第一跖列负重变化对(足母)趾形态影响的有限元分析

目的建立正常足的三维有限元模型,并以此模型为工具,分析正常足负重后第一跖列的空间位置变化与[足母]趾外展外翻的关系。方法螺旋CT以层厚1．2mm,间隔1．2mm扫描正常成年男性右足,根据获得的CT图像,以Metlab,Surface、ANSYS软件为工具,在电脑工作站建立正常足三维有限元模型,予以一定量加载,分析第一跖列的形态学变化。结果结得到正常足的三维有限元模型,加载后可见第一跖列向内侧、跖侧移位并伴有内侧纵弓变长塌陷。近节[足母]趾相对于第一跖骨有外展趋势。结论有限元足部模型是分析足部生物力学的良好工具。负重后,第一跖列内收、跖屈,内侧纵弓塌陷,[足母]趾相对于第一跖骨有外展,反复负重的应力可能是导致[足母]趾外展外翻的因素之一。     

下腰椎的三维有限元分析

目的为研究下腰椎活动提供三维有限元力学模型。方法选取成年男性的下腰椎典型CT影像,建立几何模型后利用有限元划分和分析软件建立有限元模型,设定边界条件并加载负荷,记录下腰椎在前屈、后伸、侧屈和轴向旋转等不同工况下的运动范围和应力分布。结果建立的下腰椎三维有限元模型中4面体单元总数为114953。模型在各工况下的运动范围与体外生物力学试验所测定的结果比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论建立的下腰椎三维有限元模型能够模拟下腰椎的生理活动,可用于进一步的研究。     

下腰椎的三维有限元分析

目的 为研究下腰椎活动提供三维有限元力学模型. 方法 选取成年男性的下腰椎典型CT影像,建立几何模型后利用有限元划分和分析软件建立有限元模型,设定边界条件并加载负荷,记录下腰椎在前屈、后伸、侧屈和轴向旋转等不同工况下的运动范围和应力分布. 结果 建立的下腰椎三维有限元模型中4面体单元总数为114 953.模型在各工况下的运动范围与体外生物力学试验所测定的结果比较,差异无统计学意义(P>0.05). 结论 建立的下腰椎三维有限元模型能够模拟下腰椎的生理活动,可用于进一步的研究.     

颈椎三维有限元模型的建立与应用

目的建立颈椎的三维有限元模型(C4/5/6),以用于临床试验研究。方法根据条件选取健康成年男性志愿者,通过CT扫描,得到颈椎的连续断层数据图片,通过医学三维重建软件Materialise Mimics、作图软件Uni-graphics NX、有限元分析软件ANSYS 8.1构建出颈椎的三维有限元模型,进行边界设定,在模型上加载45N的预载荷,再加以2.0 N.M的纯力矩模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、旋转的生理活动,观察正常FSU(C4/5)的运动与受力,并与体外实物生物力学实验结果比较。结果C4/5三维有限元模型的运动范围与体外实体实验结果在统计学上没有显著差异(P<0.01)。结论建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎的生物力学特性。     

脊柱胸腰段三维有限元模型的建立与验证

目的：建立正常脊柱胸腰段三维有限元模型并验证其有效性。方法：选择一位健康成人志愿者,通过CT扫描获得胸腰段数据,Mimics 10．01软件生成T12-L2椎骨三维模型,Geomagic 11．0、UG7．0生成三维实体模型,Hy—permesh10．0划分网格,并建立椎间盘、韧带等结构,Abaqus6．9．1加载求值,施加500N垂直压缩力,7．5Nm的前屈、后伸、左右侧屈及左右轴向旋转力矩,分三个载荷步（2．5、5．0和7．5Nm）施加,观察T12-L2节段运动范围。结果：建立了正常人胸腰段三维有限元模型,整个模型共90014个单元,158684个节点。对模型进行前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转作用,T12-L2节段的力矩-旋转角度曲线与文献体外实验数据基本吻合。结论：本实验建立的正常脊柱胸腰段三维有限元模型有效,可进行进一步的生物力学实验研究。     

成年杂种犬颞下颌关节三维有限元模型的建立

建立正中咬合最大咀嚼肌力作用下成年杂种犬正常及颞下颌关节不同手术后下颌骨的三维有限元模型。采用三维影像重建技术和三维有限元分析方法，结果显示：下颌骨螺旋ＣＴ和有限元模型三维重建影像的几何相似性良好，形态还原性较理想；三维有限元模型网格划分准确合理，加载方式符合生理状况，比较真实地反映和模拟了功能状态下颞下颌关节与Ｈｅ的受力情况。此建模方法可行有效，为分析成年杂种犬颞下颌关节在各种状况下的生物力学行     

