应用三维有限元分析正常站立位股骨近端结构生物力学特性

背景:目前股骨有限元研究较多,但以往的研究多集中于股骨外部的生物力学方面,关于股骨近端的生物力学研究较少.目的:建立股骨近端结构的三维有限元模型,对正常站立位下的股骨近端生物力学特性进行分析以指导临床工作.设计、时间及地点:三维有限元建模分析试验,于2008-12/2009-04在天津医科大学总医院完成.对象:天津医科大学总医院志愿者1名,男性,30岁,应用X射线排除股骨病变及损伤等情况.方法:在Mimics中直接读取符合Dicom 3.0标准的股骨近端原始CT数据,经阈值设定、区域增长及形态学操作等生成股骨初始3D模型,后期结合有限元软件ANSYS生成最终的三维有限元网格模型,然后在ANSYS中分别对应用Mimics得到的模型加载200 N的垂直载荷,观察股骨近端内部应力分布.主要观察指标:对模型施加200 N垂直载荷,观察股骨近端的Von mises应力分布.结果:应用Mimics和Ansys软件建立了股骨近端有限元模型,观察到股骨近端内部的应力分布,验证了结构与功能的对应关系.结论:应用Mimics可以建立更符合股骨近端机械结构和力学性质的三维有限元模型,据此模型得到的股骨近端力学特性分析结果更为可信,可以辅助指导临床应用.     

健康人体正常站立位完整股骨生物力学的有限元分析

建立完整的正常人股骨三维有限元模型,并应用于正常站立位生物力学分析。基于序列CT断层扫描图像,应用逆向工程原理,用自编图像处理程序从图像提取点云,并在逆向工程软件和有限元分析软件中建立有限元模型。其中将模型中材料考虑为连续、均质、各向同性的线弹性材料,将皮质骨和松质骨材料参数综合等效为弹性模量12GPa,泊松比是0.3。模拟正常双足站立,股骨头上表面受到垂直向下的分力为500N,执行计算。结果成功建立了有限元模型,最大位移发生在股骨头,最大应力发生在股骨体中下段,为14.2MPa,股骨颈局部拉应力较大。验证了股骨骨折多发于股骨体中下段的理论;并证明了老年人多发股骨颈骨折,并且骨折难愈合的事实,从生物力学角度说明股骨颈骨折后应避免活动。     

兔股骨三维生物力学模型的建立

背景：基于自编写的Matlab程序实现了对兔股骨图像边缘的识别。但鉴于模型的复杂性,在UG三维软件中建立股骨实体模型后导入ANSYS软件中,能否构建相应的结构模型？目的：构建兔股骨三维生物力学模型的方法。设计：随机对照观察。单位：北京理工大学生物力学实验室。材料：实验用1只雌性新西兰大白兔,兔龄1年,体质量2.6kg,。实验用ACTIS400/225型工业CT扫描机为美国BIR公司生产。方法：实验于2005-07/12在北京理工大学生物力学实验室完成。①股骨影像轮廓提取：实验兔麻醉后处死,分离股骨。将工业CT扫描图像转换成＊.bmp格式的图像文件,应用Photo shop图像处理软件,对原始图像进行对比度调整、平滑去噪等必要处理,以增强图像的可辨性和可分析性。再用磁性套索工具勾勒各层图像的内、外边界线,得到各层面股骨内、外轮廓曲线,采用CT扫描机对兔股骨进行扫描,自股骨头上端起,由近端向远端垂直于股骨纵轴行CT扫描,层间距为1mm。小转子下方第43层至股骨中段53层,由于形状比较规则,扫描层间距为2mm。共扫描87层,长度为9.9cm,输入计算机后经处理得到边界轮廓线,再通过自编程序,获取建模时所用的轮廓线坐标,将坐标数据输入建模软件,建立三维实体模型。②股骨有限元模型的建立：将UG中导出的＊.IGES文件,导入至ANSYS软件,自动生成股骨实体模型,利用ANSYS软件布尔操作中的减操作,得到有空腔的实体模型。主要观察指标：兔股骨结构模型建立情况。结果：①利用UG三维造型软件,读取第1层轮廓数据＊.dat文件,形成由多个数据点连接的自由曲线,依次读取第2层、第3层、第4层至第87层,形成兔股骨内、外轮廓的堆叠图。②采用自由网格划分法,应用ANSYS程序自动划分网格,生成有限元网格。网格划分后得到42221个节点及27768个单元。结论：实验模型真实模拟了兔股骨的解剖学形态。建立的三维生物力学模型为下一步通过有限元法确定振动对骨丢失影响的最佳参数奠定了实验学基础。     

