数据,图像处理软件Mimics11.1进行图像处理后数据导入建模软件UG4.0建立股骨近端3个部位溶骨性病变模型,给予加载缓慢行走时单足落地状态下股骨的载荷,利用有限元软件分析股骨颈区,转子间区及转子下区应力的变化。 结果与结论：①股骨颈水平：皮质完整的髓内缺损破坏直径至相应冠状面直径的90%局部应力突然增长至135.98 MPa,破坏一半内侧皮质的髓内病变至70%局部应力突然增长至92.34 MPa,完全破坏皮质的半球形病变至60%时,局部应力大于屈服应力,增长至101.19 MPa。②转子间水平：内侧皮质完整的髓内球形病变破坏直径至80%局部应力突然增长至131.21 MPa,破坏一半内侧皮质的髓内病变破坏至80%局部应力突然增长至105.19 MPa,完全破坏皮质的半球形病变至70%时,局部应力大于屈服应力,增长至92.21 MPa。③转子下水平：破坏一半内侧皮质的髓内病变破坏至80%局部应力突然增长至92.42 MPa,完全破坏皮质的半球形病变至70%-80%之间,局部应力增长至89.97-105.19 MPa,大于屈服应力。结果表明股骨近端未穿透骨皮质的髓内病变对股骨近端应力变化影响不大。对于破坏单侧骨皮质的病变,在股骨颈水平破坏直径大于60%时存在骨折风险,转子间水平破坏直径大于70%时存在骨折风险,转子下水平破坏直径大于70%时存在骨折风险。     

胸椎T_(10)骨肿瘤转移不同位置生物力学特性的三维有限元分析

背景:随着检查技术的革新,不同分期脊柱转移瘤患者逐年增多,经皮椎体成形是脊柱转移瘤重要的治疗手段,但其治疗不同分期、不同活动方式肿瘤的术后生物力学疗效尚未见报道。目的:基于三维有限元模型模拟胸椎T_(10)骨肿瘤转移不同位置的应力及位移情况。方法:根据1例30岁健康男性胸椎三维CT扫描数据,采用Mimics软件构建胸椎(T_(9)-T_(11))的三维几何模型,包括肋骨、韧带及椎间盘。模拟被胸椎转移瘤侵袭的T_(9)-T_(11)椎体及其后胸椎不同部位的三维模型,包括椎体结构完整的对照组,单侧转移累及椎体区(实验组1),单侧转移累及椎体和椎弓根区(实验组2),单侧转移累及椎体、椎弓根和横突区(实验组3),双侧转移累及椎体、椎弓根和横突区(实验组4)。利用Abaqus软件创建三维有限元模型,对负重、屈曲、伸展、旋转工况下VonMises应力分布及模型的位移情况进行分析。结果与结论:①在对不同实验组加载点在负重、屈曲、伸展、旋转工况下最大总位移的研究中,随着转移瘤侵袭部位及侵袭面的增多,加载点的总位移在增大,整体刚度降低,尤其实验组4加载点的总位移最大;②在屈曲工况下椎体、椎弓根破坏后明显增加最大Von Mises应力值,而在此基础上增加胸肋关节破坏,其最大Von Mises应力值基本不变;③有限元分析并模拟骨肿瘤模型的基础上,将骨水泥区域的单元设置为一个单独的set集合,后将骨水泥区域设置为对应的材料属性以模拟骨水泥填充,结果发现,负重、屈曲、伸展、旋转工况下最大总位移均小于各实验组;④模拟经皮椎体成形治疗后患者在负重、屈曲、伸展、旋转工况下的最大应力值相较于骨肿瘤模型大幅度降低;⑤提示基于胸椎T_(9)-T_(11)的三维有限元模型构建有利于对胸椎骨肿瘤转移生物力学特性的研究,并能够在胸椎骨肿瘤转移模型的基础上准确模拟经皮椎体成形后加载点在不同工况下的总位移及最大VonMises应力情况。     