腰椎小关节力学机制的有限元分析

目的 研究腰椎小关节在各种形式负荷作用下的承载功能.方法 取青壮年男性新鲜尸体的L4-L5运动节段标本,经螺旋CT扫描得到断面图像,在ANSYS软件中建立L4-L5节段的三维有限元模型.对模型施加400N轴向压缩载荷和/或8Nm前屈、后伸、左右侧弯弯矩和左右轴向旋转力矩,测量分析小关节面所受的压力.分析各种加载方式下小关节面的接触应力,评价小关节的承载功能.结果 L4-L5小关节约承受轴向压缩载荷的20%.前屈时小关节受力减小.后伸时受力增大;侧弯时对侧小关节受力增大,同侧小关节受力减小;轴向旋转时同侧小关节不受力,对侧小关节则受力极大.结论 腰椎小关节具有重要的承载功能,临床上应注意保护和维持小关节的完整性.     

聚己内酯半月板支架应力-应变特性的有限元分析

目的：分析聚己内酯（PCL）半月板支架在膝关节中的应力-应变特性,评估其作为植入材料的可行性。方法：通过磁共振成像（MRI）扫描志愿者膝关节获取平面图像数据,建立包括股骨、胫骨、腓骨、股骨髁及胫骨平台关节软骨、内和外侧半月板及韧带在内的完整膝关节三维有限元模型,通过计算胫骨平台的接触面积与既往文献对比验证模型的有效性;分别建立内侧半月板切除术后的膝关节三维有限元模型及PCL半月板支架替代后的膝关节模型;对比分析在1400N股骨轴向垂直压力下3种膝关节模型的半月板位移和接触压力变化以及股骨髁关节软骨和胫骨平台关节软骨的压缩应力变化。结果：在1400N股骨轴向压缩载荷下健康膝关节模型内、外侧半月板位移分别为0.83和1.76mm,PCL模型内、外侧半月板位移分别为1.15和2.20mm。在同等载荷下,健康膝关节在胫骨平台关节软骨内、外侧最大压缩应力分别为2.5和1.7MPa,在内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力分别为2.7和2.1MPa。在内侧半月板完整切除模型,内、外侧胫骨平台关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增加260.0%和311.7%;内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增长214.8%和271.4%。而在将内侧半月板替换为PCL支架的模型中,内、外胫骨平台关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增加8.0%和5.9%;内、外侧股骨髁关节软骨最大压缩应力较健康模型分别增加11.1%和4.8%。结论：PCL支架在膝关节三维有限元模型中具有较好的生物力学特性,能够降低半月板切除后股骨髁及胫骨平台关节软骨的应力,达到保护关节软骨的目的。     

人体胸腰段三维有限元力学的仿真研究

目的建立人体内固定-胸腰段复合体有限元模型,探讨不同日常动作下有限元复合体模型受力情况。方法利用Mimics、Geomagic studio、Hyper Mesh等相关软件建立进行内固定手术的人体胸腰段三维有限元模型,按照运动学数据库Orthoload中真实测定的60 kg标准体重,受试者不同日常动作下椎体力学反馈作为加载条件,将其施加于构建完毕的三维有限元模型中,记录各作用下正常椎体上下终板及经过手术的胸腰段内固定受力情况。结果对有限元模型进行三维有限元分析,结果显示四种动作(蹲起、上下台阶、正常行走、正常站立)终板和内固定受力情况具有较大差异。胸腰椎有限元模型中最大应力值按照蹲起、上下台阶、正常行走和正常站立逐渐下降,蹲起时终板受力远高于正常站立位。内固定系统受力具有同样趋势,其中蹲起时椎弓根螺钉根部及连杆应力集中现象极为明显,具有疲劳损伤致内固定失效风险。结论三维有限元力学仿真能够有效评估人体胸腰段受力情况,同时为胸腰椎内固定系统稳定性提供理论依据。     

