应用三维建模有限元方法定位分析腕舟骨肿物及切除后的生物力学分析

目的:通过三维建模有限元方法对腕舟骨肿物的精确定位及肿物切除后的生物力学改变,探讨三维建模及有限元分析对腕舟骨肿物切除的指导作用。方法:选择2005-07/08吉林大学中日联谊医院手外科收治的腕舟骨肿物患者1例,女,46岁。腕部疼痛3年余,查体:鼻咽窝部有压痛,腕过屈时加重。X射线片及CT片示舟骨内有一高密度肿物,周围有低密度区。利用螺旋CT获取腕舟骨肿物患者的腕骨DICOM格式文件,利用3D-Doctor1.2建立腕骨三维数字模型及虚拟切除肿物前后舟骨三维模型,导入Ansys9.0,建立实体模型,施加载荷后进行分析。结果:①三维数字模型:所有69层CT文件构建的三维数字模型,可从任意角度观察腕舟骨轮廓构建的三维数字模型,发现肿物位于腕舟骨腰部靠近远极位置,离背侧皮质距离近,于是可确定手术入路为腕背侧鼻咽窝入路。②有限元分析:从VonMises应力分布图可见肿物未切除时腕舟骨应力分布均匀,肿物切除后腕舟骨应力分布不均,提示肿物切除后存在桡舟关节创伤性关节炎或骨折的风险,有必要行植骨术。结论:三维建模及有限元分析能够术前精确定位肿物,并对切除部位是否需要植骨具有指导意义。     

肱骨三维有限元分析及其记忆生物力学意义

目的：分析肱骨不同载荷加载下应力分布，探讨其相关的记忆生物力学意义。方法：选择湿肱骨标本行CT成像，大型有限元分析软件ANSYS5．6建立肱骨三维模型以及天鹅记忆加压接骨器(shape memory conector,SMC)固定模型。同时进行相应力学分析。结果：当纵向加压的压力P=300N时，Z方向的正应力为-4．0～-4．5MPa，断面区域的压应力为0～0．2MPa。结论：SMC固定肱骨后三维有限元的分析，可以为肱骨骨折后内固定的力学研究提供新思路。     

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ANSYS10.0,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6292,总节点数为10232。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。     

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.     

骨科生物力学股骨颈三维模型特点及建模方法

目的评价新的股骨颈生物力学分析中股骨颈三维模型的特点及建模的可行性。方法在分析建模过程和操作流程的基础上,分别利用塑料股骨模型和尸体股骨模型进行CT类型DICOM图像的VTK快速读入、边缘提取及三维重建,验证该过程所建的股骨颈生物力学分析中股骨颈模型的正确性和有效性。实现三维重建股骨颈在生物力学实验及股骨颈骨折手术操作中的临床应用价值。结果特征数据的提取过程简单,通常情况下,102张DICOM数据,只需3min左右即可完成阈值图像处理、光顺处理以及特征数据提取。同时,只需以不大于2mm的片层间距扫描CT图像,就可重建出生物力学分析可接受的股骨颈的三维形体。并在半分钟完成重建。结论在CT图像中,基于图像灰度阈值能够有效快速获取股骨颈生物力学模型的数据特征及三维重建形体,且开发出可交互的股骨颈三视图系统。     

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。     

有限元分析在口腔生物力学中的应用

背景：在口腔医学中存在着大量的生物力学问题,有限元法是对人体力学行为进行数值模拟的一种有效工具,其在口腔生物力学中的应用越来越广泛。目的：综述有限元法在解决口腔正畸、口腔修复、口腔种植、口腔颌面外科等领域生物力学问题的研究进展。方法：以＂有限元分析;口腔;生物力学＂为中文关键词,以＂finiteelement analysis（FEA）;oralcavity;biomechanics＂为英文关键词。采用计算机检索PubMed数据库、维普数据库1995-01/2011-10有关有限元分析法在口腔生物力学领域应用的文章。结果与结论：有限元分析可以对口腔结构、形状、载荷和材料力学性能等进行应力分析,可获得模型任何部位的应力值和位移值,并借助计算机从而快速精确地求解,客观、准确、真实地反映应力的分布状况,为研究口腔医学中的有关基础性问题、解决口腔医学中的临床实际问题、发展口腔临床技术手段提供了力学基础,为进一步研究口腔疾病治疗方法提供参考和借鉴。     

