人体左心室三维有限元模型构建及流-固耦合动力学分析

有限元分析是研究心血管动力学问题的重要手段。本文基于中国数字人体心脏断层解剖图像,采用Visu-al C++可视化工具包对心脏外形及内腔结构进行三维重建,进一步基于结构模型构建了左心室、血液耦合有限元模型。在通用有限元分析软件ANSYS环境下使用双向流-固耦合方法对心脏灌注期心室壁受力与血液流动过程进行了动力学仿真。仿真结果成功实现了对心脏灌注期心室两阶段充盈过程中室壁应力与血液流体动态特性的定量分析。本研究提供了一种基于二维医学图像信息构建心室有限元模型,并进行心室血液流体力学模拟的新方法,为心脏生理及病理过程的定量有限元分析提供了一套可行的技术方案。     

建立全腰椎有限元接触模型

目的 应用自编软件和HyperMesh软件并结合接触理论建立全腰椎有限元模型。方法 以正常自愿者全腰椎节段螺旋CT扫描图像的基础,利用自编软件和HyperMesh软件,生成全椎体的骨性有限元模型,补充建立终板、关节突软骨、椎间盘及韧带等结构,建立全腰椎有限元分析模型。引入接触理论处理上下关节突之间的面面接触问题。结果所建模型几何外型较真实,组织结构更完整,外观表现更细腻。生理载荷下的模拟结果与体外生物力学实验结果更加吻合。结论 利用自编软件和HyperMesh软件可以提高有限元模型建立的速度和准确度,引入接触理论可提高有限元模型的可靠性和真实性。     

建立基于映射的个性化颌面部六面体有限元模型

目的为患者建立个性化口腔颌面部整颌整形手术的六面体有限元网格模型。方法首先使用半自动方法构建标准颌面部软组织的高质量六面体有限元网格模型,然后采用一种基于映射的实例学习方法生成个性化患者的颌面部六面体网格模型。结果能够方便地生成几何形状与患者形态高度一致的个性化六面体网格模型,并尽可能保持体网格单元的角度和形状质量。结论新的六面体网格建模方法能为生物力学分析提供高质量的六面体有限元网格输入,在口腔颌面外科等多个学科均有很好的推广应用前景。     

基于三维有限元模型的人体全腰椎振动特性研究

振动暴露被认为是诱发腰椎退行性病变和下腰痛的重要原因,本研究旨在探寻振动载荷对腰椎生物力学的影响。基于人体腰椎L1节段至骨盆(L1-pelvis)的CT扫描数据,重构L1-Pelvis三维几何模型。对该几何模型进行网格划分和材料特性赋值,建立L1-Pelvis三维有限元模型,并利用可获得的实验数据对模型的有效性进行验证。基于该有限元模型,通过瞬时动态分析计算出腰椎各运动节段在幅值40 N,频率5 Hz轴向正弦振动载荷作用下的力学响应,并与-40 N和+40 N轴向静态载荷作用下的结果进行对比,响应参数包括椎体轴向位移、纤维环膨出变形和纤维环基质冯·米塞斯应力。研究结果表明,相比于静态载荷,振动载荷下腰椎各运动节段的椎体轴向位移、纤维环膨出变形、纤维环基质冯·米塞斯应力的幅值分别增加了0.550～1.020 mm、0.124～0.251 mm、0.043～0.099 MPa,最大增幅分别可达195.0%、175.7%、151.4%。从量化角度说明振动载荷下腰椎发生损伤的风险更高。     

建立人体头颈动力学有限元模型和验证

目的建立符合解剖结构的头颈三维动力学有限元模型,研究冲击力作用下头颈部动力学响应。方法采用中国成年男性志愿者颈部CT扫描图像,获取颈椎三维点云数据,通过有限元前处理软件ICEM-CFD和Hyper Mesh建立颈部有限元模型。模型包括椎骨、椎间盘、小关节、韧带和软骨等组织,结合已建立并验证的头部有限元模型,装配成具有详细解剖结构的人体头颈部有限元模型。结果模型参考公开发表的头颈部轴向冲击实验数据进行验证,其颈部变形、头部加速度、接触力曲线以及损伤部位与实验数据吻合较好。结论动力学三维有限元模型可用于汽车安全、运动学损伤等领域人体头颈部的动态响应和损伤机制研究。     

