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     

采用体绘制方法建立人股骨三维有限元模型及其应力分析

背景：目前股骨三维有限元研究建模方法有多种,而采用体绘制分体建模方法还未曾报道过。 目的：采用体绘制方法建立股骨三维有限元实体模型,对所建实体模型模拟力学载荷得出股骨应力分布,并与既往股骨力学实验比较,评估体绘制方法的可行性。 方法：将CT扫描图像去噪等预处理后,采用体绘制技术,利用Mimics和Ansys软件建立人股骨有限元模型,并在Mimics软件中赋予股骨材质,并模拟人体正常站立位时股骨载荷情况。 结果与结论：采用体绘制方法建立的人股骨三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨及髓腔解剖结构,网格化后共生成63 900个节点,43 552个实体单元;模拟载荷显示股骨压应力区域主要集中在股骨内侧、尤其是股骨距部位,张应力主要集中于股骨颈外侧、股骨干外侧。表明体绘制方法可以建立高仿真、接近股骨解剖结构股骨三维有限元模型实体模型,可以探索股骨的内部结构,展现其内部细节,模拟股骨生物力学分布。关键词：体绘制;股骨;实体模型;有限元;力学分布 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.17.003     

股骨头内松质骨空间分布和力学性能变化有限元分析

目的应用有限元方法研究不同加载强度和偏轴角对股骨头内松质骨空间分布和力学性能变化的影响。方法基于断层磨削后扫描、计算机三维重建的方法建立得到股骨近端骨结构三维模型,按照与主压力小梁方向成0°、15°、45°分别选取相同大小的松质骨试件。计算试件的三维空间结构参数,应用有限元分析方法模拟单轴压缩试验,观察松质骨试件应力、应变分布,探讨不同加载强度和离轴角度对松质骨生物力学性质的影响。结果基于建立的人股骨头内松质骨三维有限元模型,模拟了松质骨试件单轴压缩试验,发现不同加载强度和偏轴角度在松质骨试件中≥5 000με(微应变)的松质骨比例存在统计学差异(P0.05)。结论股骨头内松质骨小梁空间分布与力学适应性密切相关。结构与功能的不相适应降低了股骨头内部松质骨的生物力学性能,反复不良刺激引起的骨重塑、改建可能在股骨头坏死中起着重要的作用。     

松质骨骨小梁的微观构筑对骨质力学强度影响的实验研究

目的　观察骨质疏松和非骨质疏松状态的松质骨的三维微观结构对其骨强度的影响。方法　16只雌性成年绵羊随机分为去势(OVX)组（8只）和假手术(Sham)组（8只）。OVX组行双侧卵巢切除术，假手术组仅显露双侧卵巢，术前测定腰椎竹密度(BMD)。术后12个月处死动物，测定腰椎的BMD，用环钻钻取椎体松质骨，并行MicroCT分析及生物力学测试。结果　去势12个月后，OVX组的BMD较Sham组显著降低。松质骨的骨体积分数(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁数目(Tb.N)较Sham组显著降低，表面积体积比(BS/BV)和骨小梁分离度(Tb.Sp)较对照显著增高。生物力学测试表明，去势12个月后，OVX组松质骨的力学强度显著下降。骨小梁的力学强度与骨小梁厚度(r=0.945，R^2=0.886)、骨体积分数(r=0.783，R^2=0.586)及面积体积比(r=0.643，R^2=0.372)呈线性相关。结论　骨小梁的三维微观结构改变可以影响松质骨的力学强度，两者之间具有一定的线性关系。     

补骨方对去卵巢大鼠骨质疏松症生物力学的影响

目的:探讨补骨方对去卵巢大鼠骨生物力学和形态学的影响.方法:采用去卵巢大鼠模型,随机分为假手术组、模型组及补骨方高、低剂量组,灌胃给药12周后处死动物,取股骨与胫骨测量生物力学参数和进行骨组织形态学观察.结果:补骨方的骨应力、骨弹性模量、扭距、剪切应力、剪切模量等指标与模型组比较有比较显著的提高(P<0.05);骨组织形态学结果显示模型组大鼠骨组织形态结构不完整,骨小梁排列稀疏而紊乱,纤细并见断裂现象,数目明显减少;补骨方高、低剂量组骨组织形态结构较完整,骨小梁分布均匀,较粗且数目较模型组明显增加.结论:补骨方能改善骨生物力学性能和形态学结构,提示具有良好的防治骨质疏松症的应用前景.     

骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯的三维模型仿真分析

文题释义： 骨小梁结构：骨组织包括皮质骨和松质骨，松质骨由一系列小梁骨组成。骨小梁在人体内分布广，呈疏松多孔的网状结构，骨的这种结构使得骨能够承受来自各个方向的载荷，并将载荷分散化，减少集中载荷对骨的不良影响。 有限元分析：有限元分析是一种数值分析方法，它的根本思想是离散化。即利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，所以，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径。 背景：髋关节置换是治疗股骨头坏死、骨性关节炎、髋关节发育不良以及老年股骨颈骨折等髋关节疾病最有效的方法，因此有必要对髋关节置换的生物力学行为展开研究。 目的：采用有限元仿真的方法模拟髋关节置换后骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯模型的接触应力和米氏应力大小和分布情况，分析其对假体及髋关节的影响。 方法：通过3-Matic Research 11.0软件设计了2种不同结构的髋关节假体组件模型：骨小梁结构髋臼杯和实体结构髋臼杯模型。并将设计好的模型经Hypermesh 14.0软件划分网格并赋予材料属性，最后导入有限元分析软件Abaqus 6.13软件中仿真分析，比较相同状态下2种髋臼杯的应力值和应力分布情况。 结果与结论：骨小梁结构髋臼杯的应力呈散点状分布，分布范围广。实体结构髋臼杯容易出现应力集中现象，应力分布集中在受力点附近。骨小梁结构髋臼杯相对于实体结构髋臼杯而言，应力分布范围更大，应力分布更均匀，从而可以减轻髋关节假体之间的磨损，降低髋关节假体发生无菌性松动的风险。 ORCID: 0000-0003-4612-6111(王晖) 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     

股骨头坏死中松质骨微观力学特性的演变规律

目的采用结合显微CT和显微有限元分析方法,即基于显微CT图像建立三维有限元模型并进行数值模拟仿真分析,无创研究不同分期的坏死股骨头松质骨的微结构和微观力学性能,以期了解在股骨头坏死的发展过程中,松质骨微结构和微观力学特性的变化规律,为临床预测股骨头坏死提供理论基础。方法采集10例股骨头坏死患者的股骨头标本的显微CT图像,按照国际骨循环研究学会分期标准分为Ⅱ期样本3例,Ⅲ期3例,Ⅳ期4例。将图像中骨组织进行阈值分割,分区域建立坏死区、侧向区、硬化区和远端区的松质骨块三维有限元模型(边长8 mm),并根据CT值赋予非均匀材料属性。利用ImageJ软件中的BoneJ插件通过识别显微CT组图像,计算测量各区域松质骨的微结构参数,包括骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁间隙、结构模型指数。对松质骨块施加表观应变为1%的压缩载荷,计算骨组织应力和松质骨表观刚度等参数,对比分析各分期、各分区结果。结果在松质骨微结构方面,Ⅳ期较Ⅱ期的股骨头内部硬化区和坏死区的变化最为明显,硬化区的骨体积分数不断上升,骨小梁间隙下降,结构模型指数减小,而坏死区域与之相反;在骨组织微观受力方面,Ⅱ期到Ⅲ期坏死区域的应力并没有明显变化,而硬化区域随着分期增加应力不断上升,侧向区的应力不断下降。表观刚度变化与应力变化一致。结论随着股骨头坏死程度的加剧,硬化区的松质骨微结构和力学性能变化最大,应作为临床早期诊断中重点关注的区域。此外,微结构参数并不能准确体现松质骨的力学行为,而股骨头塌陷最终取决于其力学特性,因此结合有限元分析方法可更加全面了解股骨头坏死的微观力学演变规律。     

压配型髋臼假体置换后骨性髋臼的微有限元分析

目的探讨压配型髋臼假体置换术后骨性髋臼皮质骨和松质骨的骨小梁应力分布模式及松质骨是否参与承载负荷。方法应用显微CT扫描骨性髋臼的骨小梁,建立骨性髋臼的三维微有限元模型。计算压配型髋臼假体置换后骨性髋臼骨小梁的应力和应变,分析骨性髋臼骨小梁应力、应变的生物力学特征。结果当压配型金属髋臼假体植入髋臼后,骨性髋臼外表面的最高应力区位于耻骨区,最高应力为1.389 MPa。在臼顶区,高应力区的面积最大。在骨性髋臼内部的松质骨,高应力区主要分布在臼顶区,分布区域相对较广。当施加1.372 k N载荷后,骨性髋臼外表面面积较大高应力区位于臼顶区域和耻骨区域,臼顶区的最高拉应力为0.604 MPa,耻骨区骨小梁出现微损伤。在骨性髋臼内部的松质骨,面积较大高应力区主要分布在臼顶区和耻骨区。结论高应力区沿着骨性髋臼外表面呈现3点式环形分布,集中分布于耻骨区、坐骨区、臼顶区;髋臼内部松质骨骨小梁通过形变导致应力分布更加均匀。髋臼松质骨具有承受载荷功能。     