膝关节后外侧结构生物力学的有限元分析

背景：有限元分析作为一种数值分析手段,适用于三维人体结构力学模型的生物力学分析。目的：采用有限元分析膝关节后外侧结构主要韧带（外侧副韧带、腘肌腱和腘腓韧带）的生物力学特点。方法：建立人膝关节包括后外侧结构的三维有限元模型,在模型上施加胫骨的前后向力、内外翻力矩、内外旋力矩,观察膝关节后外侧韧带在完整和缺失时的应力响应。结果与结论：膝关节后外侧结构对限制膝关节的内翻、外旋和胫骨后移有重要作用,而对限制胫骨前移、外翻和内旋的作用并不明显。膝关节后外侧结构损伤对膝关节的稳定性有明显影响。在膝关节后外侧结构中起主要作用的是外侧副韧带,其次是腘肌腱,而腘腓韧带在后外侧结构中起辅助作用。     

髋臼三维有限元分析及其生物力学意义

目的寻求髋臼三维有限元模型构建的方法并探讨记忆生物力学的临床意义。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,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121239个结点、112491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。     

膝关节后外侧结构生物力学的有限元分析

背景:有限元分析作为一种数值分析手段,适用于三维人体结构力学模型的生物力学分析。目的:采用有限元分析膝关节后外侧结构主要韧带(外侧副韧带、腘肌腱和腘腓韧带)的生物力学特点。方法:建立人膝关节包括后外侧结构的三维有限元模型,在模型上施加胫骨的前后向力、内外翻力矩、内外旋力矩,观察膝关节后外侧韧带在完整和缺失时的应力响应。结果与结论:膝关节后外侧结构对限制膝关节的内翻、外旋和胫骨后移有重要作用,而对限制胫骨前移、外翻和内旋的作用并不明显。膝关节后外侧结构损伤对膝关节的稳定性有明显影响。在膝关节后外侧结构中起主要作用的是外侧副韧带,其次是腘肌腱,而腘腓韧带在后外侧结构中起辅助作用。     

骨填充材料修复骨肿瘤术后的骨缺损

背景：骨填充材料具有良好的生物活性、生物相容性、生物安全性和机械性能,可通过骨的传导及诱发新骨形成等作用实现骨的自身修复,是一种高效、安全、性价比较高的骨移植替代材料,可作为修复囊性破坏的良性骨肿瘤和瘤样病变术后缺损的修复材料进行更深入地研究及开发利用。目的：总结近年有关骨填充材料修复骨肿瘤术后骨缺损的研究进展。方法：由作者应用计算机检索维普数据库中与骨填充材料修复骨肿瘤术后骨缺损有关的文献,检索时限为1998-01/2009-10。检索关键词：骨填充材料,骨肿瘤,骨缺损。最终纳入22篇文献进入结果分析。结果与结论：应用同种异体骨、自体骨复合物修复骨肿瘤瘤段切除后骨缺损是一种具有较高临床应用价值的有效方法。同种异体骨作为可被宿主生物学吸收重建的永久性植入材料,其相对于其他材料有很大优势。对于四肢良性肿瘤切除后骨缺损的修复,尤其是较大的骨缺损是一种具有较高临床应用价值的植入材料。     