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：     

退变性脊柱侧弯的生物力学有限元分析

背景：脊柱在结构、形状、材料特性以及承受载荷方面都比较复杂,传统的生物力学方法不能完全解决这些特性问题。 目的：探讨退变性脊柱侧弯椎间盘、关节突关节、椎体等的应力分布,为其发生、发展的生物力学机制提供依据。 方法：基于退变性脊柱侧弯患者T₁₂-S₁上段连续的CT扫描图像,赋予模型特定的材料属性,建立完整、有效的退变性脊柱侧弯三维有限元模型。在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种工况下对模型进行加载,计算和分析脊柱的活动度、椎间盘、椎体及关节突关节软骨的应力分布。 结果与结论：退变性脊柱侧弯有限元模型比正常腰椎的活动度要小,椎间盘应力分布趋向于椎间盘的四周,后伸运动时各椎间盘应力最大,侧弯顶点椎体容易出现应力集中的情况,在旋转工况下关节突软骨的应力集中最明显,后伸工况下次之,尤其以侧弯顶点节段的关节突软骨影响最大。退变性脊柱侧弯侧弯顶点容易出现应力集中,后伸、旋转运动可加重退变性脊柱侧弯发展。     

钽金属棒置入修复股骨头坏死的三维有限元分析

BACKGROUND: Core decompression and tantalum rod implantation after core decompression are common methods to repair early and middle stages of necrosis of femoral head, can effectively control and even reverse the progress of necrosis of the femoral head. Comparison of mechanical support and curative effect of femoral head after operation deserves further investigation. OBJECTIVE: To explore the effect of core decompression on mechanical pulp femoral head support by using the finite element analysis and the advantages of tantalum implant treatment in the repair of avascular necrosis of the femoral head.  METHODS: The right femur of healthy adults was chosen as the research object, and CT scanning was conducted to get the images of cross-sections. The images were then inputted into computer to get contour of femur and rebuild three-dimensional model. Distal end of femur was completely fixed, the angle of the top of femoral head and the femoral shaft was 25°, and 570 N pressure on the femoral head was applied according to the three-dimensional space distribution of femur force under physiological state. Three-dimensional finite element models were calculated to get the collapse values in different necrotic areas of the femoral head before and after different repair methods. RESULTS AND CONCLUSION: After core decompression, collapse values were apparently increased, especially in the weight-bearing area. With increased range of necrosis, collapse values also increased. After core decompression, collapse values decreased obviously after porous tantalum rod implantation. Although core decompression could remove dead bone, decompression itself further reduced the mechanical properties of the femoral head and changed the original femoral head support. On the basis of core decompression, porous tantalum rod provided safe and effective mechanical support for femoral head and subchondral bone plate, could effectively prevent collapse and provide conditions for the restoration of bone tissue.      

三维有限元分析脊柱中胸段(T6-8)结核经肋椎单元植入物固定的应力变化

背景：目前关于T₆-T₇-T₈经肋椎单元固定缺乏相关生物力学模型,另外关于临床断钉断棒、骨融合质量差和邻近节段退变的原因及合理解释,也无基础研究参数支持。 目的：建立T_6-8结核病灶清除植骨、后路经肋椎单元固定系统三维有限元模型,分析其所受应力并对其进行改进。 方法：获取1例男性(身高172 cm,体质量71 kg,年龄39岁)T₇椎体结核病患进行螺旋CT扫描,将所得数据导入计算机,通过Mimics 13.0软件和Ansys 11.0有限元软件建立T_6-8后路病灶清除植骨、经肋椎单元固定系统三维有限元模型,并在椎体上表面施加500 N压力和10 N•m的力矩模拟脊柱前屈、后伸、侧屈3种生理载荷,观察不同载荷下固定器械的应力分布,并对其进行比较。 结果与结论：在前屈和后伸运动状态下,螺钉尾部是应力最为集中的部位,上位螺钉大于中、下位螺钉;对于连接棒,中部总是小于下端,且中部应力为零;侧弯位,上、中位螺钉尾部应力相当,连接棒单侧应力相当。同一部位在3种运动状态下比较,连接棒中段在侧弯运动下应力增大,下位螺钉末端在3种运动状态下应力相当。提示T_6-8运动节段后路椎间植骨、经肋椎单元内固定的结核患者在做前屈、后伸、侧弯这3种运动时,上位螺钉尾部较中、下位螺钉更容易发生疲劳性断裂;在做前屈、后伸运动时连接棒下端和在做侧弯运动时连接棒中段更容易发生疲劳性断裂。 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：     

踝关节胫骨远端关节面缺损生物力学特征的三维有限元分析

BACKGROUND: Studies found that three-dimensional finite element analysis can be used in the study of ankle biomechanics, but research on distal tibial articular surface defect was few.     

