有限元分析与髋关节研究进展

髋关节具有独特的解剖学特点及复杂的生理功能,其生物力学研究日益受到重视.对人体髋关节力学结构进行研究时力学实验主要通过动物模型模拟,在人体直接进行力学实验几乎不可能.有限元分析是计算机力学分析的重要方法之一,可在一定程度上替代生物力学实验,模拟人体生物力学情况.有限元分析在全髋关节置换术前术后应力分布和应力遮挡研究、骨水泥残余应力分析、假体的优化设计、假体表面磨损和术后脱位原因等方面取得了很大进展.有限元分析已成为儿童髋关节发育不良研究的新领域.     

膝关节三维有限元分析

有限元分析是在工程科学技术领域广泛应用的数学物理方法,是解决复杂工程学问题的必备工具之一.将有限元分析应用于人体生物力学研究,已显示出极大的优越性.通常的力学试验手段基本上不直接应用于人体,其试验结果并不十分准确;有限元分析则可通过对实验条件的控制,更准确地模拟体内的力学情况.对人体力学行为进行有限元数值模拟已成为深化对人体认识的一种有效手段.该文对膝关节三维有限元分析的近期研究进展进行综述,讨论在临床应用中的实际意义,并总结目前有限元分析在膝关节生物力学研究中存在的不足.     

利用MIMICS和ABAQUS建立正常人颈椎的三维有限元模型

[目的]建立符合人体解剖结构的颈椎三维有限元模型,并验证其有效性,以用于后续的颈椎生物力学分析.[方法]选择1名健康男性志愿者,采集其颈椎数据,利用MIMICS软件进行数据处理,建立实体模型,然后导入有限元分析软件Abaqus进行网格划分,并添加椎间盘及主要韧带肌肉等结构,建立人体颈椎有限元模型.在此模型上施加2.0N·M的作用力,模拟颈椎在前屈、侧屈和旋转工况下的反应,与其他颈椎有限元模型和体外生物力学实验数据进行对比验证.[结果]整个模型包括C2 ～76个椎体、C2、3 ～ C6、75个椎间盘及后部结构与主要韧带,共有472 065个单元和98 708个节点.在模拟外力作用下,在前屈、侧屈和旋转工况条件下的活动度与之前的实验结果高度吻合.[结论]建立的颈椎三维有限元模型具有良好的生物逼真度,可以用于颈椎临床生物力学分析.     

基于中国数字人CT数据重建膝关节有限元模型

目的建立精确的数字力学人膝关节模型。方法采用中国数字人男1号数据,使用经Materialise公司授权的MIMICS8.1医学图像重建软件进行三维有限元建模,其结果导入有限元系统进行处理。结果建立起形态学高度拟真的膝关节模型。结论数字力学人模型可进行有限元计算,其精度能更好地满足数字化医学对计算机模拟论证的要求。     

有限元分析在股骨头坏死领域中的应用研究

股骨头坏死(ONFH)是骨科学中一个尚未解决的问题.塌陷是股骨头坏死治疗过程中的关键问题,是生物性因素和力学因素综合作用的结果,早期诊断、有效预测和防治塌陷是保留患者自身股骨头的前提和基础,所以在股骨头坏死的治疗中必须强调其生物力学因素,使其在力学结构上得到恢复.近年来计算机辅助有限元分析在骨、软组织及内植物有限元分析方面也得到了较快发展[1],采用有限元数值模拟分析人体的力学行为进一步深化了对人体的认识.本文针对有限元方法在ONFH领域中的应用做一综述.     

正常人足踝部有限元模型的构建研究

目的 研究足踝部有限元模型的构建方法,为足踝部生物力学提供一个数字化研究平台. 方法 获取一名30岁男性志愿者的右足螺旋CT扫描图像,利用Mimics软件重建出足踝部28块骨骼及外围软组织的三维结构,通过Solidworks处理后导入Ansys的Workebench模块,建立足踝部三维有限元模型.在模型中还通过解剖和文献数据模拟建立各关节软骨、韧带、跖筋膜、小腿骨间膜,然后模拟踝关节正常站立状态下受力,选择相应边界条件进行加载分析. 结果建立了一个包含骨与外围软组织等复合结构的正常人体右足三维有限元模型,相埘客观地反映了人体足踝部的基本解剖结构和力学特性.模拟人体站立状态垂直加载600 N载荷于胫骨下端的上截面,踝关节胫骨下关节面应力主要分布于中部及前外侧,最大应力为3.97 MPa,平均接触应力为1.52 MPa,接触面积为343.6 mm~2. 结论本研究所建立的止常人体足躁部三维有限元模型经验证结果可靠,可进一步用于足踝部损伤的研究.     