应用三维有限元建立下颌第一磨牙模型的生物力学特征

目的：建立下颌第一磨牙的三维有限元模型，为下颌第一磨牙的生物力学研究提供一个数字模型。方法：实验于2004-04／12完成。CT扫描在第四军医大学西京医院放射科进行，三维有限元模型的建立在西安理工大学理学院应用数学系实验室进行，样本取自第四军医大学口腔医院牙体科教学组。选取中国人标准形态的右侧下颌第一磨牙为样本，螺旋CT扫描正常下颌骨得到下颌第一磨牙的24副断层图像，将图像在计算机上进行处理得到下颌第一磨牙的三维有限元模型。结果：建立的有限元模型包括牙齿、牙槽骨、牙周膜在内，共4862个节点，4051个单元。结论：该模型可满足对该下颌第一磨牙进行牙体修复时的各种力学分析。     

骨填充材料修复骨肿瘤术后的骨缺损

背景:骨填充材料具有良好的生物活性、生物相容性、生物安全性和机械性能,可通过骨的传导及诱发新骨形成等作用实现骨的自身修复,是一种高效、安全、性价比较高的骨移植替代材料,可作为修复囊性破坏的良性骨肿瘤和瘤样病变术后缺损的修复材料进行更深入地研究及开发利用。目的:总结近年有关骨填充材料修复骨肿瘤术后骨缺损的研究进展。方法:由作者应用计算机检索维普数据库中与骨填充材料修复骨肿瘤术后骨缺损有关的文献,检索时限为1998-01/2009-10。检索关键词:骨填充材料,骨肿瘤,骨缺损。最终纳入22篇文献进入结果分析。结果与结论:应用同种异体骨、自体骨复合物修复骨肿瘤瘤段切除后骨缺损是一种具有较高临床应用价值的有效方法。同种异体骨作为可被宿主生物学吸收重建的永久性植入材料,其相对于其他材料有很大优势。对于四肢良性肿瘤切除后骨缺损的修复,尤其是较大的骨缺损是一种具有较高临床应用价值的植入材料。     

Relationship between bone adaptation and in-vivo mechanical stimulus in biological reconstructions after bone tumor: A biomechanical modeling analysis

BackgroundBiomechanical interpretations of bone adaptation in biological reconstructions following bone tumors would be crucial for orthopedic oncologists, particularly if based on quantitative observations. This would help plan for surgical treatments, rehabilitative programs and communication with the patients. We aimed to analyze the biomechanical adaptation of a femoral reconstruction after Ewing sarcoma according to an increasingly-used surgical technique, and to relate in-progress bone resorption to the mechanical stimulus induced by different motor activities.MethodsWe created a multiscale musculoskeletal and finite element model from CT scans and motion analysis data at a 76-month follow-up of a patient, to analyze muscle and joint loads, and to compare the mechanical competence of the reconstructed bone with the contralateral limb, in the current real condition and in a possible revision surgery that removed proximal screws.FindingsOur results showed strategies of muscle coordination that led to differences in joint loads between limbs more marked in more demanding motor activities, and generally larger in the contralateral limb. The operated femur presented a markedly low ratio of physiological strain due to load-sharing with the metal implant, particularly in the lateral aspect. The possible revision surgery would help restore a physiological strain configuration, while the safety of the reconstruction would not be threatened.InterpretationWe suggest that bone resorption is related to load-sharing and to the internal forces exerted during movement, and the mechanical stimulus should be improved by adopting modifications in the surgical treatment and by promoting physical therapy aimed at specific muscle strengthening.     