基于三维有限元法的腰椎动态稳定系统建立及生物力学行为初步分析

目的：基于三维有限元建模方法,建立腰椎弓根动态稳定钉棒系统的模型,初步分析处于不同载荷下腰椎的应力分布及各节段的活动度。方法对一名健康成年男性志愿者行CT扫描,用Mimics 10.01、Abaqus 6.10软件建立正常人L3～S2节段模型。结合Bioflex动态稳定系统建立模型。对模型施加150 N预载荷,在3个主平面施加10 Nm扭矩,获得前屈、后伸、侧屈及旋转6种运动状态下的Bioflex钉棒应力分布和各节段的椎间活动度,初步测定后伸及旋转运动的活动度。结果建立的腰椎L3～S2节段和动态稳定系统有限元模型符合生物力学模型,初步分析显示腰椎动态稳定系统的应力主要集中于螺旋固定棒;在各种加载下,腰椎动态固定的节段活动度明显降低。结论基于三维有限元方法建立的Bioflex腰椎弓动态固定模型能很好地模拟腰椎的动态固定力学活动,可以对固定后的腰椎的应力和各种活动进行很好的模拟,具有很好的研究价值。     

自体半腱肌肌腱重建膝关节后外侧角的生物力学研究

目的对半腱肌肌腱重建膝关节后外侧角的方法进行生物力学研究,评价其恢复膝关节后外侧稳定性的作用。方法应用半腱肌肌腱对8例新鲜尸体膝关节进行膝关节后外侧角的重建,分别于膝关节屈曲0°、30°、60°、90°时对胫骨施加外旋及内翻扭距,测量膝关节外旋及内翻变化。结果膝关节后外侧角切断后膝关节外旋内翻均明显增加,半腱肌肌腱重建膝关节后外侧角术后在屈膝0°、30°、60°、90°外旋及内翻大于完整膝关节,但与完整膝关节比较差异无统计学意义(P>0.05)。结论应用半腱肌肌腱重建膝关节后外侧角能有效恢复膝关节静力稳定性,是一种理想的膝关节后外侧角重建方法。     

累及椎板型颈椎棘突骨折有限元模型的建立和分析

目的建立累及椎板型颈椎棘突骨折有限元模型（累及椎板型颈椎棘突骨折模型）并行活动度及应力分析,明确此型骨折对颈椎稳定性的影响。方法采集男性健康志愿者颈椎CT数据,运用有限元软件构建颈椎（C0~T1）全节段模型（正常颈椎模型）,并与文献报道数据进行对比验证,正常颈椎模型活动度通过比较验证后,在正常颈椎模型基础上建立C7累及椎板型颈椎棘突骨折模型,测量C7累及椎板型颈椎棘突骨折模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下的活动度,与正常颈椎模型进行比较,测量颈椎骨性结构及韧带的生物应力变化。结果建立的正常颈椎模型同文献报道的颈椎活动度比较符合有限元建模标准,在正常颈椎模型上结合临床骨折病例建立的累及椎板型颈椎棘突骨折模型外观逼真,活动度比较结果显示：在C6~7节段,骨折模型的前屈、侧弯及旋转活动度比正常模型减小（减少0.24°~1.60°）,而后伸活动度略微增大（增加0.30°）;在C7~T1节段,除后伸活动外,其余活动度均比正常模型要大（增加0.91°~3.53°）,且活动度变化范围较为明显（单侧旋转活动度增加36.7%）;其余节段两个模型活动度相差无几。累及椎板型颈椎棘突骨折模型在侧弯及旋转工况下应力值较正常模型相对升高。结论累及椎板型颈椎棘突骨折模型能较好地模拟临床实际骨折病例,C7累及椎板型棘突骨折模型有限元分析提示骨折局部稳定性变差,预示颈椎不稳发生,一旦发现颈椎不稳或神经损伤,需及时手术治疗。     

Isobar TTL半坚强内固定系统与USS坚强内固定系统的三维有限元分析比较

目的建立USS坚强内固定系统、Isobar TTL半坚强内固定系统的腰椎三维有限元模型,对比两种模型的力学分布特点,探索动态内固定系统对腰椎生物力学的影响,为动态内固定系统临床应用提供理论依据。方法依据1名正常男性志愿者中立位下螺旋CT扫描资料,利用Mimics 11.1、Geomagic studio 10.0、HyperMesh 10.0和Abaqus 6.8等软件构建L3～S1三维有限元模型,重建Isobar TTL和USS术后模型,对模型施加150N预载荷及10Nm力矩,分别记录不同工况下模型的椎间活动度、邻段椎间盘应力及内固定应力分布和应力峰值。结果成功建立了解剖结构精细的L3～S1三维有限元模型及Isobar TTL和USS术后模型。Isobar TTL和USS模型应力主要分布在螺钉钉身,USS模型应力峰值大于Isobar TTL模型,主要集中在螺钉中部,但均不超过100MPa;Isobar TTL模型椎间稳定性与正常模型无明显差异,而USS模型的运动范围明显下降,在屈伸工况下最为明显;Isobar TTL模型邻段L3/L4椎间盘应力在前屈、后伸、侧曲、旋转工况下分别增加了6.2%、9.7%、3.6%、3.8%,而USS模型分别增加了8.5%、13.5%、4.3%、4.8%。结论 Isobar TTL系统能有效维持术后腰椎活动度,减少应力遮挡,理论上可以减缓邻近节段的退变。     

