颈椎人工椎间盘置换三维有限元模型

目的:建立颈4-5 PrestigeTM-LP人工颈椎间盘植入后的三维有限元模型.方法:采用成年男性的新鲜尸体的颈椎标本进行CT三维扫描,通过三维重建软件Mimics system和AutoCAD形成颈椎C4-5和PrestigeTM-LP人工颈椎间盘假体三维图形文件,经有限元分析软件ANSYS8.0建立颈椎C4-5和PrestigeTM-LP人工间盘有限元,模拟完成C4-5人工椎间盘置换手术.结果:成功建立颈椎C4-5节段PrestigeTM-LP人工颈椎间盘置换有限元模型,对颈椎的后部结构、颈椎关节突关节、钩椎关节等均进行了模拟重建.共计包含174 923个solid单元,249 006结点,88个缆绳单元及相应176个结点.结论:模型具有精确度高,单元划分精细,手术模拟真实的特点,可用于颈椎人工间盘置换后的生物力学研究.     

人工腰椎间盘置换的有限元模型

背景:国内外已有学者将有限元分析用于脊柱的生物力学模拟,但对人工帷间盘置换前后腰椎生物力学系统的有限元模拟报道较少.目的:实验建立腰椎运动节段SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘置换的新型三维有限元模型,并在此基础上进行有限元分析.设计、时间及地点:观察性实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成.对象:选择1名健康成年男性志愿者作为模拟对象,对脊柱T12～S1节段进行层厚2 mm的连续扫描,共获得CT断层图像264幅,并对CT图像每隔15.进行三维重建,获取用于建立三维模型的相关数据.方法:将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX软件建模形成正常中国男性L4～5运动节段的三维模型.主要观察指标:结合SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转换成有限元模型.结果:成功建立了腰椎运动节段的三维模型和有限元模型.L4～5节段SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘置换的有限元模型总节点数为2542个,包括1924个Solid单元,592个Area单元,50个Link单元.结论:通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以建立腰椎人工椎间盘置换的有限元模型.     

基于CT及逆向工程软件构建正常人体骨盆三维有限元模型

背景：骨盆是人体骨骼中形态及结构最复杂的部分,许多学者一直致力于其生物力学的研究。由于骨盆形状极其不规则,所附着肌肉及韧带解剖结构复杂,建立精确的包含主要肌肉及人韧带的骨盆有限元模型十分困难。 目的：建立正常成年人骨盆的三维有限元模型,为后续骨盆的生物力学分析提供数字模型。 方法：采集健康成年男性志愿者的骨盆CT数据,将DICOM格式的CT图像导入医学影像三维重建软件Mimics 10.0进行图像的分割及三维重建,将导出文件导入逆向工程软件Geomagic studio 11中对图像进行曲面化处理,建立曲面模型,使其更加光顺,将生成的曲面模型导入有限元分析软件Ansys 14.0中进行有限元网格划分。 结果与结论：建立了正常成年人骨盆的三维有限元模型,总单元数为818294个,总节点数为149290个。课题基于健康成年男性志愿者的骨盆 CT 图像建立骨盆有限元模型,所得的模型精确度高、逼真、具有良好的解剖及几何相似性,可为下一步骨盆的生物力学分析提供基础。     