骨小梁上的微裂纹对松质骨力学性能的影响

引言为了了解承受周期载荷的松质骨的损伤程度,利用均匀化理论[1～3] 研究了松质骨的刚度随损伤程度的变化情况。用裂纹的线密度ρ描述骨小梁上裂纹的分布,研究骨小梁中微裂纹的分布、密度和长度对松质骨刚度的影响。1　松质骨损伤的描述日常活动中的周期载荷会使松质骨遭受疲劳损伤,也就是在骨小梁上产生裂纹,利用杆 杆模型来模拟松质骨的微结构[4 ] ,基础胞元如图1所示。图1　松质骨的杆 杆结构模型的基础胞元图2　骨小梁及其裂纹示意图(阴影为裂纹)假设骨小梁中的裂纹垂直于骨小梁的轴线方向,如图2所示。骨小梁上裂纹的线密度是指沿着骨…     

强骨康疏胶囊对去卵巢骨质疏松大鼠骨细微结构及骨代谢的影响

目的:观察强骨康疏胶囊对去卵巢骨质疏松大鼠的骨密度、OPG及RANKL蛋白表达、骨组织形态计量学参数及骨组织细微结构的影响。方法:制备去卵巢骨质疏松大鼠模型后,分组:正常对照组、模型空白组、中药低剂量预防组、中药高剂量预防组、雌激素预防组。给药1月后,检测各组股骨骨密度值,显微镜下观察股骨骨小梁的结构变化,并检测骨组织形态计量学参数。采用免疫组织化学染色法检测大鼠股骨OPG及RANKL蛋白表达。结果:模型空白组大鼠股骨骨密度减少,骨小梁厚度、面积、面积百分数均减少,骨小梁间距增大,股骨OPG蛋白平均光密度值显著降低,RANKL蛋白平均光密度值明显增高;雌激素预防组、中药低剂量组、中药高剂量组对上述指标均有明显改善。结论:强骨康疏胶囊能有效提高骨量,维持骨小梁立体空间结构,改善大鼠股骨远端松质骨的显微结构,能够提高骨OPG蛋白表达及抑制RANKL蛋白表达。     

图像相关法测试股骨近端骨小梁压缩特性

目的改善传统方法做压缩测试的不足,更准确地反映骨小梁的压缩弹性模量,探究股骨近端骨小梁的压缩生物力学特性,为临床诊疗提供实验室依据。方法运用微材料力学测试系统,对正常国人(45～60岁)尸体股骨近端骨小梁沿主压力方向及与其垂直方向的压缩性能进行实验研究。结果测得了股骨近端骨小梁在主压力方向压缩弹性模量为(335.26±183.85)MPa,与其垂直方向的压缩弹性模量为(59.27±23.88)MPa,骨小梁在主压力方向上的生物力学性能要明显高于主张力方向;记录了载荷下的骨小梁的位移及应变分布图,负载时骨小梁的位移及应变分布是不均匀的。结论应用微材料力学测试系统测试股骨近端骨小梁压缩弹性模量以更准确地反映其力学性能的方法是可行的,股骨近端骨小梁的压缩性能具有各向异性和不均匀性。     