同种异体骨修复良性骨肿瘤及瘤样病变骨缺损

背景:骨肿瘤及瘤样病变切刮后骨缺损取自体骨填充,由于取材量不能完全满足临床需要,且供骨区常遗有不同程度并发症,使其在临床应用中受到明显限制.异体骨以其结构及生物特性与自体骨相似、来源丰富、可以长期保存及使用方便等特点日益广泛地应用于临床.目的:观察同种异体骨用于填充修复良性骨肿瘤及瘤样病变切、刮除术后骨缺损后的生物相容性表现及临床应用效果.设计:回顾性分析.单位:内蒙古医学院第二附属医院骨肿瘤科、骨盆外科.对象:选择1999-12/2005-12在内蒙古医学院第二附属医院骨肿瘤科因良性骨肿瘤及瘤样病变行病灶刮除、高温灭活,冻干同种异体小块骨填充修复骨缺损的患者230例,男156例,女74例;年龄5～56岁.患者同意使用异体骨,并签订植入异体骨协议书;实验经医院伦理委员会批准.方法:①使用由由山西奥瑞生物材料有限公司/山西省医用组织库提供的同种异体骨填充修复骨缺损.对良性骨肿瘤及骨囊肿和骨纤维结构不良等行囊内刮除术,用同种异体骨填塞空腔.②根据Mankin等对同种骨移植结果的评分标准评估疗效,分为满意和不满意两个层次.于术后3,6和12个月对手术部位拍摄X射线平片,并平均随访38个月以观察疗效.主要观察指标:异体骨填充修复骨肿瘤骨缺损的组织相容性.结果:患者230例全部进入主要结果分析.①同种骨生物相容性:少数患者术后有轻度排异反应.该植入材料生物相容性好,可与植入部位患者骨组织直接进行融合,不阻止骨细胞在其表面的正常活性或干扰自体骨细胞的自然替代过程,即无免疫排斥反应或很小.所有病例在术后6～18个月达到骨性愈合,平均6.5个月.并发症:34例切口渗出淡黄色液体,其中30例于2周后切口愈合(14.8%);切口延期愈合4例(1.7%).②疗效:满意196例(85.2%),不满意34例(14.8%).结论:同种异体小块骨具有良好的组织相容性及成骨作用,是骨移植术中良好的植骨材料.     

同种异体骨修复良性骨肿瘤及瘤样病变骨缺损

背景：骨肿瘤及瘤样病变切刮后骨缺损取自体骨填充，由于取材量不能完全满足临床需要，且供骨区常遗有不同程度并发症，使其在临床应用中受到明显限制。异体骨以其结构及生物特性与自体骨相似、来源丰富、可以长期保存及使用方便等特点日益广泛地应用于临床。 目的：观察同种异体骨用于填充修复良性骨肿瘤及瘤样病变切、刮除术后骨缺损后的生物相容性表现及临床应用效果。 设计：回顾性分析。 单位：内蒙古医学院第二附属医院骨肿瘤科、骨盆外科。 对象：选择1999—12／2005-12在内蒙古医学院第二附属医院骨肿瘤科因良性骨肿瘤及瘤样病变行病灶刮除、高温灭活，冻干同种异体小块骨填充修复骨缺损的患者230例，男156例，女74例；年龄5～56岁。患者同意使用异体骨，并签订植入异体骨协议书；实验经医院伦理委员会批准。 方法：①使用由由山西奥瑞生物材料有限公司，山西省医用组织库提供的同种异体骨填充修复骨缺损。对良性骨肿瘤及骨囊肿和骨纤维结构不良等行囊内刮除术，用同种异体骨填塞空腔。②根据Mankin等对同种骨移植结果的评分标准评估疗效，分为满意和不满意两个层次。于术后3，6和12个月对手术部位拍摄x射线平片，并平均随访38个月以观察疗效。 主要观察指标：异体骨填充修复骨肿瘤骨缺损的组织相容性。 结果：患者230例全部进入主要结果分析。①同种骨生物相容性：少数患者术后有轻度排异反应。该植入材料生物相容性好，可与植入部位患者骨组织直接进行融合，不阻止骨细胞在其表面的正常活性或干扰自体骨细胞的自然替代过程，即无免疫排斥反应或很小。所有病例在术后6～18个月达到骨性愈合，平均6．5个月。并发症：34例切口渗出淡黄色液体，其中30例于2周后切口愈合（14．8％）?     