股骨近端溶骨性转移瘤三维有限元模型的力学分析

背景：如何评估股骨近端转移瘤的骨折风险在临床上争议较多. 目的：建立股骨近端不同大小溶骨性转移瘤的三维有限元模型,分析在慢步行走过程中病变局部的应力变化,评估骨折风险. 方法：对志愿者双下肢进行薄层 CT 扫描获得股骨数据,图像处理软件 Mimics11.1进行图像处理后数据导入建模软件 UG4.0建立股骨近端3个部位溶骨性病变模型,给予加载缓慢行走时单足落地状态下股骨的载荷,利用有限元软件分析股骨颈区,转子间区及转子下区应力的变化. 结果与结论：①股骨颈水平：皮质完整的髓内缺损破坏直径至相应冠状面直径的90%局部应力突然增长至135.98 MPa,破坏一半内侧皮质的髓内病变至70%局部应力突然增长至92.34 MPa,完全破坏皮质的半球形病变至60%时,局部应力大于屈服应力,增长至101.19 MPa.②转子间水平：内侧皮质完整的髓内球形病变破坏直径至80%局部应力突然增长至131.21 MPa,破坏一半内侧皮质的髓内病变破坏至80%局部应力突然增长至105.19 MPa,完全破坏皮质的半球形病变至70%时,局部应力大于屈服应力,增长至92.21 MPa.③转子下水平：破坏一半内侧皮质的髓内病变破坏至80%局部应力突然增长至92.42 MPa,完全破坏皮质的半球形病变至70%-80%之间,局部应力增长至89.97-105.19 MPa,大于屈服应力.结果表明股骨近端未穿透骨皮质的髓内病变对股骨近端应力变化影响不大.对于破坏单侧骨皮质的病变,在股骨颈水平破坏直径大于60%时存在骨折风险,转子间水平破坏直径大于70%时存在骨折风险,转子下水平破坏直径大于70%时存在骨折风险.     

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51905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。     

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51905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。     

退变性脊柱侧弯的生物力学有限元分析☆

背景：脊柱在结构、形状、材料特性以及承受载荷方面都比较复杂,传统的生物力学方法不能完全解决这些特性问题。目的：探讨退变性脊柱侧弯椎间盘、关节突关节、椎体等的应力分布,为其发生、发展的生物力学机制提供依据。方法：基于退变性脊柱侧弯患者T12-S1上段连续的CT扫描图像,赋予模型特定的材料属性,建立完整、有效的退变性脊柱侧弯三维有限元模型。在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种工况下对模型进行加载,计算和分析脊柱的活动度、椎间盘、椎体及关节突关节软骨的应力分布。结果与结论：退变性脊柱侧弯有限元模型比正常腰椎的活动度要小,椎间盘应力分布趋向于椎间盘的四周,后伸运动时各椎间盘应力最大,侧弯顶点椎体容易出现应力集中的情况,在旋转工况下关节突软骨的应力集中最明显,后伸工况下次之,尤其以侧弯顶点节段的关节突软骨影响最大。退变性脊柱侧弯侧弯顶点容易出现应力集中,后伸、旋转运动可加重退变性脊柱侧弯发展。     

基于DICOM数据构建股骨三维有限元模型的精确力学分析☆

背景：有限元模型已经由二维发展到三维,由线性模型发展到非线性,由于该方法在分析不太规则物体的力学特点方面具有优越性,因此在骨科生物力学研究特别是髋关节方面得到广泛应用。目的：利用有限元方法分析人体股骨在载荷下的受力状态,探索一种快速建立股骨有限元模型并能进行精确力学分析的方法。方法：选择标准成年男性志愿者行股骨CT扫描成像,得到股骨每层横截面图像,应用DICOM数据和MIMICS软件行三维重建,结合有限元分析软件ABQUS 6.8构建股骨三维有限元模型,并分析股骨模型载荷状态下的应力分布。结果与结论：结果显示,基于DICOM数据建立的股骨三维有限元模型,划分网格后形成38636个节点,201422个单元,其中包括股骨松质骨体网格模型与皮质骨体网格模型。有限元分析结果与以往的实验数据一致性较好,能够客观实际地反映股骨真实解剖形态和生物力学行为,分析精度较高。提示运用Mimics软件提供了简单有效的建模方法,极大程度上提高了建模效率,基于 DICOM 数据的三维有限元模型几何形状较准确,可以为股骨正常力学行为研究提供精确模型。利用ABQUS 6.8分析得到的应力分布情况与临床观察一致。     