去势大鼠骨形态计量学、生物性能变化

目的 通过观察大鼠血清学、骨形态计量学测定、骨生物性能等方法研究去卵巢大鼠骨变化.方法 采用7-12月龄SD雌性大鼠30只,随机分为对照组、模型组和尼尔雌醇组.模型组和尼尔雌醇组大鼠切除双侧卵巢进行造模.尼尔雌醇组大鼠造模后45天开始灌服尼尔雌醇,连续90天;对照组和模型组大鼠手术后第45天开始灌服去离子水,连续90天.所有大鼠给药第80、87天时两次ip四环素20mg/kg进行骨荧光标记.实验结束时,取出大鼠股骨及第四腰椎骨进行股骨形态计量学测定、股骨骨密度测量、股骨三点弯曲实验及椎骨压缩实验,同时测定血清碱性磷酸酶(ALP)、抗酒石酸酸性磷酸酶(StrACP)水平.结果 大鼠去双侧卵巢后,股骨骨密度、骨最大载荷、最大应力、弹性模量、刚度水平和骨小梁体积显著性提高;椎体压缩性能、股骨形态计量学、股骨弯曲性能有明显改变;而雌激素对以上变化有不同程度改善作用.结论 骨组织形态、骨生物性能是评价骨质疏松模型或药物疗效的重要指标;发生骨质疏松时,骨组织形态学变化先于骨生物性能变化.     

股骨近端主压力骨小梁生物力学特性

目的股骨头坏死是一种常见病,导致其发病的原因有很多,其中股骨颈骨折后股骨头坏死的原因尚不清楚,机制不明,由于其局部解剖结构特殊,根据其内部结构特点,对骨小梁结构进行研究,为解释股骨颈骨折后股骨头坏死的发生原因提供实验依据。方法对正常中国人(45～60岁)尸体股骨近端主压力骨小梁系统从上到下分成3个区,分别在Endura TEC ELF3200生物力学材料动态力学性能测试系统上,从主压力骨小梁方向及与其垂直方向上进行拉伸、压缩性能实验研究。结果得出了股骨近端主压力骨小梁系统3个区在主压力骨小梁系统方向及与其垂直方向的压缩、拉伸屈服强度、极限强度、弹性模量等测试指标的实验结果。从上到下3个区的弹性模量等生物力学性能依次递增,主压力方向的压缩生物力学性能要明显高于拉伸生物力学性能,并且生物力学性能在主压力系统方向及与其垂直方向有明显差异。结论股骨近端主压力骨小梁的主要力学性能是承受压应力,并且具有明显的各向异性。     

The impact of mammalian reproduction on cancellous bone architecture

Pregnancy and lactation make demands on maternal calcium homeostasis which may affect bone strength. Recently, changes in cancellous architecture have been described in iliac crest bone biopsies from normal pregnant women but the rarity of such human material means an animal model is essential. The microanatomy of cancellous bone was compared in uniparous and multiparous rats using undecalcified histological sections of lumbar and caudal vertebrae and also proximal femora. An automated trabecular analysis system (TAS) measured a comprehensive range of structural variables including the trabecular number, connectivity and width. In the first pregnancy cycle an early stimulation of bone formation (which quadrupled at some sites) was indicated by an increase in the skeletal uptake and spacing of double calcein labels and the immediate generation of thicker more numerous and interconnected trabeculae. A 40% increase in cancellous bone volume was observed in the lumbar spine in comparison with age-matched virgin controls. In contrast, a rapid succession of 3 pregnancy cycles (including lactation) culminated in cancellous atrophy of 15% at the same site, with a loss in trabecular number ranging from 20% (caudal vertebra) to 30% (lumbar vertebrae). In comparison, the proximal femur lost 40% of its struts but, nevertheless, uniquely sustained its cancellous bone volume. When lactation was excluded the number of struts lost was halved although trabecular thinning then took place which was sufficient to maintain the previous 15% deficit in bone volume. It was concluded that a single pregnancy strengthens the cancellous component of the maternal skeleton while a quick succession of pregnancies weakens it. Lactation influences the pattern of bone loss but not its amount.     

An experimental study on the biomechanical properties of the cancellous bones of distal femur

OBJECTIVES: To study the comprehensive biomechanical properties of the cancellous bone of distal femur through a series of mechanical tests, and provide relevant subjects with the basic technical data. BACKGROUNDS: The study on bone mechanics is a commonly used approach to evaluate the biomechanical competency of bone. The biomechanical properties of bone have come to be the precondition of the further research of these relevant clinical subjects. METHODS: In this paper, comprehensive items of mechanical properties of the cancellous bones of distal femur were conducted, and many valuable test results were obtained through a series of mechanical tests, which comprised tensile test, compression test, torsion test, shear test, bending test and impact test. The specimens were extracted from the normal corpses of Chinese donors died from acute head injury. As another key problem in this kind of experiment, the sampling and fixing method of cancellous bones specimens was developed and optimized in this research. RESULTS: A series of the experimental data of mechanical properties of cancellous bones were obtained in the tests, these experimental data include tensile strength, compression strength, yield tensile strength, modulus of elasticity, torsion strength, shear strength, torsion modulus, bending strength, yield shear limit and impact toughness, which can reflect the complex mechanical competency of bone, being of great value and practice in clinic and further research on cancellous bones. The mechanical properties of the cancellous bones of distal femur were analyzed and discussed. CONCLUSIONS: The biomechanical properties of the cancellous bones have a close relationship with individual difference. Comprehensive items of the mechanical properties of the bone can evaluate the mechanical performance of the bone better, and can provide more valuable data to relevant research.     

