不同材料赋值属性下髋关节有限元分析

目的 探讨 3 种不同建模方式对髋关节有限元模型生物力学特性的影响,研究出更符合实际的髋关节的材料属性赋值方法。 方法 对髋关节模型进行三维重建,分别采用皮-松质骨赋值法、均一赋值法和灰度赋值法完成材料参数赋值,设定相同的边界条件和载荷,模拟单腿站立位状态下髋关节受力情况,对比 3 组模型的髋关节应力和形变情况。 结果 3 种不同建模方式下髋关节应力均集中于股骨颈内侧,皮-松质骨赋值法、均一赋值法、灰度值赋值法模型 von Mises 应力峰值分别为 11. 04、3. 91、4. 25 MPa。 皮-松质骨赋值法模型最大形变位于股骨大粗隆上部,髋臼与股骨头处最大形变值为 0. 27 mm。 均一赋值法模型及灰度值赋值法模型最大形变位于髋臼与股骨头处,最大形变值分别为 0. 11、0. 12 mm。 结论 根据髋关节 CT 数据灰度值进行梯度赋值,使得髋关节模型材料属性分布更接近骨骼真实的材料属性。     

材料属性分配梯度对椎体有限元模型力学性能的影响

目的研究以灰度值为基础的不同材料属性分配梯度对椎体有限元模型力学性能的影响。方法对1位健康成人脊柱(T12～L5节段)进行快速CT薄层扫描,在MIMICS中对每节椎骨进行三维重建,通过Geomagic软件处理后,导入ANSYS中进行网格划分,再返回到MIMICS中按2、4、8、10、50、100、200、400份8种梯度对材料属性进行分配,最后重新导入ANSYS软件按照同一载荷条件进行有限元分析。结果 2、4、400这3个分配梯度与其他分配梯度相比,应力情况存在显著性差异(P<0.05),而8、10、50、100、200梯度之间计算结果偏差不大。结论有限元模型材料属性划分不宜过多或过少,10份左右的划分梯度既可以保证运算结果的精确性,也相对可以提高运算速度,尤其适用于临床个性化快速有限元建模。     

基于CT图像的股骨上段有限元建模及单元尺寸分析

目的基于CT图像构建5个不同的股骨上段有限元模型,并分析模型单元尺寸对股骨模型材料属性分布以及生物力学性能的影响。方法利用螺旋CT扫描股骨上段并以DICOM格式输出图像文件,利用Mimics软件提取三维几何文件,分别使用Mimics、3-Matica、ICEM软件生成体素网格模型、四面体网格模型和3个六面体网格模型(单元尺寸分别为2、1和0.5 mm),在Mimics中对网格文件进行材料赋值,将最终的有限元模型导入ABAQUS中进行力学行为分析。结果单元尺寸对5个模型总质量影响较小,5个模型沿相同路径上节点处Von Mises应力和节点位移整体变化趋势一致,但是各个节点处Von Mises应力误差较大,单元尺寸为0.5 mm的六面体网格模型与体素网格模型各节点处Von Mises应力值接近。结论基于CT灰度值进行材料赋值时,单元尺寸对模型的总质量和节点位移影响较小,但是单元尺寸的减小将导致模型中各材料含量和分布的改变,引起应力分布的变化。当模型单元尺寸与体素尺寸接近时,能较好反映股骨的质量分布和力学行为。     

正常与骨质疏松髋关节模型的建立及有限元分析

背景：骨密度是临床上判断骨骼强度的金标准,但骨密度对骨量变化的敏感较低,只有骨量明显降低时骨密度才会出现大幅变化,故骨密度对骨强度变化和骨折危险度的预测能力有限。目的：建立正常与骨质疏松髋关节模型,分析单腿站立工况下正常及骨质疏松患者髋部应力及形变情况。方法：选择1例健康成年女性志愿者为研究对象,年龄36岁,获得该志愿者的髋部CT数据并以DICOM格式保存。对髋关节模型进行三维重建,通过灰度赋值法赋予材料属性,按照经验公式,获得正常与骨质疏松髋关节模型。设定相同的边界条件和载荷,模拟单腿站立位状态下正常与骨质疏松髋关节应力及形变情况。结果与结论：(1)在正常及骨质疏松髋关节有限元模型中,股骨颈内侧区域应力分布较为集中;(2)在髋骨中,应力分布主要集中于髋臼上部;(3)正常髋关节模型比骨质疏松性髋关节模型在股骨颈内侧、髋臼上部的应力峰值大,可能是由于骨质疏松性骨骼骨强度降低导致;(4)正常及骨质疏松髋关节模型的Von Mises峰值都集中于股骨颈内侧,髋骨Von Mises峰值较小,说明骨质疏松对髋骨受力整体影响相对较小;(5)单腿站立位下形变方面,正常髋关节模型最大形变位于髋臼与股骨头...     

