三维有限元分析钢板内固定治疗跟骨骨折

背景：有多种钢板治疗跟骨骨折,但究竟哪种效果更好,目前尚无定论。 目的：在跟骨骨折三维有限元模型上模拟加载3种类型的钢板,观察比较应力、应变及移位等生物力学性能。 方法：在踝关节中立位和背伸20°位建立跟骨骨折三维有限元模型,分别模拟使用跟骨Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3种形状钢板对骨折进行固定,加载后计算内固定物自身的应力分布、骨骼的应力分布及骨折块间的移位程度。 结果与结论：①两种体位骨折模型3种固定方式下的钢板应力分布都不均匀,钢板前部应力水平均高于后部,Ⅰ型钢板的应力分布相对比较均匀。②两种体位骨折模型3种固定方式下跟骨的应力最大值均在跟骨前部,而正常跟骨最大应力值在跟结节处,Ⅰ型钢板固定跟骨骨折后骨骼的最大应力值均小于Ⅱ型、Ⅲ型钢板。③两种体位骨折模型3种固定方式下均发生了骨折块间的位移,其位移趋势是一致的。结果显示,与Ⅱ型、Ⅲ型钢板固定相比较,跟骨Ⅰ型钢板固定后所承受应力更小,且应力分布更均匀,较符合生物力学原理。     

股骨颈骨折内固定方式的有限元分析

目的　研究股骨颈骨折不同内固定方式对骨折端应力分布规律的影响 ,寻找符合生物力学原理的最佳内固定方式 ,为临床应用提供理论依据。方法　在Pro/ENGINEER中建立股骨近端实体模型 ,导入ANSYS 5 7建立有限元模型。在单钉固定的情况下对Pauwel,s角为 5 0°的经颈型骨折模型施加载荷 ,通过不同固定角度时的力学特征综合评价固定效果 ,并找出最佳固定角度 ;对该最佳固定角度下多钉不同固定方式进行计算和分析 ,评价不同固定方式的优劣。结果　单钉固定时当固定角度为 5 0°时 ,各参数同时达到最小值 ,说明以该角度固定可取得最佳的力学效果 ;如采用多钉固定 ,两钉横放效果最差 ,两钉竖放抗扭性较差 ,两钉斜放和三钉固定时力学环境好。从临床实用角度综合分析 ,单钉固定力学效果较好 ,且操作简单。结论　不同固定角度和螺钉组合方式对骨折面的力学环境有重要影响。     

结合薄层CT技术建立下颌第一前磨牙三维有限元模型

目的 结合薄层CT技术建立下颌第一前磨牙三维有限元模型.方法 对正常人下颌第一前磨牙进行薄层CT扫描及图像处理,通过Matlab和ANSYS软件建立三维有限元模型,并加载验证模型力学分析的可行性.结果 建立了包含髓腔的下颌第一前磨牙的三维有限元模型,得到101564个单元,144053个节点.载荷后的应力分布主要集中在颊尖部位和根尖部位,牙颈部受力较小.结论 薄层CT技术与Matlab和ANSYS软件相结合,建立包含髓腔的下颌第一前磨牙的三维有限元模型,精度高、速度快,使用灵活,为后期的楔缺模型建立和分析奠定了基础.     

股骨颈骨折单钉内固定的有限元分析

目的研究股骨颈骨折单钉内固定角度对骨折端应力分布规律的影响,寻找符合生物力学原理的最佳内固定角度,为临床应用提供理论依据.方法在Pro/ENGINEER中建立股骨上端实体模型,导入ANSYS5.7建立有限元模型.模拟单腿站立的情况,对Pauwel's角为50°的经颈型骨折模型施加载荷,分别计算固定角度为30°～60°范围内7种不同情况下骨折模型的力学特征,以应力、位移、张开位移等参数为指标,综合评价不同内固定角度的固定效果.结果固定角度在30°到55°之间时,各参数值在一定范围内波动,并存在基本相同的变化趋势.当螺钉的固定角度为50°时,各参数同时达到最小值,说明以该角度固定可取得最佳的力学效果.固定角度为60°时,各参数显著增大,固定后的股骨颈稳定性较其它角度明显降低.结论当骨折线Pauwel's角为50°时,紧固螺钉固定角度在30°～55°均可以取得良好的力学效果,并以50°最佳.     