儿童股骨近端解剖钢板生物力学及三维有限元分析

背景:以往的三维有限元研究多集中在成人骨科生物力学方面。目的:以三维有限元方法分析儿童股骨近端解剖钢板固定股骨转子下骨折的生物力学性能。方法:从6具儿童尸体上取股骨12根,X射线排除骨病后分为2组,实验组采用儿童股骨近端解剖钢板固定,对照组采用重建钢板固定。分别进行生物力学实验,测试其轴向压缩、扭转刚度、弯曲刚度。选取1名健康男性儿童进行螺旋CT扫描技术,获得股骨近端图像数据,建立儿童股骨近端三维有限元模型,并进行三维有限元力学分析。结果与结论:在轴向压缩刚度、扭转刚度上儿童股骨近端解剖钢板与重建钢板两者比较差异无显著性意义(P>0.05);在抗弯曲刚度上,两者相比差异有显著性意义(P<0.05)。结果显示儿童股骨近端解剖钢板的抗压能力、抗扭能力上与重建钢板相当,而在抗弯曲能力上强于重建钢板。生物力学三维有限元分析显示儿童股骨近端解剖型钢板的设计符合生物力学原理,具有较好的强度、刚度和稳定性,能够满足对儿童股骨近端骨折固定的需要。儿童股骨近端解剖型钢板对固定股骨转子下骨折具有良好的生物力学性能。     

股骨下端三维有限元模型反应其真实几何结构的意义

目的：建立股骨下端的三维有限元模型，以期为膝关节三维有限元的建立和研究，提供方法学和研究平台。方法：根据螺旋CT扫描图像，利用Ansys有限元软件的由下向上的点、线、面、体的建模原则，对股骨下端的三维有限元模型进行重建。结果：建立了股骨下端的三维有限元模型。结论：建立了股骨下端的三维有限元模型，该模型能逼真地反应股骨下端的真实几何结构。     

肱骨远端三维有限元模型的建立及生物力学分析

背景：采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学分析得到了广泛应用,但是关于肱骨远端的有限元分析较少,且所建模型粗糙,方法繁琐。目的：建立肱骨远端的三维有限元模型,并模拟不同受力状态下的应力分布及应变特征。方法：通过对正常成年男性肘关节的多排螺旋CT扫描,获得连续断层图片,导入Mimics医学建模软件生成实体模型后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS10.0,进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型。约束边界条件,模拟肱骨远端轴向受力,得出肱骨远端有限元模型上的应力分布与应变结果。结果与结论：建立的肱骨远端有限元模型总单元数为6292,总节点数为10232。肱骨远端在轴向载荷状态下的应力集中主要位于内、外侧柱区域。提示建立的有限元模型精确度高,符合肱骨远端的临床特点,较好地模拟了肱骨远端的生物力学特性。     