不同材料赋值下股骨静力学有限元模型的力学仿真分析

文题释义： 材料赋值：由于人体骨骼结构复杂,由骨膜、皮质骨和松质骨构成,并且不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法。 股骨模型材料赋值：给股骨分配不同的材料属性成为建立个性化有限元模型的基本步骤,而且材料属性分配将对分析结果产生很大的影响。但是目前有关不同赋值方法对人体骨科生物力学仿真分析研究的影响还很少有全面系统的研究。 背景：不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法,而材料属性分配将对生物力学分析结果产生很大的影响。 目的：采用不同的材料属性赋值方法建立3种股骨有限元模型并进行有限元仿真分析,探究不同材料赋值方法对股骨有限元生物力学仿真分析的影响。 方法：采集志愿者股骨CT扫描数据,以DICOM格式文件导入Mimics医学影像处理软件重建股骨模型,对模型分别赋予3种不同的材料属性,即均一材料赋值、皮-松质骨赋值和灰度赋值,并将模型导入有限元分析软件Abaqus 6.14中,设置相同的载荷和边界条件进行应力及位移分析。 结果与结论：①3种股骨模型的应力输出结果相差不大,且均在合理范围内;②但是均一材料赋值股骨模型与皮-松质骨赋值股骨模型的最大应力主要分布于股骨干部位,而灰度赋值股骨模型的最大应力分布在股骨颈处,这也与现实状态下股骨骨折部位主要出现于股骨颈部位所吻合;③皮-松质骨赋值模型和灰度赋值模型输出的位移值基本一致;而均一材料赋值的股骨模型位移值最小,并且与其他2种模型位移量相差40%左右;④提示灰度赋值的方法能够较好地反映人体股骨的生物力学特性,从而可以更准确地模拟真实股骨的生物力学特征,这也为骨科生物力学进行有限元仿真建模提供了重要理论依据。 ORCID: 0000-0001-5075-7333(颜继英) 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     

不同材料属性赋予下椎体的静力学分析

背景:人体骨骼具有非线性强、骨质分布不均匀等特点,不同的弹性模量赋值导致静力学结果差异性大.目的:分析3种材料属性赋予方法在椎体数值模拟分析中的差异性.方法:基于逆向工程原理,通过图像分割建立腰椎L4、L5及椎间盘模型,对椎体模型赋予3种材料属性:①灰度值赋值:通过Mimics利用灰度值进行梯度赋值;②均质及灰度值混合...     

均匀材料和基于CT灰度值材料的股骨、胫骨有限元分析

为了定量分析骨量分布与载荷环境的关系,基于CT数据建立了大鼠股骨和胫骨的三维有限元模型,并分别赋予均匀的材料特性和基于CT灰度值的材料特性,用描述骨密度与力学刺激关系的算法来评估简单生理载荷下两种材料模型的有限元分析结果。结果表明,基于CT灰度值模型的有效应力和应变能密度分布与CT灰度分布比较相似,相关系数也较均匀材料模型更高;而且,基于CT灰度值模型的抗断裂能力更强;除此之外,这类模型也更符合骨再造平衡时的力学刺激均匀性假设。基于CT灰度值的有限元模型符合骨的功能适应性原理,可用于进行骨骼内部受力、变形和断裂分析,以及骨再造的数值仿真等研究。     

髋关节置换的三维有限元分析

目的本文建立股骨髋关节置换有限元模型，并进行了静力学模拟计算，寻求假体的材料属性对髋关节置换后产生的的影响。方法运用逆向工程与有限元的基本概念和理论，采用医学专用的建模软件mimics读取原始的股骨CT图片的dicom格式，完成股骨二维重建，然后根据股骨髓腔几何解剖状态应用CAD软件设计个性股骨假体。在ansys中对两个模型进行有限元装配，进行接触耦合分析!结果建立了精确的股骨模型和设计了个性假体。利用MIMICS基于灰度值进行赋材质，实现股骨有限元模型材料正确的非均匀及各向异性描述。成功模拟了三种假体材料置换后股骨的应力。结论三种材料中复合材料假体更接近人体生理环境，减弱了假体的应力遮挡，有利于力由假体传到到股骨上。为改进人工髋关节的设计、置换和提高人工髋关节寿命提供了一些有益的依据。研究结果表明这种假体设计和分析方法更为合理、可靠。     