有限元分析颈椎棘突骨折内固定有效性

通过对颈椎棘突骨折(累及椎板)内固定治疗有限元模型的建立和分析,明确此种治疗方式对颈椎棘突骨折的有效性。先建立正常全颈椎(C0-T1)的有限元模型并与文献报告进行对比验证,模型验证后,在正常模型基础上建立颈椎棘突骨折(累及椎板)模型,并模拟直型接骨板行内固定治疗,测量并比较颈椎棘突骨折模型及手术内固定模型和原始正常模型在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种条件下活动度改变。以及颈椎各结构的应力变化。结果表明,在正常模型上结合临床病例建立的颈椎棘突骨折(累及椎板)外观逼真,生物力学相似度良好。骨折模型部分节段,主要为C7-T1的活动度(前屈+后伸9.20°,左右侧弯5.83°,左右旋转13.12°)较正常模型(前屈+后伸7.11°,左右侧弯4.92°,左右旋转 9.59°)增大,尤其是旋转活动度,模拟植入内固定后稳定性增加(前屈+后伸4.07°,左右侧弯2.21°,左右旋转2.91°),且内固定钢板应力分析提示,承受最大应力值在安全范围。颈椎棘突骨折(累及椎板)及内固定模型可以较好地模拟临床实际病例,通过有限元分析预示,此型骨折存在潜在不稳的可能性,探讨微型棘突钢板在骨折手术治疗中的应用,具有一定的临床参考价值。     

髋臼横断骨折后柱长/短钢板内固定的有限元建模及分析

目的 建立有效的髋臼横断骨折有限元模型,完成两种内固定方式的比较.方法 利用Mimics 10.0中建立髋臼骨骨折的三维模型,在逆向工程Geomagic中进行相应处理后,在ANSYS Workbench中生成短/长钢板固定模型,并进行加载分析.结果 相同加载方式下,短钢板模型的最大位移、模型整体及髋臼窝处的最大应力和最大应变,均大于长钢板模型.另外,短钢板模型更容易错位失效.结论 本文有限元模型能有效地反映骨盆应力分布,分析结果表明后壁钢板固定时,将钢板长度延伸至坐骨结节处能提供更大的稳定性.     

下颌前伸时下颌骨应力分布的三维有限元分析

目的通过CT技术获取人体下颌各层面的解剖轮廓图，经三维重建从生物力学角度探讨下颌前伸后下颌不同部位的应力分布，为临床功能矫治机理提供理论根据。方法选择处于生长发育高峰期的典型Ⅱ类He患儿，采用CT技术对整个下颌骨进行断层扫描，将其输入计算机给定前伸条件咬合重建，在CAD软件中建立几何模型，将其导入MSC．PATRAN建立有限元模型。结果结果显示髁突后缘及下颌体磨牙区出现拉应力集中区，下颌骨下缘后部及下颌角区为压应力集中区。结论下颌前伸能改变应力分布，有效地治疗骨性Ⅱ类错He。     

掌侧逆行固定治疗腕舟骨腰部骨折三维有限元分析

目的 建立腕舟骨腰部骨折掌侧入路螺钉逆行固定与顺行固定的三维有限元模型,分析对比逆行固定与顺行固定术后的生物力学稳定性,为逆行固定提供生物力学依据.方法 通过CT扫描获取尺桡骨远端、各腕骨与掌骨近端的空间结构信息,利用三维有限元软件建立腕舟骨腰部骨折模型.接着以临床手术操作为参照,建立不同角度螺钉逆行固定模型以及将螺钉置于腕舟骨轴线的顺行固定术后的三维有限元模型.模拟腕舟骨腰部骨折螺钉内固定术后的受力情况,比较分析逆行固定不同螺钉内固定位置骨折端水平位移和螺钉所受最大应力大小,并与顺行固定模型对比.结果 在所有逆行固定模型中,螺钉在腕舟骨轴线上时螺钉所受应力最小、骨折端水平移位最小.在所有模型之中,顺行固定模型螺钉所受最大应力最小、骨折端水平移位最小,且与逆行固定螺钉在腕舟骨轴线时的模型非常接近.结论 逆行固定时将螺钉置于舟骨轴线时模型最稳定,而当螺钉置于舟骨轴线上时,逆行固定与顺行固定生物力学稳定性未见明细差异.     

髌骨骨折AO张力带内固定有限元模型的建立和分析

背景：目前有关髌骨骨折内固定的生物力学研究大多集中在尸体标本上,应用现代有限元法进行分析的报道较少。 目的：建立髌骨骨折AO张力带内固定的三维有限元模型,并对所建模型进行有限元力学分析。 方法：选择1名成年女性志愿者,行下肢薄层CT扫描,将图像数据导入Mimics 10.01 软件通过Region growing提取右侧髌骨polylines,导入Geomagic studio 10.0建立髌骨几何模型。将髌骨几何模型导入PRO/E 2.0软件中,利用软件中的分割功能模拟髌骨骨折,利用软件中的扫描功能,生成两根折弯的克氏针和环形钢丝,建立三维髌骨骨折AO张力带内固定模型,导入ANSYS中建立三维有限元模型,模拟屈膝90°髌股关节作用力600 N进行有限元分析,分析其位移及变形特点。 结果与结论：AO张力带有多向加压作用,及明显对抗股四头肌向上拉应力的作用。提示有限元分析结果与生物力学结果相符,建立的髌骨骨折AO张力带内固定有限元模型有效,有助于更全面了解张力带内固定髌骨骨折的生物力学原理,为临床治疗提供借鉴。     

