PUMCⅡd1型青少年特发性脊柱侧凸三维有限元模型的建立

背景：建立高质量的有限元模型是进行生物力学分析研究的重要基础,完整的青少年特发性脊柱侧凸三维有限元模型报道甚少。 目的：建立PUMCⅡd1型青少年特发性脊柱侧凸三维有限元模型,为特发性脊柱侧凸的生物力学分析提供有效的数字化平台。 方法：采集1 例14岁PUMCⅡd1型特发性脊柱侧凸女性志愿者从T1至骶尾骨的CT 断层图像,将CT数据导入Mimics 16.0医学三维重建软件中,建立包括胸廓结构的完整脊柱侧凸三维几何模型。再将几何模型以点云格式导入Geomagic Studio 11.0软件中,对三维模型进行光滑、打磨、去噪等一系列图像处理,生成特发性脊柱侧凸三维有限元模型。最后导入ANSYS 14.0有限元分析软件中添加韧带、设置单元类型和定义材料属性,生成完整的特发性脊柱侧凸三维有限元模型。 结果与结论：成功建立了完整的PUMCⅡd1型特发性脊柱侧凸三维有限元模型,包括四面体单元522 887个和杆单元730个,共计523 617个单元,159 008个节点。试验建立了外形逼真的PUMCⅡd1型特发性脊柱侧凸三维有限元模型,为进一步的生物力学分析提供了可靠的数字化模型。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;组织工程全文链接：     

基于三维有限元模型的脊柱生物力学特性研究进展

脊柱相关疾病研究是一门新兴的边缘学科,其研究重点即为脊柱的生物力学特性.综合分析了基于三维有限元模型的腰椎和颈椎生物力学特性研究方法;总结出有限元建模的三种方法,即几何建模法、三维坐标仪建模法以及图像建模法;提炼出图像建模法的关键步骤,即几何模型的建立、椎骨和软组织的材料特性定义、边界条件定义以及模型验证分析;最后提出有限元建模的两个主要改进方面及其研究趋势.     

基于CT图像和逆向工程方法建立正常人体腰椎三维有限元模型◆

背景：利用有限元法可以分析静止及活动时正常脊柱的生物力学,并预测应力时的风险。 目的：建立腰椎L3~L5三维有限元模型。 方法：选取一名健康30岁男性志愿者L3~L5薄层CT扫描图像,使用工具软件 Geomagic 和 Ansys,应用逆向工程原理构建三维有限元模型,设定边界条件进行加载,记录角位移及应力集中部位,计算模型的平均刚度。 结果与结论：建立L3~L5椎体三维有限元模型,包括椎体、韧带、椎间盘、纤维环和小关节,模型总单元数51 905个,通过定量和定性两方面验证模型有效。说明所建立的L3~L5椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特征,可用于进一步脊柱生物力学研究。     

有限元分析法在腰椎生物力学研究中的应用

背景：有限元分析法是目前是脊柱生物力学常用研究方法之一,随着成像、图像处理的进步及有限元分析软件的不断开发与应用,脊柱生物力学研究得到了更深入的发展。 目的：综述有限元的概念、原理与其他生物力学研究方法的差别。 方法：应用计算机检索中国知网数据库、维普数据库和PubMed数据库中1979/2011-01关于腰椎生物力学有限元分析的文章,在标题和摘要中以“腰椎;有限元;生物力学”或“lumbar, finite element, biomechanics”为检索词进行检索。选择文章内容与腰椎有限元分析相关,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志文章。共收集591篇文献,根据纳入标准选择20篇文献进行综述。 结果与结论：近几年有限元分析法在腰椎生理和病理情况生物力学分析中的应用;不同手术方式、内固定器械及人工植入物对腰椎生物力学的影响均有不同。      

有限元法在脊柱生物力学应用中的新进展

本文归纳整理了近3年来使用有限元分析方法研究脊柱生物力学的主要工作,总结了有限元建模方法在建立微观结构以更细致化、常见椎骨参数权重的个性化研究、采用新标定校准和赋值方法使模型更准确化、自动化分网赋值方法4个方面的发展,及其在植入器械设计评估、椎间盘生物力学、异常脊柱结构生物力学、动态仿真4个脊柱生物力学应用方向的主要研究进展。并结合最新的研究趋势,对有限元法在创伤机理研究、手术模拟、新药评估等方面的应用前景进行展望。     

封面

本文归纳整理了近3年来使用有限元分析方法研究脊柱生物力学的主要工作，总结了有限元建模方法在建立微观结构以更细致化、常见椎骨参数权重的个性化研究、采用新标定校准和赋值方法使模型更准确化、自动化分网赋值方法4个方面的发展,及其在植入器械设计评估、椎间盘生物力学、异常脊柱结构生物力学、动态仿真4个脊柱生物力学应用方向的主要研究进展。并结合最新的研究趋势，对有限元法在创伤机理研究、手术模拟、新药评估等方面的应用前景进行展望。     