人股骨上段三维有限元模型的建立

根据螺旋CT二维图像,建立可供有限元结构仿真分析的人股骨三维有限元模型.应用螺旋CT对人股骨进行扫描,对扫描图像应用Adobe Photoshop 9.0提取密质骨、松质骨的边缘,形成坐标数据库后,再应用UGS NX3.0调用坐标数据建立人股骨上段三维几何模型和网格划分.通过UGS NX3.0剖切和隐藏技术分别显示人股骨密质骨、松质骨和骨髓腔以及各结构间的界面的三维几何形态和有限元模型.利用CT、Photoshop、 UGS、数据库等工具和方法,能方便地和较真实地重建复杂的骨骼三维几何模型和有限元模型.     

应用CT断层图像重建股骨有限元模型

目的寻求一种基于CT断层图像快速且精确地建立全股骨三维有限元模型的方法，并应用有限元分析其力学特性以评价建模方法的优势。方法在Mimics中直接读取符合Dicom3．0标准的股骨原始CT数据，经阂值设定、区域增长及形态学操作等生成股骨初始3D模型，后期结合有限元软件ANSYS生成最终的三维有限元网格模型．然后在ANSYS中分别对应用Mimics得到的模型和统一弹性模量的模型加载200N的垂直载荷，比较两者应力分布的异同。结果获得的股骨有限元模型共含有143780个节点和99650个四面体单元，其弹性模量与CT值（密度）相关分布，取值范围在6．01～15．59GPa之间。与统一弹性模量的模型相比较，应用Mimics得到的模型其应力呈现离散性分布。结论应用Mimics可以建立更符合股骨机械结构和力学性质的三维有限元模型，同时缩短了建模时间，据此模型得到的股骨力学特性分析结果更为可信，以辅助指导临床应用。     

全髋关节置换术中压电股骨重建的边光滑有限元分析

目的 针对传统有限元法(finite element method, FEM)分析全髋关节置换(total hip arthroplasty, THA)后压电股骨重建时精度低的问题,采用边光滑有限元法(edge-based smoothed finite element method, ES-FEM)对植入假体后压电股骨近端的骨重建进行仿真分析。方法 根据自适应骨重建理论,建立假体-压电股骨模型。基于模型的背景网格构建光滑域,引入梯度光滑技术,求解出光滑的重建刺激,进而得到术后压电股骨近端的密度分布。结果 植入假体后,受力点由股骨头转移到假体,出现应力屏蔽现象,股骨内部表观密度的分布发生明显变化。相比于FEM,ES-FEM在一定程度上能软化数值模型,提高仿真精度。在相同的网格下,电势和密度的求解精度分别提高27%和30%左右。结论 采用ES-FEM能够更精确地模拟出THA术后压电股骨近端的骨重建进程,为THA临床研究提供有效的理论依据。     

人在摔倒时股骨上端承载能力的有限元分析——(I)有限元分析模型及股骨失效准则的建立

摔跤后,骨折已成为老年人最严重的损伤之一。有限元分析被证实在股骨的结构分析中是一项非常有用的工具。我们建立了股骨上端的有限元模型,并基于有关文献中关于股骨密质骨和松质骨的强度实验数据建立了Hoffm an失效准则。有限元模型和失效准则用前人的实验结果进行了验证。结果表明:预测的松质骨失效载荷仅比实验值低0.5%,而密质骨失效载荷仅比实验值高4.2%。这说明我们建立的有限元模型结合Hoffm an失效准则将很好地预测人摔倒时股骨的承载能力。     

3D Finite Element Analysis of a Man Hip Joint Femur under Impact Loads

Objective： The biomechanical characters of the bone fracture of the man femoral hip joint under impact loads are explored. Methods ：A biosystem model of the man femoral hip joint by using the GE （ General Electric） lightspeed multi-lay spiral CT is conducted. A 3D finite element model is established by employing the finite element software ANSYS. The FE analysis mainly concentrates on the effects of the impact directions arising from intense movements and the parenchyma on the femoral hip joint on the stress distributions of the proximal femur. Results：The parenchyma on the hip joint has relatively large relaxation effect on the impact loads. Conclusion：Effects of the angle δ of the impact load to the anterior direction and the angle γ of the impact load to the femur shaft on the bone fracture are given;δ has larger effect on the stress and strain distributions than the angle γ,which mainly represents the fracture of the upper femur including the femoral neck fracture when the posterolateral femur is impacted, consistent with the clinical resuits.     