肱骨远端三维有限元模型的建立及生物力学分析

背景:采用有限元分析法进行骨与关节的生物力学分析得到了广泛应用,但是关于肱骨远端的有限元分析较少,且所建模型粗糙,方法繁琐.目的:建立肱骨远端的三维有限元模型,并模拟不同受力状态下的应力分布及应变特征. 方法:通过对正常成年男性肘关节的多排螺旋CT扫描,获得连续断层图片,导入Mimics医学建模软件生成实体模型后,应用大型通用有限元分析软件ANSYS 10.0,进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型.约束边界条件,模拟肱骨远端轴向受力,得出肱骨远端有限元模型上的应力分布与应变结果.结果与结论:建立的肱骨远端有限元模型总单元数为6 292,总节点数为10 232.肱骨远端在轴向载荷状态下的应力集中主要位于内、外侧柱区域.提示建立的有限元模型精确度高,符合肱骨远端的临床特点,较好地模拟了肱骨远端的生物力学特性.     

肱骨三维有限元分析及其记忆生物力学意义

目的：分析肱骨不同载荷加载下应力分布，探讨其相关的记忆生物力学意义。方法：选择湿肱骨标本行CT成像，大型有限元分析软件ANSYS5．6建立肱骨三维模型以及天鹅记忆加压接骨器(shape memory conector,SMC)固定模型。同时进行相应力学分析。结果：当纵向加压的压力P=300N时，Z方向的正应力为-4．0～-4．5MPa，断面区域的压应力为0～0．2MPa。结论：SMC固定肱骨后三维有限元的分析，可以为肱骨骨折后内固定的力学研究提供新思路。     

骨质疏松股骨三维有限元模型的建立

背景:通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体且模型间可比性低,对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段.目的:建立骨质疏松股骨三维有限元模型.方法:根据国人股骨平均参数,选择重度骨质疏松老年男性患者1例,年龄86岁,排除髋关节疾患.通过螺旋CT扫描获得骨质疏松股骨图像数据,将图像数据导入图像处理软件Mimics 11.1进行图像处理,生成股骨骨皮质内、外表面的轮廓曲线;再将轮廓曲线数据导入建模软件Unigraphic NX4.0进行实体建模,得到具有骨皮质、骨松质、骨髓腔的股骨三维模型;将三维模型数据导入有限元分析软件Ansys11.0进行赋值、网格划分、定义接触等操作建立骨质疏松股骨三维有限元模型.结果与结论:建立了骨质疏松股骨三维有限元模型,为骨质疏松股骨限元模型的建立提供了切实可靠的方法,为研究骨质疏松股骨骨折的固定方法、关节置换等创造了条件.     

组配式人工半骨盆假体置换后骨盆站立位生物力学有限元分析

背景：目前关于骨盆生物力学有限元分析主要是针对正常和外伤后的骨盆,缺乏对EnnekingⅡ区的恶性肿瘤切除、组配式人工半骨盆假体重建骨盆环缺损后骨盆生物力学模型进行三维有限元分析。目的：观察正常骨盆及半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后患者站立体位下应力分布。方法：采用CT薄层扫描采集1例半骨盆切除、组配式人工半骨盆假体置换后17个月患者的骨盆原始数字影像和通信标准数据,将数据导入Mimics8.1软件建立三维实体模型,再将实体模型导入Abaqus6.7-1分析软件,分别以正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后的骨盆,建立三维有限元模型,并分别对双脚站立、患侧单脚站立两种静力状态下进行生物力学加载并对结果进行分析。结果与结论：在正常骨盆及组配式人工半骨盆假体置换后骨盆2种有限元模型中,不同站立体位相同载荷下健侧骨盆应力值接近;患侧组配式半骨盆假体不同站立体位时应力最大值均出现在髋臼杯上方CS脊柱内固定器与髋臼杯连接部内侧,所受最大应力均远低于其疲劳强度;组配式半骨盆假体重建后骨盆站立位时应力的分布规律与正常骨盆基本一致。说明：①组配式人工半骨盆假体置换对健侧骨盆影响较小。②站立体位下组配式人工半骨盆假体安全性好。③组配式人工半骨盆假体重建后的骨盆符合人体正常生物力学规律,具有良好的生物力学相容性基础。     