胫骨远端关节面缺损有限元模型的生物力学分析

背景：采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学研究得到了广泛应用,但是关于胫骨远端关节面缺损有限元分析,国内外少见关于此类的报道。 目的：建立踝关节的三维有限元模型,制作胫骨远端关节面不同面积的缺损,并模拟在不同位相下胫骨远端关节面发生形变、位移情况,预测胫骨远端关节面缺损的最大允许程度和探讨踝关节创伤性关节炎的力学发病机制。 方法：通过对1名正常成年男性踝关节的多排螺旋 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ANSYS13.0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,模拟踝关节远端轴向受力,得出在不同位相下胫骨远端关节面有限元模型上的应力分布与位移结果。 结果与结论：建立人体踝关节有限元模型总单元数为157 990,总节点数为193 801。3个位相,都是随着胫骨远端缺损面积的增大,接触面积逐渐减小,尤其是跖屈位在缺损直径13 mm的面积时,变化最为明显;3个位相的接触面积,在中立位接触面积最大;在中立位和背屈位都是随着胫骨远端关节面缺损面积的增大,应力峰值逐渐增大,都是在11-13 mm以后应力峰值明显增大;在中立位和背屈10°位,主要集中在后内和后外象限;在跖屈10°位,变化比较复杂,在11-13 mm,随着缺损面积的增大应力峰值变化明显增大,到13 mm应力峰值达到最大值。所以,胫骨远端关节面的最大缺损直径可认为是11-13 mm。胫骨远端关节软骨及骨床缺损直径超过11-13 mm的圆面积,关节功能将受到影响。     

可吸收螺钉置入固定简单外踝骨折的有限元分析

BACKGROUND: Compared with the metal screws, absorbable screws have more obvious advantages, such as does not have to conduct internal fixation removal, non-metallic components, no influence on the magnetic resonance imaging of patients after implantation, relatively simple operations, namely drilling-tapping-screws fixation, more in line with the principles of minimally invasive in orthopedics. OBJECTIVE: To investigate the biomechanical characteristics of absorbable screw fixation in repair of simple lateral malleolus fractures by means of finite element technology. METHODS: The three-dimensional model of simple lateral malleolus fractures and absorbable screw model were established, and then fixed according to standard orthopedic surgical techniques. The reference load when the load bearing of fibulotalar joint reaching the peak value in a normal adult gait cycle was loaded. The stress distribution and displacement of fibula and absorbable screws were analyzed. RESULTS AND CONCLUSION: There were totally 38 542 units, 8 790 nodes in the single screw fixation model. When the articular facet of lateral malleolus loading 300 N, the maximum stress of screws was 89.35 MPa, the maximum displacement was 0.5 mm, the maximum displacement of the distal fracture was 0.5 mm. When the articular facet of lateral malleolus loading 450 N, the maximum stress of screws was 152.58 MPa, the maximum displacement was 0.59 mm, the maximum displacement of the distal fracture was 0.77 mm. There were totally 43 115 units, 9 496 nodes in the double screws fixation model. When the articular facet of lateral malleolus loading 300 N, the maximum stress of screws was 38 MPa, the maximum displacement was 0.44 mm, the maximum displacement of the distal fracture was 0.44 mm. When the articular facet of lateral malleolus loading 450 N, the maximum stress of screws was 66.68 MPa, the maximum displacement was 0.48 mm, the maximum displacement of the distal fracture was 0.49 mm. The experiment verified the biomechanical feasibility of absorbable screw fixation in repair of simple lateral malleolus fractures. For simple involving only the lower lateral fibular fracture, absorbable screw fixation is entirely feasible, and usually requires at least two screws to maintain the stability of the articular surface of the reset.       

局部皮瓣的生物力学特性和三维有限元模拟分析

随着整形外科医学的发展,局部皮瓣在修复皮肤缺损中的应用越来越广泛,但皮瓣的设计主要依赖于医生的经验,存在盲目性.为寻求既能指导皮瓣设计又能真实模拟皮瓣转移效果的方法,需要进行相应的生物力学研究和有限元力学分析.首先通过对局部皮瓣进行实验测试,得到局部皮瓣的生物力学特性;再根据实验得到的结果对局部推进皮瓣进行三维有限元模拟分析,得到在外载荷作用下,皮瓣和其本体组织的变形及相应的应力-应变分布情况;同时通过改变皮瓣尺寸大小模拟得到局部皮瓣设计的最佳尺寸.本模型结果能够为局部皮瓣的生物力学特性研究及其移植的数值模拟提供一定的参考.     