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.     

老年人坐立转换时股骨近端应力分布的有限元分析

目的 通过建立股骨近端有限元模型,分析在坐立（sit-to-stand, STS）转换站立阶段初期,股骨近端在自选速度起立和快速起立条件下的损伤风险。方法 将老年人股骨近端CT影像三维重建、逆向建模完成实体模型。通过材料赋值和网格划分建立有限元模型,基于有限元分析软件ANSYS,通过边界条件约束,并加载1.733、1.837 kN载荷,得到不同起立速度下股骨近端的应力分布和应变。结果 应力集中区域均为大转子内侧边缘和股骨颈。应力和微应变峰值出现在大转子内侧边缘。快速起立下应力峰值为30.16 MPa,微应变峰值为2 553.5;自选速度起立下应力和微应变峰值较低,分别为28.69 MPa和2 430.4。对于股骨颈应力集中区,快速、自选速度起立下应力范围分别为13.42~23.46、12.76~25.51 MPa。结论 频繁的STS转换会使老年人股骨近端有疲劳性骨折的风险;快速STS转换比自选速度STS转换对股骨近端有更高的损伤风险。     

新型无柄股骨假体应力分布的有限元分析

目的　通过对比传统有柄股骨假体的应力分布来研究新型无柄股骨假体的生物力学性能。方法　利用真实人体股骨上端的CT扫描图像，建立完整股骨、两个或三个固定螺钉的无柄假体、传统有柄假体的三维有限元模型。模拟人单腿直立的载荷情况，分析和比较每种模型的Von Mises应力分布。结果　(l)无柄假体股骨上的Von Mises应力比传统有柄假体和完整股骨上的都要高；(2)与传统有柄假体相比，防止了应力遮挡效应的产生。(3)两个或三个固定螺钉的无柄假体在股骨的Von Mises应力分布上没有明显差别。结论　新型无柄假体可以防止应力遮挡效应，和传统有柄假体相比能够使股骨上的应力分布更加符合实际的生理情况。     

基于有限元法的跟骨生物力学分析

目的基于有限元方法分析跟骨的生物力学特性。方法通过CT扫描,利用Mimics、Geomagic等软件,建立跟骨有限元模型,并分析在正常站立和外力冲击下跟骨的应力分布和位移趋势。结果在正常站立情况下,跟骨应力、应变整体分布均匀,应力、应变均较小;在受到外力冲击作用下,跟骨的整体应力、应变有明显的上升,其跟骰关节面的应力、应变明显增大。结论通过有限元方法分析跟骨中立位时在不同加载情况下跟骨的应力、应变情况,进一步探讨跟骨的生物力学特性以及跟骨骨折发生机制,为临床跟骨骨折治疗提供一定的理论依据。     

振动对骨重建影响的三维有限元分析

目的观察不同振动频率刺激下股骨表观密度的变化情况,从而确定何种振动参数能对骨骼系统产生最有益影响。方法先获得兔股骨扫描图像,再利用UG软件对图像进行三维重建得到股骨的实体模型,最后导入ANSYS软件中,利用ANSYS软件布尔操作中的减操作,得到带有空腔的兔股骨生物力学模型。结果通过有限元仿真分析,发现添加振动激励后骨骼的应力分布和骨密度发生了变化,股骨部分部位骨密度增加。结论有限元分析不但为分析振动对骨重建的动物和人体实验打下基础,还为进一步深入了解骨骼结构与力学环境之间的关系、为进一步研究对抗航天失重引起的骨丢失和治疗骨质疏松症提供了帮助。     

基于三维有限元静态分析的人体足部生物力学研究

目的:建立一个基于健康人体的、系统的、具有高度几何相似性的足部三维有限元模型,并用此模型静态地分析人体双足站立相时的足部内部的生物力学特性,量化足部内部的应力/应变状况、足部内侧纵弓变化等。方法:基于志愿者右足的3维CT层切数据,对足踝系统相关组织进行几何重建及其网格划分,建立完整的有限元模型并对人体站立状态进行了静态模拟。结果:站立姿态下的足底表面接触压力分布、内部软组织应力分布以及内侧足弓的变形等人体足部生物力学特性被量化。结论:本研究中创建的三维有限元足部模型,经验证是一个正确、可靠的模型,可以帮助临床医生和其他研究人员更好的理解足部内部的许多生物力学特性。