腕关节生物力学有限元分析研究进展

传统实验生物力学方法存在创伤性及可重复性和可比性差等缺点,在复杂关节的生物力学研究中逐渐体现出局限性和不足.有限元分析方法可无创伤地对极其复杂的构件结构、形状、载荷和材料力学性能进行重建和力学分析,已越来越多地应用于组织众多、结构复杂的关节如腕关节的力学研究,成为与实验互动的仿真技术.该文就腕关节生物力学有限元分析研究作一综述.     

全髋关节置换术生物力学有限元分析的研究进展

有限元法(finite element method,FEM)是在工程科学技术领域广泛应用的解析方法,是解决复杂工程学问题的必备工具之一。对人体力学行为进行有限元数值模拟已成为深化对人体认识的一种有效手段,通过对实验条件的控制,更准确地模拟体内的力学情况,已显示出极大的优越性。应用FEM对全髋关节置换术(total hip arthroplasty,THA)生物力学机制进行精确深入的研究,可以有效地指导个体化假体的设计、置换及相关疗效分析。     

后向跌倒过程中脊柱胸腰段受力的实验及有限元研究

目的 :以动力学仿真软件获取志愿者后向跌倒过程中胸腰段受力状况的运动、动力学数据,作为有限元加载条件,评估跌倒过程中脊柱局部应力情况。方法:选取1名健康志愿者(男性,27岁,175cm,70kg),随后对志愿者躯干进行CT扫描。然后,在Anybody人体建模仿真系统软件中建立骨骼肌肉模型,志愿者站立并后向倾斜30°,在无防备状态下后向摔倒构建跌倒过程中人体骨骼肌模型。根据志愿者CT数据建立并优化有限元模型,模型在施加7.5N·m力矩模拟前屈、后伸、左右侧弯及旋转范围,验证模型有效性后,将获取后向跌倒状态下着力点、应力传导方向及受力区应力值作为加载条件并赋予人体胸腰段有限元模型进行有限元分析。结果:Anybody人体建模仿真系统软件模拟后向跌倒实验中,志愿者呈无意识后向跌倒姿态,骶尾部最先着地;臀部与测力台冲击的总时间为1.14s,最大冲击力达4056N;模型以坐骨结节为力加载点,由骶尾部沿脊柱长轴向头部进行力学加载。有限元结果显示,应力经传导主要集中于T11～L2节段;在该节段中,椎体前缘平均应力达16.6MPa;上下关节突平均载荷达25.4MPa,椎板及椎弓根与椎体连接处也出现明显的应力集中,平均应力为26.2MPa。结论:后向跌倒时胸腰段所受应力较大,骨折风险较高。     

正常步态下距骨关节面接触特征的有限元分析

[目的]通过有限元法分析正常步态下距骨各关节面软骨应力变化,了解各关节面软骨应力分布的生物力学特征.[方法]利用正常男性的足踝部螺旋 CT 扫描数据,运用三维建模软件,建立足踝部三维几何模型,并对其进行有限元网格划分,分析正常步态下距骨各关节面接触应力及 Von Mises 应力分布.[结果]建立包括骨、软骨、韧带在内的正常人体足踝部三维有限元模型,共21 865 个节点、73 440 个单元,较客观地反映了人体足踝的解剖结构和力学特性.不同位相距骨各关节面接触应力及 Von Mises 应力分布区域和应力值不同.[结论]采用有限元法分析关节软骨应力的生物力学特征是一种可行、有效的方法.     

人体足踝部有限元模型的建立及有效性分析

背景：传统的足踝部生物力学研究有其局限性,本文介绍一种足踝部有限元建模方法,使其具有高度的几何相似及物理相似。目的：探讨建立足踝部有限元模型的方法,为生物力学研究提供数字化仿真平台。方法：通过CT扫描1名男性志愿者踝关节获取足踝部影像学资料,将其输入Mimics软件重建骨骼和韧带,通过Geo—magic处理并生成关节软骨后导入Ansys的Workbench模块,建立足踝部有限元模型,参考相关文献确定材料属性,划分网格,设置边界条件,模拟踝关节正常站立状态下受力,进行加载分析。结果：本研究建立了一个包含骨、软骨及韧带的足踝部有限元模型,相对客观地反映了人体足踝部的基本解剖结构和力学特性。模拟人体站立状态垂直加载600N载荷于胫、腓骨下端的上截面,踝关节胫骨下关节面的接触应力主要分布在中部及前外侧,最大接触应力为3．74MPa,接触面积为335．5mm2。踝关节周围四条主要韧带的位移（拉伸长度）中：胫跟韧带〉胫舟韧带〉跟腓韧带〉下胫腓联合前韧带。结论：本研究所建立的人体足踝部有限元模型经验证结果可靠,可进一步用于足踝部生物力学研究。     