脊柱侧凸治疗进展中的有限元分析

背景：脊柱侧凸是一种包括椎体水平面旋转的复杂病理特点的三维脊柱畸形。有限元分析法可取代传统的生物力学实验法进行重复实验分析以及数字化仿真模拟,在脊柱侧凸的生物力学研究中的运用日益深入。目的：旨在强调运用有限元分析法对脊柱侧凸的支具和手术治疗方面进行简要的阐述。方法：以“脊柱侧凸;有限元”为检索词,检索PubMed数据库以及万方数据库1986年1月至2013年5月文献。选择文章主要内容与脊柱侧凸治疗的有限元分析直接相关的、代表性好、相关领域权威杂志的文章共38篇进行讨论。结果与结论：如何设计出更加符合脊柱侧凸生物力学特征的个体化支具已成为研究热点。利用多重影像学技术将肋骨、胸骨以及骨盆等引入有限元模型中,分析研究脊柱侧凸施加三维矫形力的最佳方式。研究发现施加载荷最佳的方式是在脊柱侧凸的凸侧区域。有限元分析法可预测和评估患者的矫形过程及效果,进而制定出合理的矫形治疗方案。有限元分析法模拟分析内固定器械与脊柱之间的应力分布情况,更有效的预防治疗后并发症的发生。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;组织工程全文链接：     

脊柱侧凸有限元模型的建立和参数优化

脊柱侧凸种类繁多,为了建立特定患者脊柱的三维有限元模型,并进行生物力学相关的侧凸治疗、病因和病理等研究,参数优化是一个重要的步骤.本文采用螺旋CT扫描收集脊柱侧凸患者的几何学数据,通过系列的图像处理软件和有限元分析软件,建成脊柱侧凸的三维有限元分析模型.该模型初始的材料属性和皮质骨厚度来自文献.其后赋予模型不同材料属性和皮质骨厚度,模拟左、右侧曲试验.首先将计算的结果与临床试验对照,应用SPSS软件进行正交设计数据处理,实现模型材料性质和皮质骨厚度的参数优化.然后再利用优化后模型模拟侧屈和牵引实验,计算结果和临床实验进行对照.结果显示材料性质和皮质骨厚度优化后的模型,其生物力学行为和临床一致.因此,在初步建立的脊柱侧凸的有限元模型的基础上,进行参数优化后的模型有助于深入了解个体的侧凸脊柱的生物力学特征.     

离体脊柱生物力学测试的加载方法研究进展

离体脊柱标本三维运动载荷-位移特性的描述是脊柱生物力学研究的基础,如何准确地模拟在体脊柱的载荷与运动情况是脊柱生物力学研究的难点。国内外学者从测试理论与测试工具上都进行了大量的研究。目前脊柱三维运动测试按照控制方法主要分为载荷控制、位移控制和混合控制。基于不同的控制方法,测试工具也在不断的发展与完善之中。总结目前国内外研制的脊柱离体加载装置的工作原理,并分析其主要优缺点,为离体脊柱生物力学加载装置研究提供参考。     

脊柱生物力学的有限元法研究进展

背景：有限元分析法可取代传统的生物力学实验法进行数字化仿真,重复实验分析,在脊柱生物力学研究中的运用日益广泛且深入。 目的：旨在强调运用有限元法对脊柱解剖,脊柱疾病,脊柱相关手术,以及脊柱的有限元模型的建立进行简要的阐述。 方法：以“有限元;脊柱”为检索词,检索Pubmed文献检索数据库以及中国知网数据库2000-01/2010-08文献。选择文章主要内容与脊柱的有限元分析直接相关的、针对性强、代表性好、相关领域权威杂志的文章共44篇进行综述。 结果与结论：有限元方法将发挥它低成本,可重复性强的特点,在深化理论研究的同时,还将为临床上提高对疾病发生、发展的认识,以及选择个体化治疗方案提供可靠的依据。有限元研究已经成为数字医学的重要组成部分。利用有限元方法人们进一步加深了对脊柱生物力学特性的认识。     

有限元分析法研究脊柱生物力学的新进展

近20年来,有限元分析法在脊柱生物力学研究领域中已得到日益广泛的应用.本文就近10年来国外学者用有限元法研究脊柱生物力学的新进展作以综述.详细介绍了椎体、后部结构、间盘、韧带、肌肉组织在生理及病理情况下的生物力学特性,及不同术式、内固定器械对脊柱生物力学的影响;介绍了用有限元法研究某些疾病发病的力学机制的新成果;展望了有限元法应用于脊柱生物力学研究的前景.     