四肢骨肿瘤切除后应用大段同种异体骨移植交锁髓内钉内固定修复骨缺损

背景:近年来同种异体骨移植技术的发展为各种原因造成的大段骨关节缺损的修复这一难题提供了新的解决方法。目的:探讨四肢骨肿瘤切除后采用大段异体骨移植交锁髓内钉内固定修复骨缺损的疗效。设计:自身前后对照观察。单位:云南省肿瘤医院骨科。对象:选择1998-04/2003-02云南省肿瘤医院骨科进行的骨肿瘤病灶清除、交锁髓内钉内固定加同种异体骨移植术的患者18例(患者均签署知情同意书)。其中恶性骨肿瘤15例,瘤样病损3例。干预:同种异体骨处理来源于新鲜尸体骨(由云南省肿瘤医院制备、保存)。完整切除肿瘤骨段后,于骨缺损处植入同种异体骨,依次置入远端及近端锁钉,骨接合部植入自体松质骨粒促进骨端愈合,肱骨上端半关节移植,主要行肩袖及三角肌重建;膝关节半关节移植,应重新附丽重要肌肉、韧带。术后外固定4～6周,循序渐进功能锻炼。于术后3,6,12个月及随访时进行疗效评定。术后肢体功能恢复按Mankin评定标准评估(分为优,良,中,差)。主要观察指标:①患者肢体功能恢复结果。②不良事件和副反应。结果:18例患者,平均随访32个月,均进入结果分析。①患者肢体功能恢复结果:根据Mankin提出的评定标准,本组优7例,良6例,中4例,差1例。6和12个月检查见骨痂和核素浓集逐渐增多,10～14个月生长骨痂可覆盖骨端,并随时间的延长逐渐完成替代爬行。②不良事件和副反应:本组患者中无瘤存活16例,2例分别于术后12个月和18个月死于原发病变和肺转移。其余患者患肢均无感染、骨不连接、内固定松动或断裂。无一例肢体短缩。半关节移植者关节活动稍受限,关节稳定。结论:此手术方法使固定节段具有高度的内在稳定性,可早期进行功能锻炼,防止影响肩、膝等关节的负重功能,适合于四肢骨肿瘤切除后骨缺损的修复。     

四肢骨肿瘤切除后应用大段同种异体骨移植交锁髓内钉内固定修复骨缺损

背景：近年来同种异体骨移植技术的发展为各种原因造成的大段骨关节缺损的修复这一难题提供了新的解决方法。目的：探讨四肢骨肿瘤切除后采用大段异体骨移植交锁髓内钉内固定修复骨缺损的疗效。设计：自身前后对照观察。单位：云南省肿瘤医院骨科。对象：选择1998-04／2003-02云南省肿瘤医院骨科进行的骨肿瘤病灶清除、交锁髓内钉内固定加同种异体骨移植术的患者18例（患者均签署知情同意书）。其中恶性骨肿瘤15例，瘤样病损3例。干预：同种异体骨处理来源于新鲜尸体骨（由云南省肿瘤医院制备、保存）。完整切除肿瘤骨段后，于骨缺损处植入同种异体骨，依次置入远端及近端锁钉，骨接合部植入自体松质骨粒促进骨端愈合，肱骨上端半关节移植，主要行肩袖及三角肌重建；膝关节半关节移植，应重新附丽重要肌肉、韧带。术后外固定4-6周，循序渐进功能锻炼。于术后3，6，12个月及随访时进行疗效评定。术后肢体功能恢复按Mankin评定标准评估（分为优，良，中，差）。主要观察指标：①患者肢体功能恢复结果。②不良事件和副反应。结果：18例患者，平均随访32个月，均进入结果分析。①患者肢体功能恢复结果：根据Mankin提出的评定标准，本组优7例，良6例，中4例，差1例。6和12个月检查见骨痂和核素浓集逐渐增多，10-14个月生长骨痂可覆盖骨端，并随时间的延长逐渐完成替代爬行。②不良事件和副反应：本组患者中无瘤存活16例，2例分别于术后12个月和18个月死于原发病变和肺转移。其余患者患肢均无感染、骨不连接、内固定松动或断裂。无一例肢体短缩。半关节移植者关节活动稍受限，关节稳定。结论：此手术方法使固定节段具有高度的内在稳定性，可早期进行功能锻炼，防止影响肩、膝等关节的负重功能，适合于四肢骨肿瘤切除后骨缺损的修复。