静载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力学意义

目的：探讨骨盆受到静力载荷作用后的力学行为特征，为临床分析及判断骨盆力学分布、静载荷影响提供力学基础。方法：实验于2002—01／2004—04在第二军医大学长海医院骨科实验室和同济大学牛命科学与技术学院生物力学实验室完成采用计算机仿真模拟方法，将所构建骨盆三维实体模犁导入三维有限元分析软件ANSYS7．0，分别计算单侧髂前上棘和单侧髂骨正后方静载荷作用下骨盆的力学行为表现，静载荷为8000N，分析主直力值，应力分布情况以及主应力方向上骨盆单元的位移。结果：单侧髂前上棘侧方加载下，应力沿着受力点与骶髂关节连线方向传导，没有应力沿着髋臼或者耻骨、坐骨传导；单侧髂骨后方静载荷加载时．应力沿着髂骨纵行方向、髂骨与骶髂关节部位连线方向、同侧耻骨上支传导。结论：分析静载荷作用下骨盆各部位应力分布以及骨盆各个单元在应力作用下的位移变化．有助于临床上进行骨盆损伤内固定力点的选择。     

静载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力学意义

目的:探讨骨盆受到静力载荷作用后的力学行为特征,为临床分析及判断骨盆力学分布、静载荷影响提供力学基础。方法:实验于2002-01/2004-04在第二军医大学长海医院骨科实验室和同济大学生命科学与技术学院生物力学实验室完成。采用计算机仿真模拟方法,将所构建骨盆三维实体模型导入三维有限元分析软件ANSYS7.0,分别计算单侧髂前上棘和单侧髂骨正后方静载荷作用下骨盆的力学行为表现,静载荷为8000N,分析主应力值、应力分布情况以及主应力方向上骨盆单元的位移。结果:单侧髂前上棘侧方加载下,应力沿着受力点与骶髂关节连线方向传导,没有应力沿着髋臼或者耻骨、坐骨传导;单侧髂骨后方静载荷加载时,应力沿着髂骨纵行方向、髂骨与骶髂关节部位连线方向、同侧耻骨上支传导。结论:分析静载荷作用下骨盆各部位应力分布以及骨盆各个单元在应力作用下的位移变化,有助于临床上进行骨盆损伤内固定力点的选择以及进一步明确骨盆内在应力值分布。     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景：由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。目的：以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布。方法：获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS。再根据解剖部位建立骨盆主要韧带。对S1椎体上终板施加600N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。结果与结论：垂直加载600N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节。此时的坐骨结节处承受较大压应力。有限元模型在静载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反应骨盆特有的力学结构特性,模型的准确性较高。计算结果与文献中报道的结果相近,建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具及满足临床研究的需要。     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景:由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段.目的:以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布.方法:获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics 10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS.再根据解剖部位建立骨盆主要韧带.对S1椎体上终板施加600 N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况.结果与结论:垂直加载600 N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节.此时的坐骨结节处承受较大压应力.有限元模型在静载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反应骨盆特有的力学结构特性,模型的准确性较高.计算结果与文献中报道的结果相近,建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具及满足临床研究的需要.     

骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及其临床意义

目的：对模仿站立及坐位两种状态对骨盆髋臼加载后进行三维有限元模型力学分析，观察相关力学参数变化。 方法：①湿髋臼标本模型来源于解放军第二军医大学解剖学教研室。髋臼：对一具成年湿骨盆尸体标本行CT扫描成像得到每层横截面图像，提取边界坐标，利用有限元分析软件ANSYS5．6构建髋臼三维模型，并划分为121 239个结点、112 491个单元。同时将骶髂关节和耻骨联合部位锁定，模仿站立位对髋臼加载，力的方向按股骨颈力线方向．大小为400N（约80kg体质量一半）。分析加载后髋臼的三维力场分布。②骨盆模型：2004-08从自愿者中随机选取正常成年男性，然后行CT扫描。CT扫描范围从第3腰椎至坐骨结节，将扫描后图像用ANSYS5．6软件构建正常骨盆模型，并划分为356 710个单元格。固定好正常骨盆模型的两侧坐骨结节，模仿坐位对骨盆加载，于腰椎上施加一竖直向下的力，大小为500N，方向与Z轴相反，通过有限元分析计算获取应力分布图像。 结果：①髋臼三维有限元模型模仿站立位加载后在耻骨支、坐骨支、方区部、骶髂关节部、髋臼后壁部有较高应力出现，单元结构所受到的平均等效应力为（11．578-23．437）MPa。②骨盆三维有限元模型模仿坐位加载后在骶髂关节及坐骨结节部有较高应力出现，单元结构所受到的平均等效应力为（15．734-20．286）MPa。 结论：实验结论提示，骨盆髋臼骨折的内固定应强调以满足术后早期卧床功能训练为目的的有效内固定，避免早期负重。     

前路钢板置入固定治疗骶髂关节脱位的三维有限元分析

背景：已有文献报道骶髂关节损伤及固定的生物力学研究,但多是在尸体标本或人工骨模型上模拟骶髂关节损伤。目的：利用三维有限元方法对骶髂关节脱位前路钢板内固定的垂直稳定性进行分析。方法：在完整骨盆三维有限元模型的基础上,建立一侧骶髂关节脱位后前路钢板内固定模型。对模型施加500N轴向载荷,经计算得到应力、应变及位移云图,并与完整骨盆的同一工况进行比较分析。结果与结论：在内固定系统处出现了应力集中现象,尤其以靠近骶髂关节的螺钉周围应力最大,远远大于完整骨盆同一工况下的最大应力。应变以健侧骶髂关节最大,内固定侧骶髂关节无应变。位移以损伤侧骶髂关节处最大,约为完整骨盆的2倍。提示前路钢板内固定治疗骶髂关节脱位,骨盆在垂直方向上稳定性较差,且钢板螺钉处出现了应力集中现象。     

前路钢板置入固定治疗骶髂关节脱位的三维有限元分析(英文)

背景:已有文献报道骶髂关节损伤及固定的生物力学研究,但多是在尸体标本或人工骨模型上模拟骶髂关节损伤。目的:利用三维有限元方法对骶髂关节脱位前路钢板内固定的垂直稳定性进行分析。方法:在完整骨盆三维有限元模型的基础上,建立一侧骶髂关节脱位后前路钢板内固定模型。对模型施加500N轴向载荷,经计算得到应力、应变及位移云图,并与完整骨盆的同一工况进行比较分析。结果与结论:在内固定系统处出现了应力集中现象,尤其以靠近骶髂关节的螺钉周围应力最大,远远大于完整骨盆同一工况下的最大应力。应变以健侧骶髂关节最大,内固定侧骶髂关节无应变。位移以损伤侧骶髂关节处最大,约为完整骨盆的2倍。提示前路钢板内固定治疗骶髂关节脱位,骨盆在垂直方向上稳定性较差,且钢板螺钉处出现了应力集中现象。     

骨盆髋臼模型不同加载方式的力学变化及其临床意义

目的:对模仿站立及坐位两种状态对骨盆髋臼加载后进行三维有限元模型力学分析,观察相关力学参数变化。方法:①湿髋臼标本模型来源于解放军第二军医大学解剖学教研室。髋臼:对一具成年湿骨盆尸体标本行CT扫描成像得到每层横截面图像,提取边界坐标,利用有限元分析软件ANSYS5.6构建髋臼三维模型,并划分为121239个结点、112491个单元。同时将骶髂关节和耻骨联合部位锁定,模仿站立位对髋臼加载,力的方向按股骨颈力线方向,大小为400N(约80kg体质量一半)。分析加载后髋臼的三维力场分布。②骨盆模型:2004-08从自愿者中随机选取正常成年男性,然后行CT扫描。CT扫描范围从第3腰椎至坐骨结节,将扫描后图像用ANSYS5.6软件构建正常骨盆模型,并划分为356710个单元格。固定好正常骨盆模型的两侧坐骨结节,模仿坐位对骨盆加载,于腰椎上施加一竖直向下的力,大小为500N,方向与Z轴相反,通过有限元分析计算获取应力分布图像。结果:①髋臼三维有限元模型模仿站立位加载后在耻骨支、坐骨支、方区部、骶髂关节部、髋臼后壁部有较高应力出现,单元结构所受到的平均等效应力为(11.578～23.437)MPa。②骨盆三维有限元模型模仿坐位加载后在骶髂关节及坐骨结节部有较高应力出现,单元结构所受到的平均等效应力为(15.734～20.286)MPa。结论:实验结论提示,骨盆髋臼骨折的内固定应强调以满足术后早期卧床功能训练为目的的有效内固定,避免早期负重。     