股骨颈保留型人工全髋关节置换后的应力分析

背景：股骨颈保留型（Col um Femoris Preserving,C.F.P）假体为意大利骨科医生Pipino与德国LINK公司联合设计开发。该假体手术操作手册中推荐截骨平面是否适合国人股骨结构特点以及所采用截骨方式是否会引起假体以及股骨应力发生变化,目前尚未见研究报告。目的：通过临床病例回顾和三维有限元模型分析股骨颈保留型人工全髋关节置换的临床疗效以及应力分布变化。方法：①回顾分析36例股骨颈保留型全髋关节置换及36例普通生物型全髋关节置换患者临床资料,通过Harris评分、目测类比评分、置换前后偏心距变化、IDES-Engh放射学及并发症等指标评价疗效。②建立两种不同截骨平面股骨颈保留型全髋关节置换有限元分析模型,分析股骨转子间窝上1.5 cm及头颈交界处为截骨平面带来的偏心距差异、股骨以及假体应力分布变化。结果与结论：①头颈交界处为截骨平面的股骨颈保留型全髋关节置换,短期随访临床疗效优良,与普通生物型无明显差别。②有限元分析显示：头颈交界为截骨平面与转子间窝上1.5 cm为截骨平面比较,偏心距增大,假体及股骨所受应力增大,但应力分布相同。     

踝关节三维有限元生物力学研究的临床转化

背景：踝关节是人体的负重、足部压力的缓冲和人体与地面接触的枢纽,极易受到损伤;骨科生物力学领域的研究不断成熟和发展,利用三维有限元软件建模分析踝关节生物力学并研究临床疾病逐渐成为研究热点。目的：探讨踝关节三维有限元生物力学的研究现状,并对其临床研究进展作一综述。方法：应用计算机检索CNKI期刊全文数据库和PubMed数据库中1986年1月至2014年3月关于踝关节有限元的文章,以“踝关节、有限元、生物力学、力学研究”或“ankle, finite element, biomechanics, mechanics research”为检索词进行检索;排除与研究目的无关和内容重复的文献;保留47篇文献进行综述。结果与结论：踝关节生物力学机制复杂,各种损伤后都可能打破其周围结构的力学平衡而导致不稳定,诱发创伤性关节炎。踝关节三维有限元模型可准确反映解剖学结构特点、虚拟仿真可以再现手术方式及过程逼真的模拟,模拟压缩、拉伸、弯曲、扭转、抗疲劳等力学实验,并从静态的生物力学转向动态的方向研究,为分析临床疾病进而找到更合适的诊治方案。     

三维有限元分析钢板内固定治疗跟骨骨折

背景：有多种钢板治疗跟骨骨折,但究竟哪种效果更好,目前尚无定论. 目的：在跟骨骨折三维有限元模型上模拟加载3种类型的钢板,观察比较应力、应变及移位等生物力学性能. 方法：在踝关节中立位和背伸20°位建立跟骨骨折三维有限元模型,分别模拟使用跟骨Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3种形状钢板对骨折进行固定,加载后计算内固定物自身的应力分布、骨骼的应力分布及骨折块间的移位程度. 结果与结论：①两种体位骨折模型3种固定方式下的钢板应力分布都不均匀,钢板前部应力水平均高于后部,Ⅰ型钢板的应力分布相对比较均匀.②两种体位骨折模型3种固定方式下跟骨的应力最大值均在跟骨前部,而正常跟骨最大应力值在跟结节处,Ⅰ型钢板固定跟骨骨折后骨骼的最大应力值均小于Ⅱ型、Ⅲ型钢板.③两种体位骨折模型3种固定方式下均发生了骨折块间的位移,其位移趋势是一致的.结果显示,与Ⅱ型、Ⅲ型钢板固定相比较,跟骨Ⅰ型钢板固定后所承受应力更小,且应力分布更均匀,较符合生物力学原理.     