颈椎前路内植入固定系统的有限元模拟及生物力学分析

通过建立一种颈椎前路内植入固定器测试结构的有限元模型,从生物力学角度对该模型在人体生理性压力载荷下的应力-应变分布和运动特性进行分析评估.结果 表明:在生理性轴向压力载荷下,应力-应变集中分布在骨螺钉和内植入固定板的结合部位,钢板上的应力-应变以四个螺钉为定点呈梅花状分布,边缘处应力-应变分布较小,所得结论与临床结果一致.因此,通过该有限元方法可以有效分析颈椎前路内植入固定器在生理性载荷下的应力应变分布,对颈椎前路内植入固定器的外形设计和在临床上的选择提供科学的参考依据.     

儿童股骨近端解剖钢板生物力学及三维有限元分析

背景：以往的三维有限元研究多集中在成人骨科生物力学方面。 目的：以三维有限元方法分析儿童股骨近端解剖钢板固定股骨转子下骨折的生物力学性能。 方法：从6具儿童尸体上取股骨12根,X射线排除骨病后分为2组,实验组采用儿童股骨近端解剖钢板固定,对照组采用重建钢板固定。分别进行生物力学实验,测试其轴向压缩、扭转刚度、弯曲刚度。选取1名健康男性儿童进行螺旋CT扫描技术,获得股骨近端图像数据,建立儿童股骨近端三维有限元模型,并进行三维有限元力学分析。 结果与结论：在轴向压缩刚度、扭转刚度上儿童股骨近端解剖钢板与重建钢板两者比较差异无显著性意义(P > 0.05);在抗弯曲刚度上,两者相比差异有显著性意义(P < 0.05)。结果显示儿童股骨近端解剖钢板的抗压能力、抗扭能力上与重建钢板相当,而在抗弯曲能力上强于重建钢板。生物力学三维有限元分析显示儿童股骨近端解剖型钢板的设计符合生物力学原理,具有较好的强度、刚度和稳定性,能够满足对儿童股骨近端骨折固定的需要。儿童股骨近端解剖型钢板对固定股骨转子下骨折具有良好的生物力学性能。     

限制型颈前路内固定钢板的有限元模拟及其生物力学分析

目的 评估颈前路内固定钢板在轴向压力、前屈、侧弯和扭转等四种生理性工况下的生物力学特性及其应力/应变分布,为临床上对颈前路内固定钢板的选择及其设计提供科学的参考依据.方法 在国人颈椎解剖结构统计学数据和颈前路内固定钢板尺寸数据的基础上,建立颈椎C5-C6功能节段-限制型颈前路内固定钢板的有限元模型,计算其在人体生理性工况下的应力/应变分布.结果 在生理性载荷下,应力/应变集中分布在骨螺钉和内植入固定板的结合部位以及内固定板的中心位置,边缘处应力/应变较小.结论 在轴向压力、前屈、侧弯和扭转四种生理性载荷下,应力/应变集中分布在颈前路内固定钢板和骨螺钉的结合处,又因该结合处为螺钉结构连接,所以,此结合处刚性连接比较薄弱,易发生内固定失败.     

以三维非线性有限元法分析融合腰椎的生物力学变化

背景：MATLAB具有大型数值计算、数学绘图和简单有限元分析的能力,建模速度快,能够识别BMP和JPG格式的灰度图,并可将识别的数据直接转换为ANSYS三维有限元软件可识别的格式,避免了常规在Autocad软件中图像的重新定位和二次处理而产生的人为误差。 目的：寻求一种简便、快捷、准确的方法建立各种腰椎融合模型,对腰椎融合后腰椎活动节段的生物力学进行分析。 方法：利用薄层CT技术,结合Matlab(Matrix Laboratory即矩阵实验室)科学计算软件,辅助Ansys有限元分析软件建立各种腰椎融合模型。对所建立的模型施加各种载荷,分析其生物力学变化。 结果与结论：对所建立的融合模型施加轴向、屈曲及伸展载荷后,生物力学分析得出所有的融合模型中椎体间融合稳定性最好。和关节间融合相结合,椎体间,侧后方,后方融合模型的轴向位移较单独的椎体间,侧后方和后方融合模型分别减少5%、1%和4%。在伸展-屈曲载荷条件下旋转角度分别减少23%、11%和45%。应力向融合部位集中的现象表明融合块可增加载荷的转移。说明薄层CT和Matlab软件的辅助使得Ansys有限元软件建立腰椎融合模型的速度和精度提高。小关节融合和椎体间,侧后方,后方融合相结合,可使腰椎获得更好的稳定性,这种稳定性的增加在后方融合中更为显著。后方融合模型的应力分布更加合理。     

腰椎椎体应力分布的三维有限元分析

应用三维有限元方法对腰椎椎体应力分布的研究表明.椎体松质骨的应力集中区域位于邻近终板的中央部分,而椎间盘发生退变后这一现象即不明显.作者认为椎体的应力分布及腰椎的载荷传递依据椎间盘的情况而不同,并对有关的临床意义进行了讨论.     