有限元技术及其在人工髋关节领域的应用

髋关节具有独特的解剖学特点及复杂的生理功能,在人体直立和活动中发挥重要的作用。针对其正常力学结构和病损修复后的生物力学研究为临床所重视。而鉴于其结构的复杂性,在体的力学研究存在很大困难,多数实验是通过动物模型来完成,从而对实验结果的可靠性产生不同程度的影响。有限元技术是计算机力学分析的重要方法之一,已成功应用于工程力学的多个领域,尤其是对于不规则构件的力学分析,有其独特的优势。有限元分析法被应用于矫形外科领域,在全髋关节置换前后应力分布规律的研究、骨水泥等移植材料的应力分析、假体的优化设计、假体界面受力情况及表面磨损等方面已取得了很大进展。有限元法自引入生物力学领域以来,改善了我们在生物力学方面的研究思路,通过不断地完善与发展,在人工关节的研究中将具有更广阔的前景。     

颧骨复合体缩小术在不同截骨方式下的三维有限元分析及评价

目的 通过建立颧骨复合体三维有限元模型,对不同截骨方式进行力学分析及评价,旨在提供颧骨复合体缩小手术的力学研究基础.方法 选取临床中颧骨复合体高突的患者,应用Mimics软件将颧骨复合体高突患者的面部CT图像进行三维重建,使用MSC.Marc软件进行网格划分,建立三维有限元模型,并通过解剖学研究和测量,结合图像,确立咬肌附着部位的面积和肌力线方向,建立咬肌牵动的颧骨复合体三维有限元模型,并对颧骨复合体在基础状态与不同截骨方式下,进行咬肌牵动状态和咬(牙合)压力状态的基础力学分析.结果 在不同截骨方式下,通过咬肌牵拉和咬(牙合)压力作用,"L"型截骨方式的应力略弱于斜形截骨,位移应变两者差异无明显的统计学意义,颧弓根游离后端应力最大.结论 颧弓根截骨处应力最大,易移位,提示后端游离的截骨方式需要进一步改进."L"型截骨是较为先进的一种截骨方式,但仍需进行基础性研究及长期的临床观察和评价.     

个性化骨盆模型的建立、有限元分析及实验验证(下)

结果 将模拟计算结果与实验测试结果(平均值和标准差)进行比较,通过两种方法获得的各加载水平下十个应变片位置处的最大和最小平面内主应变结果见图4.多数情况下有限元结果与实验结果均一致.位置4,5和10的最大主应变有限元预测结果略高于实验结果,另外7个位置的有限元预测结果则略低于实验结果.位置1,3和9的最小主应变有限元预测结果与实验结果有差异,其他7个位置的有限元预测结果和实验结果均有很好的一致性.除1,3和9位置外,其他位置的相对误差在10%～30%,由于这3个位置数值的绝对值较小,所以对误差比较敏感,但其相对误差仍<50%.从这一较高的一致性来看,该个性化的有限元模型可以精确地获得骨盆骨整体的力学响应.     

间接暴力所致肱骨骨折机制的三维有限元模拟

[目的]利用工程力学分析软件CatiaV5,模拟在不同的肩关节功能位置上、间接冲击暴力所致肱骨骨折的受伤力学机制和力学环境,为认识和治疗肱骨骨折提供生物力学依据.[方法]采用高分辨率的人体肩关节断层解剖图作为三维重建的数据源,选取自锁骨顶端至肱骨远端关节面、共380层的断层图像,层厚l mm,按照点、线、面的建模方式,先建立人体肩关节的三维几何模型,再予网格化,建立人体肩关节的三维有限元模型,利用该模型,模拟在12个不同的肩关节功能位置上(外展30.、45.、60.、90.、同时合并内旋、中立、外旋)、肱骨受到分级加载的轴向冲击载荷时的骨折位置以及瞬时的应力、应变状况.[结果]根据肱骨在不同的功能位置上载荷-应变关系曲线,载荷从0～250 N时,呈线性变化,后为非线性期,卸载后,残余骨变形;随着载荷的增加,肱骨干的应变随之增加.当肩关节的外展位置由90.逐渐变为30.时,肱骨干上内外侧应变逐渐增加,内外旋45.时应变比中立位时增加显著;同时,肱骨干内外侧的应力不同,内侧应力大,外侧应力小,内外旋时,肱骨干的应力增加更快、更大.[结论]在肩关节不同的功能位置上,三维有限元分析逼真地模拟出各自不同的肱骨应力、应变状态值及骨完整性受到破坏的三维图像、骨折线的大体走向;肱骨骨折的三维有限元模拟和分析是研究与骨折相关的力学原理的非常有价值的方法.     