人工腰椎间盘置换的临床应用：现状与未来**

背景：人工腰椎间盘置换的基本理念是在稳定病变节段的前提下,力求最小影响相邻节段的生物力学状态,防止以及减少相邻节段退变的发生率。
　　目的：分别对人工腰椎间盘置换的适应证和禁忌证、围置换期经济学考量、远期并发症以及人工腰椎间盘置换与融合术的混合使用效果进行了探讨。
　　方法：计算机检索PubMed数据库、中国期刊全文数据库、中国生物医学文献数据库近十年的相关文献。纳入腰椎间盘置换术的回顾性和前瞻性临床实验报告,排除观点重复的文章,最后对34篇文献进行归纳与分析。结果与结论：1982年人工腰椎间盘假体首次临床应用以来,已有许多关于腰椎间盘置换的临床报道,然而对临床实验中遇到的许多问题始终没有统一答案。人工腰椎间盘置换的适应证和禁忌证应考虑到置换节段数对临床结果的影响、小关节退变对临床结果的影响、既往有腰椎间盘手术史患者的选择、患者年龄、椎间盘置换前休息时间等因素。评价腰椎间盘置换是否优于传统的腰椎融合,可以从椎间盘置换中出血量、手术时间、置换后住院时间等方面进行考量。腰椎间盘置换后较常见的并发症有异位骨化、植入物机械故障、相邻节段和小关节退变。将人工腰椎间盘置换与融合术的混合使用治疗多节段腰椎间盘病变,使两种手术干预方法互补不足,得到优于单独使用的手术疗效。     

颈枕部三维非线性有限元模型的有效性验证

背景：人体组织属性主要表现为非线性,颈枕部的生物力学特点更易受软组织材料属性变化的影响,因此建立非线性有限元模型与人体真实属性更接近. 目的：构建正常成人颈枕部三维非线性有限元模型并验证其有效性. 方法：利用MarConi MX8000多层螺旋CT对健康成人进行颅底-C3段扫描,获取二维图像.直接读入Dicom格式原始图像,图像分割,数据光顺,三维重建后生成颅底-C3节段脊柱三维实体模型;将此模型导入ScanFE模块,进行体网格划分;在ANSYS 10.0软件中直接导入以上三维模型,构建颅底-C3段内韧带单元,模拟韧带力-位移曲线,建立完成颅底-C3段的三维非线性有限元模型.垂直向下方向施加40 N预载荷,1.5 N？m力矩模拟前屈、后伸、侧屈及旋转运动,对比分析实验结果,判断模型应力分布与临床相符度. 结果与结论：构建的三维非线性有限元模型包括663551个单元,178247个节点.施加预载荷及1.5 N？m力矩后,寰枕关节运动范围为前屈13.3°、后伸11.9°、侧屈4.3°、旋转8.7°;寰枢关节运动范围为前屈15.5°、后伸12.6°,侧屈6.4°、旋转30.8°,与尸体标本实验结果相符.从整个模型的纵向应力分布看,在任何相对位置状态下,枢椎齿状突后方的应力均较高,后伸位时应力增高区域加大.上颈椎的应力主要集中于椎管周围,寰椎侧块两端及枢椎横突的应力则较小.对比研究发现,在不同相对工况下前屈、后伸、侧屈、旋转时C2-C3小关节应力均大于钩椎关节,颈枕部三维非线性有限元模型的应力分布特点符合临床实际情况.结果提示应用多层螺旋CT扫描得到的二维图像及simple ware、Ansys10.0软件,建立的颈枕部三维非线性有限元模型符合人体真实的运动规律,可以很好地模拟颈枕部的生物力学特性.     

脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立

背景：建立逼真的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,关于骨质疏松有限元模型的报道尚少。目的：建立脊柱腰段各主要结构及骨质疏松腰椎的有限元数字模型,为正常脊柱腰段及骨质疏松患者腰椎的有限元力学分析打下基础。方法t对1名健康男性志愿者行脊柱腰段的螺旋CT扫描,将所得图像先在Mimics中进行分隔和重建,在Geomagic中进行优化,在Ansys中赋材质及网格划分,建立三维有限元数字模型。结果与结论：建立了包括全部腰椎、椎间盘及主要韧带的正常腰椎及骨质疏松腰椎三维有限元数字模型。该模型外形逼真,几何相似性好,可以随意旋转,方便从多角度观察、采集三维信息,各主要结构材料属性接近实际,适合进行生物力学研究。提示利用CT数据及mimics、geomagic、Ansys软件可以建立脊柱腰段正常及骨质疏松有限元数字模型。     