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。     

颈椎牵引过程的三维有限元分析

目的　比较不同力学条件下颈椎牵引的生物力学过程,从而得出最为有效的牵引条件。方法　通过建立颈椎（Ｃ１－ Ｔ１）三维有限元模型,对颈椎在不同力量、不同角度条件下的牵引过程进行力学分析,得出各种条件下颈椎上的位移情况、应力分布情况及各椎间隙的变形情况,并进行比较分析。结果　在不同牵引力的作用下,颈椎均出现一定的位移,诸椎间隙后缘均有一定增宽,前缘则大多有所缩窄,最大应力位置均出现在颈椎后缘的椎体上。当牵引角度不变时,随牵引力的增大,颈椎的位移及各点的应力均增大,椎间隙的形变亦更明显。当牵引力不变,随牵引角度的增大,颈椎的位移增大,颈椎上最大应力的位置下移,各椎间隙的形变增大。结论　在本文分析中,以前倾角３０ 度、９０ Ｎ 牵引颈椎可以最大程度的扩宽椎间隙,缓解对神经根的压迫,牵引治疗最为有效     

三维有限元法分析修复体应力变化的应用及前景*

背景：利用三维有限元法的变分原理和加权技术,可将具有复杂形态结构的人类牙齿模型化,有利于了解动态过程中牙体硬组织和修复体的应力分布。目的：综合分析近年来口腔领域的国内外学者对修复体生物力学的三维有限元研究状况,特别是金属基底冠、瓷层厚度、根管预备及充填对牙体应力变化的影响。方法：由第一作者应用计算机检索1993年4月至2012年9月PubMed数据库及2001至2008年中文期刊全文数据库、维普数据库有关三维有限元法分析金属基底冠、瓷层厚度、根管预备及充填方式对牙体应力变化影响的文章,英文检索词为”porcelain-fused-to-metal, finite element method, stress analysis, root canal”,中文检索词为“烤瓷熔附金属全冠,三维有限元法,应力分析,根管”。排除重复性研究及Meta分析,共保留40篇文献进行综合分析。结果与结论：三维有限元法在口腔医学中对建立高真实度和精确度的模型有着重要的意义,因此对牙体的根管治疗和治疗后修复提供了有效的生物力学信息。有关牙体与修复体在应对咀嚼作用时的应力分布在不断地探索与研究。文章总结了口腔领域国内外学者利用有限元法分析桩核冠修复体的应力变化,为将来进一步的研究提供了参考和借鉴。结果显示,三维有限元法能够建立具有非线性,各向异性等生物力学特征的三维有限元模型,能够逐渐完善其从静态分析到动态分析的转变,以真正达到精确模拟口腔生物学形态及牙齿咀嚼功能的目的。     

下颌骨颊舌向骨宽度的三维有限元分析**

背景：由于牙列缺损、牙列缺失、牙周病、创伤、肿瘤等因素,很多患者面临着种植区颌骨颊舌向宽度不足这一问题,目前学者们对种植体周适宜的颊舌向骨宽度尚无一致的结论。目的：利用三维有限元法探寻下颌骨种植体-骨界面应力分布情况,以评定出适宜种植所需下颌骨颊舌向骨宽度。方法：用三维有限元分析法,分别对Ⅰ类、Ⅲ类骨质类型所含种植体的下颌骨模型(种植体颈部区域颊舌向骨宽度1,1.5,2,2.5,3,3.5 mm)施加200 N 垂直和斜向60°两种方向的集中载荷,并对种植体骨界面进行应力分析。结果与结论：种植体两侧各有2 mm 以上的骨量即可使种植体骨界面的应力达到较为理想的状态。斜向载荷状况下产生的应力远大于垂直向载荷下产生的应力。结果表明种植体周颊舌向拥有适当的骨量对种植体骨界面应力分布有显著影响,临床种植方案设计时应尽量避免或减小斜向载荷的出现。