脊椎腰骶关节的有限元模型及其有效性验证

为了研究人体脊椎腰骶关节的生物力学特性,本研究利用三维激光扫描技术测量了人体脊柱骨骼样品的外形结构,然后根据所测的点云坐标数据建立了一个详细的人体腰骶关节L5-S1的三维非线性有限元模型。同时利用可获得的实验研究结果对该模型进行了有效性验证。结果表明,在10Nm力矩作用下,有限元模型的前俯、后仰、左侧弯、右侧弯、轴向左回转和轴向右回转的变形角度分别为9.11°、7.33°、4.95°、5.35°、2.92°、3.03°。该有限元模型的建立为人体脊柱腰骶关节的生物力学分析及器械植入研究提供了更为详细准确的计算模型。     

三种三维有限元建模方法在跟骨模型建立中的应用和比较

目的分析和比较不同三维有限元建模方法在生物组织模型建立过程中的应用。方法基于同组的序列CT图像,使用直接法、间接法和两种方法相结合的思路分别建立跟骨的三维有限元模型,并对3种模型在相同条件下进行简单加载计算。结果直接建模法生成的跟骨三维有限元模型具有31386个节点,115646个单元,间接法生成的跟骨三维有限元模型具有22832个节点和15403个单元。直接与问接结合的方法所得模型包括13050个节点和46654个单元。3个模型计算结果表现为应力分布规律基本相同,局部有差异,并在应力大小上有较大差异。结论模型表面的粗糙程度和材质赋予的形式对模型的计算结果有较大影响。不同建模方法具有不同的适用领域,为满足医学研究需求,认为两种方法的相互借鉴将推动计算生物力学的发展。     

基于医学图像的人体组织有限元模型的建立方法

在医学图像处理、分析和一些成像算法重构中,建立准确的人体组织轮廓外形和有限元模型对于图像分析和改善重构算法的性能、提高分析和重构结果的准确性具有重要作用。本文使用图像处理与曲线拟合的办法,提取CT图像中的真实人体边界,进行分层的有限元剖分与相关参数设置,获得基于真实人体的有限元重构模型。该方法构建的有限元重构模型已在医学图像处理实际工作中得到了初步的应用。     

用于分析面形态与颞下颌关节生物力学关系的三维有限元模型的建立

目的为研究(牙合)面形态变化对颞下颌关节应力影响的规律,建立包括下颌牙列(牙合)面形态及双侧髁突的三维有限元模型.方法尸头1具,平行于眶耳平面作CT扫描,获取下颌骨几何参数;取石膏模型,以三维扫描仪对牙列(牙合)面扫描(精度0.5mm);将石膏模型参数与CT参数换算到同一坐标系下,在髁突上方设均厚类关节盘,关节盘顶及下颌角作约束设计,经划分网格生成有限元模型.结果建立了包括双侧髁突、类关节盘及下颌牙列在内的用于分析咬合与颞下颌关节关系的三维有限元模型.结论采用本方法可建立研究(牙合)面形态与颞下颌关节应力关系的三维有限元模型.     

人类下颌骨的力学模型

本文采用二维有限元,对下颌骨进行应力分析研究。提出2种模型、3种牙齿负载条件和3种咀嚼肌力分布。有限元分析和光弹实验比较,两种结果较为一致,大应力集中在下颌角髁突区、磨牙后区和负载作用的齿冠上。     

与多普勒超声相结合的人体二尖瓣狭窄下游湍流剪应力二维有限元分析

目的 探讨一种与多普勒超声相结合的人体二尖瓣狭窄下游湍流剪应力地维有限元分析方法。方法 采用多普勒超声无创检测技术,将体内实时采集到的左心腔二维超声图像和左房、左室壁平均运动速度作为边界条件,对一组二尖瓣狭窄病人随访期间二尖瓣下游湍流剪应力（turbulent shear stress,TSS)进行计算机数值模拟、二维有限元分析。结果 有限元分析显示：TSS在两次随访前后均存在显著性差异（P＜0．05）,与瓣膜病变Wilkins评分呈明显正相关（r:0.80-0.82);无论病变和狭窄程度怎样,跨瓣血流核心区位点TSS始终低于边界各位点,其最大值＜80N／m^2,结果同以往研究结论一致。结论 二尖瓣狭窄下游所产生的TSS与瓣膜病变进展密切相关。有限元法对局部瓣区和整个流场中TSS和速度大小与分布的描述较为完整而详细,因此它与多普勒超声技术相结合,使心瓣流场中TSS的体内定量研究既全面而又准确。     

用有限元法计算媒质各向异性真实头模型脑电正问题

神经元所产生的脑内电活动通常可用电流源偶极子来模拟。讨论用有限元法计算电流源偶极子产生的电流与电位分布，推导出计算偶极子源在各向异性导电媒质中的有限元方程，并对其进行变形，使得在各向异性导电媒质中生成的有限元刚度阵对称。这一算法已应用于媒质各向异性的真实头模型脑电计算，得到了较为满意的结果。