股骨远端骨折髓内钉与锁定钢板内固定方式的有限元分析

目的模拟股骨远端骨折髓内钉与锁定钢板内固定,比较2种常用内固定的效果,并探索其对膝关节生物力学的影响。方法建立精确的膝关节三维有限元模型,在此基础上建立股骨远端A型骨折理想模型、髓内钉内固定手术有限元模型（Ⅰ型模型）和锁定钢板内固定手术有限元模型（Ⅱ型模型）。通过对多个关节屈曲度（0°、60°、90°、120°）的模型加载重力载荷来分析内固定物、关节软骨及半月板的应力变化和股骨远端最大位移等。结果Ⅰ、Ⅱ型模型的内固定物、关节软骨和半月板各有1个最大应力部位,最大应力峰值均出现在关节屈曲90°状态下。股骨远端位移峰值总体随着关节屈曲角度的加大而增加。同样屈曲角度下,胫骨平台软骨、半月板的最大应力值均大于股骨髁软骨,锁定钢板的最大应力值大于髓内钉,Ⅱ型模型的股骨远端最大位移值大于Ⅰ型模型。结论内固定方式有限元分析可以模拟膝关节不同运动状态下的受力情况,有效分析出不同模型中内固定物、关节软骨和半月板在不同运动状态下的生物力学特征。     

Finite Element Analysis of Mobile-bearing Unicompartmental Knee Arthroplasty: The Influence of Tibial Component Coronal Alignment

Background:

Controversies about the rational positioning of the tibial component in unicompartmental knee arthroplasty (UKA) still exist. Previous finite element (FE) studies were rare, and the results varied. This FE study aimed to analyze the influence of the tibial component coronal alignment on knee biomechanics in mobile-bearing UKA and find a ration range of inclination angles.

Methods:

A three-dimensional FE model of the intact knee was constructed from image data of one normal subject. A 1000 N compressive load was applied to the intact knee model for validating. Then a set of eleven UKA FE models was developed with the coronal inclination angles of the tibial tray ranging from 10° valgus to 10° varus. Tibial bone stresses and strains, contact pressures and load distribution in all UKA models were calculated and analyzed under the unified loading and boundary conditions.

Results:

Load distribution, contact pressures, and contact areas in intact knee model were validated. In UKA models, von Mises stress and compressive strain at proximal medial cortical bone increased significantly as the tibial tray was in valgus inclination >4°, which may increase the risk of residual pain. Compressive strains at tibial keel slot were above the high threshold with varus inclination >4°, which may result in greater risk of component migration. Tibial bone resection corner acted as a strain-raiser regardless of the inclination angles. Compressive strains at the resected surface slightly changed with the varying inclinations and were not supposed to induce bone resorption and component loosening. Contact pressures and load percentage in lateral compartment increased with the more varus inclination, which may lead to osteoarthritis progression.

Conclusions:

Static knee biomechanics after UKA can be greatly affected by tibial component coronal alignment. A range from 4° valgus to 4° varus inclination of tibial component can be recommended in mobile-bearing UKA.     

伤椎椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段椎体压缩骨折的三维有限元分析

目的：构建脊柱胸腰椎单纯压缩性骨折的三维有限元模型,探讨伤椎椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段椎体压缩骨折的应力情况,为临床选择有效的内固定方法提供理论依据。方法：选取一无慢性腰背痛及胸腰椎外伤史的青年志愿者,利用CT扫描的Dicom数据图像和Simpleware5．0软件建立T12-L2椎体三维模型,模拟L1椎体骨折,并分别模拟联合伤椎置钉固定（有横连和无横连）两种治疗方法,将两种模型分别导2kAbaqus6．9有限元分析软件,加载750N压力,ION·m扭矩载荷。结果：在轴向压缩状态下,腰椎骨折内固定后的应力分布发生变化,钉棒系统成主要应力集中部位。钉棒系统有无横连差异无统计学意义（P〉0．05）。在扭转状态下,横连系统的应力主要集中在连接杆上,而无横连的应力主要集中在钉棒系统下段螺钉上,钉棒系统有无横连差异有统计学意义（P〈O．05）。在屈曲状态下,应力主要集中在钉棒系统下段螺钉上,钉棒系统有无横连差异有统计学意义（P〈0．05）。结论：有横连的六螺钉椎弓根螺钉系统置入可以优化内固定的载荷,减少断钉率。     