股骨近端主张力骨小梁生物力学特性

目的 研究股骨近端主张力骨小梁的生物力学性能,为解释股骨颈骨折后股骨头坏死的发生原因提供实验依据.方法 取8个正常国人(45 ～60岁)尸体股骨,排除畸形、骨折等病变.将近端主张力骨小梁系统从外侧到内侧分成3个区,在每个区内沿主张力小梁方向及与其垂直方向切取骨小梁试件,并分别在EnduraTEC ELF3200生物力学...     

同种异体松质骨移植的生物力学研究

目的：探讨同种异体松质骨移植后的力学性能变化以及不同力学环境对其的影响。方法：在40只家兔前肢尺骨中段进行同种异体松质骨移植，并使左右侧植骨块分别承受正常生理载荷与低载荷，动物分批处死后取出植骨区标本进行骨密度值、三点弯曲、平均骨小梁厚度等测试。结果：同种异体松质骨愈合时的骨密度值、最大弯矩、平均骨小梁厚度逐渐上升。在移植后第16周时，和低载荷侧比较，正常载荷侧的上述指标都明显优于低载荷侧（P值分别＜0.01，0.05，0.05）。结论：同种异体松质骨移植后的力学性能变化与它所承受的载荷大小有较强的相关性。     

Adaptation of cancellous bone to overloading in the adult rat: a single photon absorptiometry and histomorphometry study

Nine-month-old female rats were subjected to right hindlimb immobilization or served as controls for 0, 2, 10, 18, and 26 weeks and were double-labeled with bone markers. The right limb was immobilized against the abdomen and considered unloaded, while the left limb was overloaded during ambulation. Single-photon absorptiometry was performed on intact femur; static and dynamic histomorphometry were performed on 20 microns thick undecalcified frontal sections of the proximal tibial metaphysis. Changes in the continuously overloaded limb was compared to that in both limbs of age-matched control animals. Single-photon absorptiometry detected increases of bone mineral density of +6%, +6%, and +5% in the proximal and +9%, +7%, and +10% in the distal femoral metaphyses after 10, 18, and 26 weeks of continuous overloading. Morphometrically, significant changes occurred in proximal tibial metaphyses compared to age-matched controls: trabecular area increased +41% and +45%, trabecular number increased +31% and +32%, and trabecular separation decreased -30% and -31% after 18 and 26 weeks of overloading. A significant increase in mineral apposition rate (+38%) was found only at 26 weeks of overloading. Insignificant decreases in both eroded and labeled bone surfaces occurred at all time periods. The histomorphometric changes indicated that increased cancellous bone mass was caused by an increase in bone formation activity (i.e., increases in mineral apposition and bone formation rates) and a decrease in remodeling space (i.e., decrease in bone eroded surface). These findings indicate that the adult skeleton can quickly adapt to the increased biomechanical needs by increasing its cancellous bone mass with an adequate structural pattern.(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)     

A review of magnetic resonance (MR) imaging of trabecular bone micro-architecture: contribution to the prediction of biomechanical properties and fracture prevalence.

Bone mineral density and three-dimensional trabecular structure play a significant role in predicting bone strength and biomechanical properties. MR is a non-invasive technique for determining trabecular architecture both in vivo and in vitro. In this paper we review the use of magnetic resonance imaging to obtain high resolution images of trabecular bone structure and quantify the three-dimensional architecture of the trabecular bone network. Studies assessing the anisotropy of the trabecular architecture in human cadaveric specimens from the distal and proximal femur, and the thoracic and lumbar vertebrae, are reviewed. The contributions of the MR derived measures of 3D trabecular bone structure to the biomechanical strength of the specimen are presented. In vivo, the relationship between the high resolution MR derived trabecular bone structure parameters in the distal radius and calcaneus in patients with hip fractures, are compared to age matched normal controls. MR derived measures are compared to measures of trabecular bone mineral density (BMD) in the hip using dual X-ray absorptiometry (DXA).