不同骨质密度下生物型及骨水泥型股骨假体置入后的三维有限元分析

目的 对不同骨密度下股骨假体类型选择进行模拟对比力学实验,从而确定不同年龄段患者临床全髋关节置换术选择股骨假体的标准,为患者选择股骨假体类型提供骨量上的理论依据.方法 利用Solidworks计算机软件建立人体股骨三维有限元模型.将不同年龄段骨质的密度及弹性模量分别输入计算机,模拟人体单足站立状态.测量2种人工股骨假体在不同股骨密度下的应力分布、界面应力,以及初始微动3个生物力学特性.结果 生物型股骨假体上的整体应力分布,男性30～40岁组和女性30～40岁组总相对较均匀,初始微动变化较小.骨水泥型股骨假体上的整体应力分布,在男性60～70岁组和在女性50岁组相对较均匀,初始微动变化较小.结论 男性55岁以骨和女性50岁以骨采用生物型优于骨水泥型人工股骨假体的定量性标准,为临床工作提供了理论依据.     

L4、5侧路单枚cage椎间融合术式的生物力学及临床研究

目的 评价L4、5侧路单枚椎间融合器融合术式的稳定性及力学合理性.方法 建立L4、5侧路与后路单枚椎间融合器融合术式的三维有限元模型及小牛脊柱模型,测定二者的位移变化.临床随访2003年12月～2006年12月行侧路单枚椎间融合器融合术式33例,评价腰痛改善率.结果 实验显示侧路模型的稳定性优于后路模型.临床研究显示手...     

冲击载荷作用下腕部损伤的有限元分析

[目的]采用有限元方法分析仿真人体腕部着地的生物力学特征。[方法]截取志愿者腕部CT数据建立人体腕部三维有限元模型,对模型施以持续时间为20 ms,强度为2 m/s的冲击载荷。通过仿真分析,评估人体腕部三维有限元模型冲击地面的应力应变变化特征。[结果]桡骨远端、尺骨远端、第五掌骨基底部及舟月骨部松质骨的最大等效应力分别为4.403、3.535、2.788、2.534 MPa。其中各部位达峰时间依次为16、20、12、12 ms。[结论]本实验建立一种模拟人体腕部着地的腕部三维有限元模型。研究发现,桡骨远端松质骨骨表面所能够承受的峰值应力最大。     

正常人股骨近端生物力学性能的区域性分析

目的 分析股骨近端不同区域松质骨的显微结构及生物力学性能的差异性,为合理设计金属置人物提供力学参考.方法 取7个新鲜正常人体股骨近端标本,进行Micro-CT扫描,分别对股骨头、股骨颈、粗隆间的骨小梁的结构参数进行分析,并结合大型有限元三维有限元对比分析各区域在主要受力方向上的生物力学性能.结果 股骨头部的骨密度、骨矿含量、骨小梁密度、骨小梁数目明显高于股骨颈及粗隆间,差异有统计学意义(P＜0.05),股骨颈与粗隆间相比则差异无统计学意义(P＞0.05).结论 股骨近端不同区域的松质骨的显微结构及生物力学性能存在差异性,提示现有股骨近端金属置人物可能存在生物力学上的缺陷.     

基于有限元的组织工程肌腱支架材料的力学分析

目的 对组织工程生物可降解支架材料进行力学分析.方法 建立了一种组织工程肌腱支架材料的三维模型,用有限元数值分析方法,对所建模型在不同载荷情况下的受力状况进行了计算分析.结果 相对于该材料表面的狭长槽而言,最大应力发生在狭长槽两端面的上方的两个角.该材料在所加力大于0.01牛时产生明显变形,当拉力达到0.05牛顿时已超过材料的力学承受极限.结论 有限元的分析方法是合理、可行的,对细胞如何在材料的分布提供理论依据.