桡骨头三维有限元模型建立及生物力学分析

目的:构建起肘关节三维有限元模型,借助三维有限元法对桡骨头在各种损伤程度下、各种位置上及肘关节各种屈曲程度下生物力学改变的情况进行分析,为研究桡骨头病理形态及生理功能变化提供实验依据。方法:将1名身体健康的成人志愿者作为研究对象,不考虑肘部的所患有的疾病,前薄层扫描CT图像扫描右肘及前臂,在软件中导入Mimics、ANASY、LS.DYNA97数据以构建起肘关节三维模型,开展装配、分配网格、将属性赋予材料以及有限元计算等工作。结果:所构建起来的肘关节三维有限元无限接近实体解剖标本,对桡骨头实际解剖状态与生物力学行为进行了全面真实的体现,同时与CT切片图相对比以验证了其精确性。结论:借助三维有限元模型将生物力学模型可以为桡骨头正常力学行为以其病变、损伤的临床诊疗提供病理形态及生理功能变化基础,为临床诊疗奠定更坚实基础。     

尺骨冠状突骨折合并肘关节后脱位有限元模型的建立与分析

目的：建立尺骨冠状突骨折合并肘关节后脱位的有限元模型,并对肘关节后脱位在关节稳定性方面的影响进行数字化研究。方法：建立正常肘关节-前臂（IEJF）有限元模型与尺骨冠状突骨折肘关节-前臂（FUCF）有限元模型。采用压缩、屈曲两组生理荷载（每组3种幅值）,进行计算、验证和应力分析。结果：建立了结构完整的IEJF与FUCF有限元模型,并对模型进行验证,情况与临床实际符合。计算得出FUCF有限元模型较IEJF有限元模型桡骨头出现了严重的应力集中现象,不同压缩荷载作用下的肘关节纵向压缩位移与不同屈曲力矩导致的屈曲角都有所增加。结论：尺骨冠状突骨折及肘关节后脱位对肘关节-前臂纵向不稳有一定程度的影响。本研究所构建的肘关节-前臂有限元模型对尺骨冠状突骨折合并肘关节后脱位的临床稳定性评估研究及手术治疗方案的制定具有一定的参考价值。     

肘关节有限元模型模拟碰撞损伤的生物力学特性分析

目的 利用有限元法建立肘关节的三维有限元模型,动态模拟肘关节以不同角度撞击地面,分析肘关节的生物力学特性.方法 选取1名健康青年男性志愿者,肘关节屈曲90°行CT扫描,应用Mimics、Geomagic、UG、Hypermesh等软件对所得数据进行三维重建,建立肘关节的三维有限元模型;在Abaqus软件中模拟肘关节以不同角度(前臂与地面呈30°、60°、90°)撞击地面时,计算骨皮质破裂的临界速度及显著破裂时的速度,分析应力传导及其大小、分布等的变化规律.结果 肘关节屈曲90°状态发生正面碰撞时应力传导主要集中在肱骨髁、肱骨滑车及尺骨鹰嘴等部位,而桡骨头应力传导较小;当肘关节与地面撞击(前臂与地面分别呈30°、60°、90°)时,骨皮质破裂临界速度分别为11.4、9.3、13.8 m/s;前臂与地面分别呈30°、60°撞击,撞击速度分别达15.0、13.0 m/s时,尺骨鹰嘴呈粉碎性骨折;前臂与地面呈90°撞击,撞击速度达18.0 m/s时,肱骨远端呈明显横行骨折.结论 应用有限元建模分析软件构建的人体肘关节有限元模型可用于外力作用下肘关节损伤机制的研究,也可用于肘关节损伤时暴力的大小、速度、方向的推断.     

脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析

［摘要］ 目的建立正常脊柱腰段三维有限元模型,为生物力学研究及腰椎损伤研究提供可靠模型。 方法采集1名健康成年男性脊柱腰段CT和MRI断层影像数据,应用Mimics软件依据CT数据对全部腰椎骨及骶骨上部进行三维模型重建,依据MRI数据对L1~L5椎间盘髓核进行三维模型重建。将椎骨与髓核进行空间配准,在此基础上建立椎间盘、关节囊和韧带的三维模型。在Ansys中划分网格并定义材料属性,对模型施加运动性载荷模拟脊柱腰段处于前屈、后伸、侧弯和扭转等运动工况下的生物力学特征,验证模型的有效性。 结果建立了完整的脊柱腰段三维有限元模型,包含椎骨、椎间盘、骶骨上端、韧带、关节囊等重要结构,总节点数为104 190个、总单元数为339 165个。模型通过有效性验证,运动工况下的角位移范围和椎间盘的应力分布特点符合腰椎的生物力学特性。 结论本研究建立的三维有限元模型仿真度高,可用于脊柱腰段的生物力学研究以及模拟疾病和手术对腰椎生物力学的影响。     