建立基于浸入边界有限元法的三维静脉瓣流固耦合数值模型

目的 探究静脉内血液与瓣膜之间的流固耦合动态过程和保证血液单向回流的生理机制。方法 基于浸入边界有限元法,结合人体下肢静脉医学图像及牛大隐静脉的解剖结构和尺寸,采用超弹性本构模型描述静脉瓣膜在生理条件下不可压缩、非线性和超弹性力学响应,构建静脉血管和静脉瓣膜的三维数值模型。结果 研究结果可视化地展示静脉动态运输血液的过程以及静脉瓣膜防止反流的功能机制,再现静脉内瓣膜运动和血液流动的周期性特点,讨论和量化了整个心动周期内的重要生理数据,包括静脉内血液的压力、流速和流量以及静脉瓣膜的开口面积、静脉瓣膜表面的应力和应变分布等。结论 三维流固耦合模型可数值再现静脉内生理动态过程,为进一步揭示静脉疾病相关机制提供重要的参考和指导意义。     

眼球-眼外肌有限元模型的建立与力学分析

将有限元分析(FEA)方法运用到眼科研究中,建立了眼球和眼外肌的三维有限元模型并进行外力加载,通过非线性有限元计算过程得出模型的位移、应力、应变等结果,探讨眼部结构与受力、运动之间的关系,所得结果与眼科临床知识相符合.     

下颌第一磨牙远中缺损牙体修复后的力学性能分析

本研究结合了三维激光扫描、逆向工程、三维有限元分析等技术，建立了下颌第一磨牙远中牙体缺损修复后的三维有限元模型，研究了其在不同加载方案、修复材料及修复洞型下的全场应力分析，并通过Mohr强度理论对修复体进行了校核。结果表明，临床上制备壁厚1mm的预备牙体进行充填修复在力学上是可行的；而对大面积缺损牙体的修复，桩核全冠修复并未显示出明显优势。     

多曲方丝弓生物力学特性的三维有限元研究

采用三维有限元法比较分析后倾弯多曲方丝弓、理想弓和 Ni Ti弓在无牵引力、长 类牵引力作用下的矫治效果 ,在此基础上研究多曲方丝弓的整体力学特性 ,揭示多曲方丝弓技术矫治特点 ,探讨其作用机理。结果表明 :(1)无牵引力时 ,以第一、二前磨牙之间为界 ,多曲方丝弓矫治分别使前后牙向前后倾斜 ,且对前牙有压低作用 ;理想弓 (ss方弓 )与 Ni Ti弓矫治力的方向相同但大小不同 ,Ni Ti弓的作用更趋柔和 ,对前牙有轻微伸长作用 ,对后牙有一定压低作用 ,且使磨牙后倾、其余牙前倾。 (2 )长 类牵引时 ,三种弓丝对后牙的后倾作用有所增大 ,但 Ni Ti弓增加比例最大 ;多曲弓使切牙前倾 ,其余牙均向后倾 ;理想弓和 Ni Ti弓则没改变牙的倾斜方向。 (3)无论是预应力单独作用或预应力与牵引力同时作用 ,在牙根上产生的最大压应力均呈现出理想弓矫治时最大、Ni Ti弓居中而多曲弓最小。由此从理论上证明 ,多曲方丝弓矫治技术有利于下颌 Spee氏曲线的整平和牙齿的个别调控 ;对牵引力的传递作用强 ;同时矫治力柔和持久。     

单颗种植体支持单冠的不同牙尖斜度设计的三维有限元分析

用三维有限元法对单颗种植体支持单冠在不同牙尖斜度(25°、35°、45°)及不同载荷条件下(150、300N)的应力进行分析。用螺旋CT扫描下颌骨,在数字化仪中读取下颌骨各边缘及种植体边缘,将读取数据编成ANSYS程序文件,进行三维重建及网格划分,按照咀嚼力均值加载并进行受力分析。在种植体颈部及根端舌侧为应力集中区,牙尖斜度为25°时VonMises应力最小。单颗种植体支持单冠受力时应力集中在种植体颈部的骨皮质及种植体根端区,牙尖斜度为25°时VonMises应力最小且不会引起骨整合界面的破坏。     