经皮前路腰骶融合螺钉的有限元分析

目的 利用三维有限元模型初步评价经皮前路腰骶轴向融合(AxiaLIF)螺钉的生物力学性能并临床应用提供依据.方法 利用Unigraphics软件对螺钉进行计算机建模,并且以iges格式导入到有限元分析软件ANSYS中进行有限元建模,根据临床实际将建立好的螺钉有限元模型与从"中国力学虚拟人"模型库中选择的完整人体L5-S1的有限元模型有效整合,分析不同工况下螺钉的应力分布情况.结果 3种工况下螺钉应力峰值:垂直载荷为175.334 Mpa、扭转载荷为183.765 Mpa和侧弯载荷为146.237 Mpa.螺钉总体应力均较小,以椎间融合部为中心,上、下3～5个螺纹内局部应力稍高,应力峰值最高值均位于螺钉注射孔下第一个螺纹内.3种工况之间比较,以扭转载荷下应力为最高,垂直载荷次之,侧弯载荷下螺钉所受应力为最小.结论 腰骶螺钉强度可以满足人体日常垂直压缩,扭转,侧弯等要求,可进行临床进一步应用.     

COA: Effect of anterior cruciate ligament reconstruction on biomechanical features of knee in level walking: a meta-analysis

Background The anterior cruciate ligament (ACL) is one of the most commonly injured knee ligaments. Even following ACL reconstruction, significant articular cartilage degeneration can be observed and most patients suffer from premature osteoarthritis. Articular cartilage degeneration and osteoarthritis development after ACL injury are regarded as progressive process that are affected by cyclic loading during frequently performed low-intensity daily activities. The purpose of this study was to perform a meta-analysis on studies assessing the effects of ACL reconstruction on kinematics, kinetics and proprioception of knee during level walking. Methods This meta-analysis was conducted according to the methodological guidelines outlined by the Cochrane Collaboration. An electronic search of the literature was performed and all trials published between January 1966 and July 2010 comparing gait and proprioception of a reconstructed-ACL group with an intact-ACL group were pooled for this review. Thirteen studies were included in the final meta-analysis. Results There was no significant difference in step length, walking speed, maximum knee flexion angle during loading response, joint position sense and threshold to detect passive motion between the reconstructed-ACL group and the intact-ACL group (P>0.05). However, there was a significant difference in peak knee flexion angle, maximum angular knee flexion excursion during stance, peak knee flexion moment during walking and maximum external tibial rotation angle throughout the gait cycle between the reconstructed-ACL group and the intact-ACL group (P<0.05). Conclusions Step length, walking speed, maximum knee flexion angle during loading response, joint position sense and threshold to detect passive motion usually observed with ACL deficiency were restored after the ACL reconstruction and rehabilitation, but no significant improvements were observed for peak knee flexion angle, maximum angular knee flexion excursion during stance, peak knee flexion moment during walking and maximum external tibial rotation angle throughout the gait cycle. Methods This meta-analysis was conducted according to the methodological guidelines outlined by the Cochrane Collaboration. An electronic search of the literature was performed and all trials between January 1966 and September 2010 comparing ACL reconstruction group with ACL intact group in gait and proprioception were pooled for this review. Thirteen studies were finally recruited in the meta-analysis. Results There was no significant difference in step length,step speed,maximum knee flexion during loading response,joint position sense and threshold to detect passive motion between ACL reconstruction group and ACL intact group(p>0.05).However,there was a significant difference in peak knee flexion,maximum knee flexion angular joint during stance,knee moment peak knee flexion during walking and maximum tibial rotation during gait cycle between ACL reconstruction group and ACL intact group(p<0.05). Conclusions The step length,step speed,maximum knee flexion during loading response,joint position sense and threshold to detect passive motion for ACL deficiency were restored after the ACL reconstruction and rehabilitation,but no significant improvements were observed in terms of peak knee flexion,maximum knee flexion angular joint during stance,knee moment peak knee flexion during walking and maximum tibial rotation during gait cycle.