数字化医学技术与脊柱外科的临床应用

背景：随着现代科学技术尤其是计算机技术和医学技术的迅猛发展,现代脊柱外科进入了一个崭新的时代,呈现出数字化、个性化、显微化、精确化和人工智能化的发展趋势。 目的：探讨数字化技术在脊柱外科中的应用研究进展。 方法：文章检索词为“脊椎(spine);腰椎(lumbar);颈椎(cervical);数字化(digitization);脊柱外科(spinal surgery);数字骨科学(digital orthopedics);有限元模型(the finite element model);计算机辅助设计(computer assisted design,CAD);微创技术(minimally invasive technology);三维重建(three dimensions reconstruction, 3D);CT;磁共振成像(MRI);计算机仿真(computer emulation);内窥镜(endoscope);椎间盘(intervertebral disc);经皮内窥镜激光椎间盘切除术(percutaneous endoscopic laser-assisted discectomy, PELD)”,对有限元、计算机导航技术、微创技术以及医学影像在脊柱外科中的应用文献进行深入分析,探讨数字化脊柱外科手术的特点,临床效果以及安全性。 结果与结论：数字化医学在有限元模型、计算机导航技术、微创技术、医学影像等领域研究进展的基础上,建立独特的脊柱外科新方法,并将其广泛应用于临床骨科。有限元模型最大的优势在于可以反映集体内部的应力变化情况,有限元分析应用于医学生物力学后,取得了很大的进步与发展。计算机导航技术的工作原理是利用数字化影像信息通过媒介体输入计算机工作站,经运算处理后重建三维模型影像,通过相关软件,在此影像基础上进行术前计划并模拟进程,通过高解像度的显示屏从各个方位观察到当前的手术入路以及各种参数,完成微创手术。微创脊柱外科采用微小切口或穿刺通道,运用特殊的器械或装置在影像仪器监视下或导航技术的引导下进行手术。医学影像分析作为信息科学技术为基础的交叉学科研究,对脊柱外科的临床诊断和观察具有参考价值。数字化医学高效率、高精度、三维立体地了解疾病的分布、形态、结构,最大程度减少手术创伤,在脊柱外科应用中的前景广阔。     

颈椎三维有限元模型的建立

目的 建立颈椎（C2～ C7）三维有限元模型。方法 根据1名既往无颈椎病史健康成年男性志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像,采用Mimics1 3.1、SolidWorks2012软件进行三维重建和造型,利用ANSYS14.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性,建立颈椎（C2 ～C7）三维有限元模型。结果 本研究成功建立了6个椎体运动节段的三维有限元模型,模型高度模拟颈椎结构与材料特性,单元划分精细。在建立的模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动,所获得的理论分析结果与参考文献的报道一致。结论 建立的颈椎三维有限元模型可进行颈椎生物力学研究。     

有限元分析在腰椎生物力学应用中的研究与进展

背景：有限元法运用数学形式概括脊柱的结构形状、材料性能、载荷边界条件等,通过改变其中任一参数以观察其对整个结构的影响。 目的：回顾性分析腰椎有限元模型的建立方法、有限元软件在腰椎生物力学中的应用以及有限元分析在腰椎植骨融合后临近节段活动度的改变及应力改变中的应用。 方法：由第一作者检索1990/2010年PubMed数据库及CNKI数据库有关有限元法在腰椎建模及腰椎不同植骨融合式对腰椎融合节段、临近节段应力改变影响等方面的文献。 结果与结论：有限元分析被越来越广泛的应用于医学,并成为其重要组成部分。在脊柱方面,有限元分析可以全面了解不同植骨融合术式及各种内固定对其生物力学改变的影响,从而可以改进植骨融合术式及优化内固定器械。但有限元毕竟属于理论性的分析,未来的研究应将其与动物实验及长期临床随访相结合,从而可以很好地预测手术远期疗效,并对并发症的预防具有重要临床意义。     

基于CT扫描及CAD技术建立下腰椎三维有限元模型

背景：近年来,计算机技术和有限元理论的飞速发展为构建腰椎模型提供了技术支持,有限元模型的精确性和可靠性显著提高,为研究椎间盘、椎板切除、腰椎融合、脊柱内固定材料等临床相关的生物力学问题提供了更好的平台。 目的：应用三维有限元法建立L3~5腰椎活动节段力学模型。 方法：通过CT扫描、Unigraphics V18.0软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用CAD数据处理技术,输入相关的材料特性,验证重建模型的有效性。 结果与结论：建立下腰椎的三维有限元模型(L_3~5),分析结果证明其在仿真分析中是可行的,可以模拟生物力学实验。建立的模型共有6 482个节点,31 326个单元,生成网格时利用网格生成器的扫掠和优化功能,尽量依据模型的几何外形,使网格生成的最少,兼顾了对建模准确性和计算可行性,同时又能充分满足对腰椎的生物力学研究。