骶髂关节脱位钉板内固定与关节拉力螺钉内固定两种置入方法的三维有限元分析

背景:有限元法能对复杂的结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析比较,模拟的条件更接近正常,结果更加可信,已经是骨科生物力学研究中的重要手段.目的:以有限元分析方法建立骨盆骶髂关节(单侧)脱位模型,比较前路钉板内固定及骶髂关节拉力内固定治疗后的生物力学稳定性.方法:在正常骨盆三维有限元模型的基础上,截断骶髂关节问的骶髂前后韧带(包含骶髂骨间韧带)以及骶结节韧带和骶棘韧带等盆底韧带,造成骶髂关节脱位.分别在前路钉板内固定系统(共2块重建钢板6枚螺钉)及骶髂关节拉力螺钉内固定(2枚拉力螺钉)两种固定方法的模型上,加载后进行非线性有限元分析.计算该加载方式下的骨盆应力、应变及位移的分布情况.结果与结论:建立了高精度骨盆骶髂关节脱位两种内固定的三维有限元模型.通过应力应变云图分析与比较后发现,采用骶髂关节拉力螺钉内固定相对于前路钢板内固定移位的总位移小,应力分布均匀,无明显高度集中现象,固定强度更大,固定后的骨盆更稳定.利用有限元方法分析骨盆骶髂关节脱位两种内固定生物力学稳定性,具有较高真实性、精确度和可重复性,结果与其他生物力学实验结果相一致,能满足临床骨盆损伤研究的需要.     

骶骨次全切除术后骨盆有限元模型的建立及验证

背景:由于位置较深以及复杂的结构,目前对于骶髂关节的生物力学的了解并不全面,而对于该部位重建方式的生物力学研究则更少。目的:建立高位骶骨切除术后的骨盆有限元模型,并进行有效性验证,为骶髂关节重建方式的有限元评价提供平台。时间及地点:2008-01/03在解放军第二军医大学长海医院骨科实验室完成了三维有限元模型的建立与验证。材料:调取非腰椎、骨盆病变的成年男性骨盆CT扫描图像,扫描范围从下腰椎至坐骨结节,共有DICOM格式的CT图像132幅。方法:分别构建完整骨盆和经S1神经孔上缘水平施行骶骨次全切除术后的缺损骨盆的三维有限元模型。模拟Hugate等的生物力学实验情况,对完整骨盆模型施加3000N,对缺损骨盆模型施加1000N的垂直载荷进行计算,得到相应的位移和刚度,然后再与文献中的结果进行比较。主要观察指标:选择L5的最大下沉位移(U3)以及由此计算得到的刚度作为评价骶髂关节的稳定性的指标。结果:完整和缺损骨盆模型中L5的最大下沉位移分别为7.99mm和7.68mm,由此计算得到的刚度分别为375N/mm和130N/mm;文献中相应工况下的骨盆位移分别为(10.73±5.10)mm和(11.71±5.74)mm,刚度分别为(353±231)N/mm和(101±49)N/mm。结论:成功建立了保留骶髂关节活动的骶骨次全切除术后骨盆的有限元模型,计算结果与文献中报道的结果较好地吻合,可认为有效,能够用于各种骶髂关节重建方式的有限元评价。