利用有限元分析爱惜邦线缝合固定与带线锚钉

目的 利用有限元方法对比分析爱惜邦线缝合固定与带线锚钉缝合固定髌骨下极骨折的生物力学稳定性。方法 选取1名健康成年志愿者的膝关节CT图像,建立髌骨下极骨折模型,并在此基础上建立5#爱惜邦线、带线锚钉骨折固定三维模型。其中,模型1采用5#爱惜邦线独立间断垂直缝合技术固定髌骨下极骨折,模型2在模型1基础上将两端爱惜邦尾线从髌腱下方连续锁边缝合至对侧骨折近端并收紧打结,模型3采用锚钉技术固定。分析在不同屈膝角度下各骨折固定模型的应力和位移分布。结果 在0°~90°范围内,随着屈膝角度增加,最大应力和最大位移也随之增大。在同一屈膝角度下,带线锚钉固定方式的应力水平最高,爱惜邦线固定联合锁边缝合方式的应力水平最低且应力分布最均匀;单纯爱惜邦线缝合的位移形变量最大,带线锚钉固定方式的位移形变量最小。结论 爱惜邦线缝合后加以髌腱周围的锁边缝合最大位移相对适中,且最大应力也相对较小,是临床中固定髌骨下极骨折的可靠方法。     

医学图像三维有限元重建中的数据管理及T10～T12胸椎模型建立

在进行生物力学分析时 ,依靠序列医学图像进行三维有限元模型重建是一种必要的手段 ,但是此过程中图像的数据处理和网格划分等繁重的前处理工作 ,成为了有限元分析工作的瓶颈 ,尤其是形状和其医学图像的数据具有复杂性的胸椎的模型的建立。针对胸椎三维有限元模型建立所必需的数据 ,给出了基于 CT医学图像处理所必需的数据结构和类型 ,分析了数据获得和处理的方法。同时提出了基于分块建模思想的数据管理方法 ,结合MSC.Marc软件实现了网格划分 ,建立了 T10～ T12段胸椎的三维有限元模型 ,其形态特征基本保持了实际骨骼的外形特征 ,满足了生物力学研究分析的要求。针对医学序列图像处理和有限元模型的建立过程中的数据获得与管理 ,是非常有意义的重要工作之一 ,对于其他类似的基于医学图像 (CT、MRI等 )的人体组织的三维有限元重建工作 ,具有拓展意义和实际的指导意义。     

膝关节前交叉韧带断裂单髁置换生物力学特性的有限元分析

目的基于人体膝关节CT和MRI图像建立前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)断裂和正常膝关节三维实体模型,采用有限元方法研究ACL断裂膝关节在不同屈膝角度对植入假体生物力学性能的影响。方法结合临床单髁置换手术方案植入第3代牛津单髁(OxfordⅢ)假体,其中胫骨假体后倾7°,建立膝关节屈曲0°、30°、60°、90°和120°单髁置换的三维有限元模型,在股骨中心点上施加1 k N压缩载荷,分析5种屈膝角度下股骨假体、半月板衬垫、胫骨假体的应力分布情况。结果膝关节ACL断裂组与正常组在5种屈膝状态下,半月板衬垫的最大主应力在ACL断裂组与正常组之间最大相差幅度为62. 5%,在0°、30°、60°和120°屈膝状态下ACL断裂组最大应力均大于正常组;股骨假体在ACL断裂30°时的最大应力明显增加,其余4种屈膝状态下应力的最大增幅为60. 81%;胫骨假体在5种屈膝状态下ACL断裂组最大应力比正常组分别增加了19. 07%、36. 78%、25. 69%、-4. 38%、51. 19%。当ACL断裂后,除屈膝90°外半月板衬垫和胫骨假体上的均布应力均大于正常组,在屈膝30°和120°时对半月板衬垫的磨损较大。结论单髁置换假体的应力分布随膝关节屈曲角度和ACL功能的变化而存在差异,ACL断裂组应力整体趋势大于ACL正常组,且应力集中于内侧区域,在屈膝120°时应力最大,磨损最为明显。研究结果为临床膝关节ACL断裂单髁假体置换的手术方案和半月板假体的优化设计提供理论依据。     

个体股骨头坏死三维有限元模型的建立与应用

同时基于个体股骨头坏死患者的X-ray、CT和MRI图像,采用图像配准和融合技术对包含坏死股骨头的髋关节进行三维重建,获取具有高度几何相似性的三维有限元网格模型。选择1例中年女性股骨头坏死患者,分别获取X-ray、CT和MRI三套图像,采用Mimics 13.1和Pro/E 5.1软件分别基于这三套数据建立相关三维实体模型,经图像投影转换后,确定图像之间的匹配点,进行二维图像配准,配准后对成功融合的图像进行三维有限元网格模型显示。建立了具有良好几何相似性的髋关节三维有限元网格模型,包括正常皮质骨、松质骨、关节软骨和股骨头坏死区、断裂骨小梁等六部份,较真实地反映了包含坏死股骨头的髋关节的形态特征及毗邻关系,为进一步的生物力学分析和手术模拟提供了较理想的研究平台。