原位及复位融合腰椎滑脱的三维有限元分析

背景：由于脊柱结构复杂,对复位或原位融合后融合的腰椎节段应力分布变化特点的精确生物力学分析一直是个难点。目的：通过建立b5节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定的三维有限元模型来比较腰椎滑脱原位融合和复位融合两种手术方式在各种载荷下的生物力学变化及其对腰椎稳定的影响。方法：根据健康成年男性的下腰椎CT数据,利用mimics,Catia和Patran,Marc等软件建立起b5节段的三维有限元模型,利用此模型模拟退变性腰椎滑脱,在此基础上建立L4／5节段原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合内固定模型,分析两模型在各种载荷下的应力分布特点,并比较异同。结果与结论：L舶节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定三维有限元模型在前屈后伸侧屈旋转负荷下,该节段各部结构,包括椎体,椎弓根钉内固定器和椎问融合器上的应力变化没有显著差异。两模型都显示椎间融合器和椎弓根螺钉内固定器上分布的应力最大。结果表明退变性腰椎滑脱,行原位椎间融合内固定和复位椎间融合内固定后,复位与否对该节段生物力学没有显著影响。     

腰椎L3-L5三维有限元模型的有效性验证：

背景：建立精确的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,精确的腰椎有限元模型报道较少。目的：采用正常人腰椎CT资料建立L3-L5三维有限元模型,并进行有效性验证。方法：健康男性志愿者,39岁,身高175cm,体质量65kg,采用16排螺旋CT机对L3-L5节段进行扫描,得到1．25mm层厚的CT图片共101张,Geomagic9．0软件下建立几何实体模型,然后确定单元类型、划分有限元网格,建立有限元模型进行加载计算。结果与结论：建立了正常人L3-L5三维有限元模型,整个模型共有213736个节点和799779个单元。该模型L3-L4,L4-L5节段活动范围与文献尸体标本生物力学测试结果一致,验证了模型的有效性,可用于实验研究。     

腰椎间盘置换对腰椎前凸的影响

背景：人工全椎间盘置换是近年来治疗腰背部疼痛可选择的方法之一,但有关置换后对腰椎矢状面影响的报道较少。目的：分析腰椎间盘置换后对腰椎前凸的影响。方法：回顾性分析17例曾因单节段退变性椎间盘疾病行腰椎间盘置换的患者影像学资料,数据测量包括置换前及置换后腰椎前凸角、病变节段前凸角、腰骶椎间角。结果与结论：17例患者随访均12个月以上。行椎间盘置换的患者中L4-5节段病变3例,L5-S1节段病变14例。与椎间盘置换前相比,椎间盘置换后平均病变节段前凸角、腰椎前凸角均显著增加(P<0.05);与椎间盘置换前相比,假体置入后腰骶椎间角增加,但差异无显著性意义。结果提示,对于单节段退变性椎间盘疾病腰椎间盘置换后有助于增加患者腰椎前凸和病变节段前凸角度,有助于改善患者腰椎矢状面平衡。置换后腰骶椎间角与置换节段假体置入角度无关。     

儿童肱骨三维有限元建模及验证☆

背景：有限元数值模拟力学实验方法是对人体进行生物力学结构研究的有效手段。目的：建立正常6岁健康儿童肱骨的三维有限元模型。方法：使用某6岁儿童志愿者的人体CT数据,导入到Mimics 10.01软件中,应用阈值分割的方法进行肱骨三维重建。运用Geomagic Studio 12.0对模型表面进行表面优化处理及曲面片的划分,然后使用TrueGrid软件进行网格划分,最后对其进行材料属性赋值,完成有限元模型的构建。施加边界条件及约束,模拟肱骨的三点弯曲试验,输出模拟结果。结果与结论：建立完成的肱骨有限元模型包括3024个节点,8节点六面体单元1875个,实验分别加载0.01 m/s和3m/s的动态载荷,肱骨中部均发生断裂,载荷-位移曲线与尸体试验结果近似。模拟结果显示,儿童肱骨的有限元模型仿真结果与尸体试验结果较为接近,有限元仿真法可以很好的模拟人体骨骼的物理特性。