基于动物实验的应力与股骨近端生长关系的生物力学模型

目的　建立可数值量化的应力与骨生长目的建立可数值量化的应力与骨生长生物力学模型。方法　将动物实验、骨生长方程中未知参数的反演识别和计算机技术相结合，研究应力环境对快速生长期大鼠股骨生长与重建的影响，依据大鼠股骨所受外力刺激以及近端骨密度数值的改变，反演骨生长方程中的未知参数B和K。结果　文中所建的生物模型不仅能够数值模拟快速生长期大鼠股骨骨密度变化和外界刺激的关系，而且能够预测大鼠生命周期中某段时间内不同应力环境下股骨的生长趋势。结论：本文的建模思路和方法为人体骨骼重建适应模型的确立起到提示和借鉴作用。     

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。     

基于损伤修复的骨重建数值模拟

目的 研究不同损伤情况下的骨重建行为.方法 提出一种疲劳机制作用下的骨重建模型,通过建立股骨近端三维有限元模型,并结合有限元法,分别模拟3种载荷工况下的骨重建情况,分析股骨近端的力学性能及密度变化.结果 通过增加载荷循环次数,使损伤不断增加.在不同损伤情况下,骨展现出不同的骨重建行为.骨重建作为一种修复机制,在一定范围...     

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。     

低载荷下耦合电刺激的骨重建数值模拟

目的 考虑电场影响的同时研究骨在低载荷刺激频率下的废用行为。方法 提出一个废用模型并通过参数激活频率来描述力学刺激与电刺激对骨重建过程的影响。通过建立股骨近端有限元模型,结合有限单元法,模拟低载荷刺激频率下耦合电刺激的骨重建过程,并分析骨密度的流失情况。结果 降低日载荷刺激频率会显著降低骨密度。电刺激可以在一定程度上抵抗由于低载荷刺激频率导致的密度流失,其主要影响区域分布在股骨头部与股骨颈部。电刺激持续时长会显著影响骨皮质与骨松质的密度流失情况。结论 模型可以模拟由于日载荷刺激频率降低导致的废用过程;同时,纳入了电场影响表现其抵抗密度流失的现象。     

基于CT图像重建人体膝关节3D骨骼优化模型

目的:重建一个含有股骨远端和胫骨近端的人体膝关节3D骨骼优化模型。方法:采用螺旋CT机扫描人体膝关节部位,从胫骨近端到股骨远端,获得DICOM格式图像数据。利用Mimics软件进行图像数据输入和视图图像处理重建3D骨骼模型,并使用它自带的3-matic软件对所建的3D模型进行优化处理。结果:使用Mimics软件重建了一个含有股骨远端和胫骨近端的左侧人体膝关节3D骨骼模型,其自带的3-matic软件重建了一个含有股骨远端和胫骨近端的左侧人体膝关节3D骨骼优化模型。结论:该优化模型可清晰精确地模拟股骨远端和胫骨近端的三维几何形态,能导入到ANSYS/ABAQUS等有限元软件进行力学特性分析,也能结合MRI重建含有半月板的人体膝关节生物力学模型,为仿生膝关节的结构设计提供理论依据。     

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。     

基于快速生长期大鼠在不同应力环境中活骨实验的骨适应生物模型数字量化研究

本研究提出了将动物实验、数学表达式的未知参数识别和计算机仿真技术相结合的方法建立数值量化的骨生长与重建自适应生物模型。通过设计一种新的动物实验，研究不同应力环境对快速生长期大鼠股骨生长与重建的影响，依据等时间间隔提取的大鼠股骨骨密度数值，反演了骨生长方程中的未知生物参数B和K，根据股骨的CT截面信息．重塑了三维几何模型。文中提出的这种模型及建模方法不仅能够量化表示骨密度变化量和外界刺激值之间的关系，而且能够预测大鼠整个生命周期内不同应力环境中骨的生长情况。本文的建模思路和研究方法对于人体骨骼生长重建适应模型的建立也会有一定的借鉴意义。     

基于三维有限元仿真的卧床和空间失重下人体股骨重建分析

进行长期空间飞行的航天员处于失重环境,所受力学激励小于正常值,会面临骨密度减小和骨丢失的问题。为了探究失重环境下股骨密度和质量的变化趋势,本文建立了人体股骨的三维模型,进行了卧床条件下基于有限元的人体股骨重建的仿真分析。通过对比卧床实验数据与仿真数据,验证了人体股骨有限元模型与重建参数的有效性。继而进行人体股骨在空间失重条件下的重建仿真,建立关于时间的骨重建速率函数。增大载荷大小和增加载荷循环都能减少骨丢失,仿真结果表明增大载荷大小更能有效减少骨丢失。对股骨骨量恢复的重建速率作出讨论,结果表明骨量恢复的重建速率小于骨丢失的重建速率。本文为航天员阻力锻炼方法及后期恢复训练提供了理论依据,航天员在空间飞行期间可以通过增大阻力锻炼强度减少骨量丢失。     

动载荷作用下骨重建力学调控机制

目的探讨动载荷作用下骨重建的力学调控机制。方法对骨重建力学调控机制进行分析,吸纳力学疲劳强度理论思想,提出动载荷作用下骨重建力学调控机制;选取损伤作为力学激励,建立动载荷骨重建模型;分析动态载荷成骨效果优于静态载荷现象,数值模拟运动防治骨质疏松。结果动态载荷成骨效果优于静态载荷现象得到较为合理的解释;运动量增加10%~30%,骨密度增加3.13%~8.61%。结论动载荷作用下骨重建的力学调控机制可为机械振动防治骨代谢相关疾病提供理论指导,是骨重建力学调控理论的补充和完善。     

基于骨骼自适应理论优化模型的骨重建数值模拟

我们根据骨重建的自适应理论以及结构优化方法,建立了骨重建数值模拟的反问题求解模型和算法.由材料密度分布描述骨内部重建,材料密度的变化通过优化方法求解.股骨、长骨干和腰椎体冠状面(外部形状和内部结构)重建模拟的计算结果,符合实际情况,反映了骨结构对荷载环境的自适应特征,表明本文方法是骨重建研究的一种有效数值方法.     