Biomechanical optimization of the diameter of distraction screw in distraction implant by three-dimensional finite element analysis

Three-dimensional (3D) finite element models of a posterior mandibular segment and a distraction implant (DI) were created and assembled in this study. The diameter of distraction screw (DS) was set as input variable, ranging from 1.0 to 3.0 mm, to analyze the stress and displacement, in order to obtain an optimal outcome of the DI. The results indicate that when the diameter of DS was 2.0 mm, the stresses in jaw bone and DS and the displacement of DS reached a relatively low range. The diameter of DS significantly affects the stress distribution in DI and surrounding bone. The present study demonstrates that from clinical and biomechanical points of view, the optimal diameter of DS is 2.0 mm.     

新型腰椎后路动态稳定系统的三维有限元分析

目的对新型腰椎后路动态稳定系统进行三维有限元分析,研究其在稳定节段及邻近节段的生物力学影响,为下腰痛的脊柱内植物的设计和应用提供参考。方法基于正常腰椎有限元模型,构建腰椎不稳损伤模型,即腰椎切除腰4和腰5之间的双侧小关节、腰4椎板下1/2、后纵韧带,形成脊柱失稳模型,分别在失稳模型上进行坚强内固定系统和后路动态稳定系统,比较两种术式对手术节段和临近阶段的活动度、各个节段的弯曲刚度、椎间盘应力水平、前纵韧带应力水平及小关节韧带拉力的变化情况。结果对内固定桥接节段(腰4/腰5)应用新型腰椎后路动态稳定系统和坚强内固定系统后,在屈伸、侧屈、轴向旋转方向上的活动度均明显减小,但坚强固定后活动度减小更明显,应用动态稳定系统活动度更接近于正常腰椎节段;腰4/腰5椎间盘最大应力均减小,但坚强固定后活动度减小更明显,应用动态稳定系统活动度更接近于正常腰椎节段;对邻近节段(腰3/腰4、腰5/S1)应用新型腰椎后路动态稳定系统和坚强内固定系统后,在屈伸、侧屈、轴向旋转方向上的活动度均有所增大,但坚强固定后活动度增加更明显,应用动态稳定系统邻近节段活动度更接近于正常腰椎节段;邻近节段椎间盘最大应力均增大,但坚强固定后增大更明显,应用动态稳定系统更接近于正常腰椎节段;应用腰椎内固定后,邻近节段的小关节应力峰值增大,并且应用腰椎坚强内固定模型的小关节应力增大更多;应用腰椎动态固定的模型邻近关节应力峰值更加接近完整腰椎模型。结论新型腰椎后路动态稳定系统对比坚强内固定系统能够使失稳节段的活动更加接近于正常,减小邻近节段的活动度增加,减小邻近节段椎间盘及小关节压力,说明新型腰椎动态稳定系统达到设计要求。     

颈椎三维有限元模型的建立

目的 建立颈椎（C2～ C7）三维有限元模型。方法 根据1名既往无颈椎病史健康成年男性志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像,采用Mimics1 3.1、SolidWorks2012软件进行三维重建和造型,利用ANSYS14.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性,建立颈椎（C2 ～C7）三维有限元模型。结果 本研究成功建立了6个椎体运动节段的三维有限元模型,模型高度模拟颈椎结构与材料特性,单元划分精细。在建立的模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动,所获得的理论分析结果与参考文献的报道一致。结论 建立的颈椎三维有限元模型可进行颈椎生物力学研究。     

Mathematical and finite element analysis of spine injuries

A critical review of the anatomical, physiological, epidemiological, and biomechanical aspects of spine injuries are presented. These are discussed in light of the mechanical load that produces the trauma. Emphasis is given to the mathematical and finite element modeling aspects of spinal injury that focuses on the tolerance criteria. In the area of spinal mechanics, static and dynamic models are reviewed. Included are the continuum and discrete parameter models of the intact spine and finite element models of its components. A section on the role of constituent law in the assessment of trauma to the spine is given. Finally, a discussion follows on the future research in this domain.