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。     

X-Ray Image Review of the Bone Remodeling Around an Osseointegrated Trans-femoral Implant and a Finite Element Simulation Case Study

The insertion of an implant into a bone leads to stress/strain redistribution, hence bone remodeling occurs adjacent to the implant. The study of the bone remodeling around the osseointegration implants can predict the long-term clinical success of the implant. The clinical medial–lateral X-rays of 11 patients were reviewed. To eliminate geometrical distortion of different X-rays, they were converted into a digital format and geometrical correction was carried out. Furthermore, the finite element (FE) method was used to investigate how the bone remodeling was affected by the stress/strain distribution in the femur. The review of clinical X-rays showed cortical bone growth around the proximal end of the implant and absorbtion at the distal end of the femur. The FE simulation revealed the stress/strain distribution in the femur of a selected patient. This provided a biomechanical interpretation of the bone remodeling. The existing bone remodeling theories such as minimal strain and strain rate theories were unable to offer satisfactory explanation for the cortical bone growth at the implant side of the proximal femur, where the stress/strain level was much lower than the one in the intact side of the femur. The study established the correlation between stress/strain distribution obtained from FE simulations and the bone remodeling of the clinical review. The cortical bone growth was initiated by the stress/strain gradient in the bone. Through the review of clinical X-rays and FE simulations, the study confirmed that the bone remodeling in a femur with an implant was influenced by the stress/strain redistribution. The strain level and stress gradient hypothesis is presented to offer an explanation for the implanted cortical bone remodeling observed in this study.     

Finite element analysis of a bone-implant system with the proximal femur nail.

Static analysis with finite element of a realistic femur nail bone-implant system in a typical proximal femoral fracture under physiological load bearing situations provides results for stress, displacement and strain. The question to be answered is, if simulation with the finite element analysis is able to explain biomechanically clinical observed patterns of failure. Surface-Reconstruction with CT database of a proximal femur and reconstruction with CT based density data was done. Next steps were to unite the bone structure with the Proximal Femoral Nail and to model two relevant fractures (31-A2.2 and A2.3 according AO). After modelling of geometry, isotropic material behaviour and load application numeric calculation of the femur-nail system with FE-software was performed. FE simulation mainly shows an axial dislocation of the femoral head screw with nearly no dislocation of the antirotation screw. This so-called z-effect therefore means: (1) Tilting of the proximal main fragment around the sagittal axis between the screws and (2) relative movement of both screws in the frontal plane. Relative movement of the two screws against each other could be the reason for implant failure, the so called cut out. Furthermore simulation shows different gliding of the screws explaining the so called z-telescoping. The analyzed stress patterns have to be relativized, because isotropic material behaviour of cancellous bone was assumed. Further examinations for this issue are necessary.     

骨表面再造数值模拟在人工股骨头假体优化设计中的应用

人工股骨头假体植入技术目前存在的主要问题之一是：植入假体存在远期等工发症,从而导致手术失败。对于引起松动的主要原因,通常人们认为是磨损磨屑和应力遮挡所造成的骨质吸收。因此,对人工股骨头假体植入物的结构进行优化是具有特别重要的意义,本文采用骨再造理论与有限元结合的方法,用计算机模拟人工股骨头假体植入股骨的再造行为,用截面吸收率和抗弯截面模量损失率定量分析假体所产生的应力遮挡效应,骨再造理论采用变能密度作控制变量的表面再造理论,有限单元采用二十节点等参数等单元。结果表明：在所讨论的假体模型中,三种围领形式的假体产生的骨吸收仅相差4％。三种长度直柄的假体所产生的骨吸收相差近30％,直柄长度的变化对应力遮挡效应有更显著的影响。     

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。     

新型带锁髓内钉在股骨粗隆间骨折愈合过程中的生物力学研究

目的 用三维有限元法测试新型股骨髓内钉（proximal femoral nail antirotation, PFNA）的刚度、强度等生物力学性能,探讨其在股骨粗隆间骨折愈合前后生物力学应力应变分布情况。方法 利用参数化设计软件UG建立髓内钉三维模型,并用三维图像处理软件MIMICS 对CT图片进行预处理,建立股骨骨折模型及愈合模型并进行数值模拟。结果 骨折愈合前,最大Von Mises应力发生在骨折位置,高达663 Mpa,髓内钉远端锁钉位置应力仅为113 Mpa;骨折愈合后,最大Von Mises应力发生在螺旋刀片与主钉接触位置,股骨干上的锁钉位置出现明显的应力集中现象。结论 骨折愈合后远端锁定钉位置常发生股骨干骨折,因此骨折愈合后应将髓内钉取出。