有限元方法在颈椎生物力学中的应用

目的：研究重建颈椎三维有限元模型。方法：通过CT扫描、Unigraphics V18．0软件进行影像边界记录、定标等方法，按照点、线、面、体的顺序重建三维结构，采用CAD数据处理技术，输入相关的材料特性，验证重建模型的有效性。结果：建立颈椎的三维有限元模型（C3／4），分析结果证明其在仿真分析中是可行的。结论：建立的颈椎三维有限元模型可以模拟生物力学实验。     

颈椎（C0～C3）有限元模型的建立及验证

目的：建立具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性有限元模型并验证其有效性。方法：对1名健康成年男性,以层厚0．6mm进行连续颈部CT扫描得到骨窗断层图像,将CT数据导入到三维重建软件Mimics11．0中得到上颈椎的三维图像数据,再导入ANSYS8．1中生成上颈椎的三维骨性模型。依据文献资料及参考CT结果对上颈椎软组织进行建模,包括椎间盘、小关节和主要韧带结构。最后模拟生理载荷下测定模型各节段（C0-C1,C1～C2,C2～C3）的三维运动范围,并将所得结果与体外生物力学实验结果进行对比,验证所建颈椎有限元模型的有效性。结果：建立了一个较为详尽的上颈椎有限元模型。包括76799个10-node Solid 92单元,14670 Shell 93单元,80个2-node Link 10单元．1557个8-node Solid 45单元,56个Shell 63单元。结论：该模型的生物力学和几何学相似性很好．本实验方法是科学的、精确的。     

现实与虚拟互动的第3～7颈椎应力分析比较

目的:应用三维有限元方法建立第3~7颈椎有限元模型;分析直立时3~7颈椎不同部位的应力分布;进行定量生物力学与三维有限元模型比较;以期应用于临床实验研究。方法:采用UnigraphicsV18.0软件建立3~7颈椎的实体模型并划分单元,在1.8Nm作用力下,观察节段运动与力-位移反应。结果:分析结果证明其在仿真分析中是可行的。通过进行定量生物力学与三维有限元比较的统计学分析,未见显著性差异。结论:该方法适用于重建人体骨骼结构的有限元模型,所得结果较为合理,几何外形和材料特性均较满意,所得结果与实验检验结果基本吻合,所建立的3~7颈椎三维有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验。希望在应用于临床与实验的过程中进一步修改和完善。     

上颌前牙高强纤维束带牙周夹板的三维有限元模型的建立

目的 建立带牙列上颌骨及高强纤维束带牙周夹板的三维有限元模型,为牙周病夹板治疗的生物力学研究提供基础.方法 分别应用Mimics、Freeform、Ansys等软件建立最终形成带牙周膜的上颌前牙及牙槽骨三维数字化模型,以模拟伢典everStick PERIO高强纤维束带牙周夹板固定后的牙周膜状态.并通过对网格划分后模型进行应力加载,初步验证该模型准确性.结果 建成后模型具有较好的几何相似性.实验共生成113437个单元,186869个节点,与实体尺寸相一致.加载后的应力云图可见等效应力和第一主应力主要集中在牙根唇侧区域,与临床实际情况相符,表明该有限元模型的有效性.结论 利用数字图像技术和三维有限元的方法 相结合,建立的高强纤维束带牙周夹板的三维有限元模型较真实地模拟了临床实际情况,可为后续的不同夹板固定高度及牙槽骨吸收水平的生物力学研究提供有效平台.     

基于磁共振图像建立踝关节三维有限元模型

目的重建基于正常健康人体、且有高度几何相似性及可进行良好数字化模拟的踝关节三维有限元模型,并进行初步验证分析。方法严格筛选出1名正常发育,排除踝关节畸形、疾患及损伤的青年男性,使用3.0T核磁共振的T1加权3D快速回波序列对其右踝关节进行连续矢状位扫描,将所得图像导入Mimics进行三维重建后,再经过Geomagic Studio二次加工、组装,最终建立包含关节软骨的踝关节三维模型,而后将其导入ANSYS进行模拟分析以验证其有效性。结果与国外相关实验研究数据对比表明,本模型具备高仿真的几何形态和良好的数学求解能力。结论本研究中重建的踝关节三维有限元模型,经验证是一个仿真度高、可靠性好的模型,可以帮助临床工作者和其他相关人员更好地理解踝关节的各种生物力学特性。     

仿生种植牙三维有限元模型的建立

目的：建立成人上颌中切牙的仿生种植三维有限元模型,探讨仿生种植牙的生物力学特性.方法：以成人上颌中切牙为标本,通过螺旋CT扫描和计算机图像处理技术,获取中切牙各截面的轮廓坐标数据,再通过CAD技术进行单元网格的自动划分,形成SuperSAP模型数据文件,输入到SuperSAP93有限元专用分析软件后建模.结果：建立了有效的仿生种植牙三维有限元模型.结论：模型的几何相似性、生物力学相似性均佳,可用于仿生种植牙的生物力学研究.     

胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折三维有限元模型的建立和应力分析

目的 建立脊柱胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折及邻近节段的有限元模型,并对模型进行初步的生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对患者的CT图片进行预处理,后导入大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.建立了胸10-腰2四个运动单元的三维模型,并且准确模拟了椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.通过设置0.3、1.0、4.0 Mpa 3种轴向载荷进行力学分析,观察力学改变情况.结果 当轴向压力以0.3、1.0、4.0MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加.椎间盘所受应力分布不均;各椎体前部所受应力最大,而后部结构所受应力较小,椎体局部出现受力较大情况,尤以相邻椎体更为明显.结论 本研究的有限元模型符合胸腰段骨质疏松性椎体骨折的临床特点,模拟了其生物力学特性.     

膝关节三维有限元模型的建立

目的建立完整的膝关节三维有限元模型。方法获取正常膝关节SCT扫描图像数据,使用3D-Doctor、Geomagic Studio、ABAQOUS等软件建立膝关节三维有限元模型。结果建立的膝关节三维有限元模型具有良好的生物形态,外形与实体标本一致性高。结论采用CT扫描资料建立三维有限元模型是切实可行的,简便、高效,特别适用于骨科领域三维有限元模型的建立。     

标准步态下骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义

目的:构建包含骨盆肌肉及头臼作用力的标准步态下骨盆三维有限元模型.方法:选择标准成年男性志愿者行骨盆CT扫描成像得到骨盆每层横截面图像,运用Mimics软件行三维重建,利用有限元分析软件PATRAN 2005R2构建髋臼三维有限元模型,并将标准步态中肌肉收缩力及头臼作用力也设计到该模型中.结果:所构建髋臼模型共划分为113 028个结点、137 524个单元,模型模拟了骨盆皮质骨、松质骨、关节软骨以及股骨头结构的材料特性. 所建模型结构完整,空间结构测量准确度高,单元划分精细,重点突出,尤其肌肉及头臼作用力加载模拟形象、逼真,客观反映髋臼真实解剖形态结构和生物力学特点.结论:构建的髋臼三维有限元模型为正常髋臼或异常髋臼力学研究提供可循模型.     

胫骨模型对膝关节有限元分析结果影响的探讨

目的：通过有限元法对膝关节进行力学仿真,探讨胫骨模型对膝关节生物力学行为的影响。方法：应用MimiCS建立膝关节三维实体模型并对骨骼赋予不同的材料属性;使用Hypermesh建立膝关节三维网格模型,同时建立了不同胫骨长度的膝关节三维模型;在Abaqus中设置边界条件和软组织材料属性,施加载荷进行膝关节力学仿真。结果：通过有限元分析获得了膝关节主要软组织的应力和相互接触面积,得到胫骨上的Mises应力分布。结论：膝关节骨骼材料属性以及胫骨长度对膝关节软组织的力学行为基本没有影响,可在实际的对膝关节软组织的有限元分析中将骨性结构定义为刚体;胫骨上的Mises应力随骨骼材料属性和长度有明显的变化,在针对骨骼的有限元分析中需要建立完整的骨骼结构以及将骨骼划分为至少10种材料属性。     

颅颈交界区畸形寰枢外侧关节生物力学稳定性的有限元分析

目的：利用有限元法分析颅颈交界区畸形（CJVM ）寰枢椎外侧关节生物力学变化。方法获取1例CJVM 枕骨和颈椎的CT扫描图像,利用三维造型和有限元软件建立颅颈交界区的三维有限元模型。施加生理载荷和边界条件,通过比较该模型与正常模型活动度的差异结合临床观察经验,验证模型的有效性,同时分析寰枢椎外侧关节应力分布。结果建立几何精度较高和参数设定可靠的CJVM有限元模型,通过模型发现各节段的活动度与相关尸体实验和有限元模型数据的结果相比总体呈偏小趋势,与一般CJVM患者临床实际运动表现相符合。获得了不同生理状况下畸形有限元模型寰枢椎外侧关节面的应力分布情况,可以合理解释寰枢外侧关节结构变异及其在维持寰枢椎之间稳定的重要作用。结论 CJVM 患者寰枢外侧关节结构发生变异,其生物力学稳定性对于术前的诊断和术中治疗操作具有一定价值。     

颌面部包括咀嚼系统的数字解剖学有限元建模初步研究

目的初步探究基于解剖学和影像学对颌面部包括完整咀嚼系统的数字解剖学三维有限元建模的可行性,为进一步模拟颌面部生物力学做准备。方法采集第2代中国数字化人体"男性第23号"头颅CT图像、咀嚼肌MRI图像及双侧颞下颌关节盘MRI图像,以DICOM格式导入Mimics软件进行三维重建,再通过Geomagic Stadio软件配准模型、优化模型并构建数字化颌面部结构,最后将单个前牙的牙体牙周精细模型导入ANSYS进行有限元分析,检验模型的实用性。结果建立了一个包含全牙列牙髓、牙本质、牙骨质、牙釉质、牙周膜、上颌骨双皮质层、下颌骨双皮质层、下牙槽神经、颞下颌关节、关节盘、关节软骨、关节囊以及咀嚼肌肉系统和颌面的三维解剖学模型,以及单个前牙的三维有限元模型。结论基于CT、MRI影像和解剖学,利用医学影像处理软件Mimics、Geomagic Stadio及Ansys结合实构法和虚构法所建高精度颌面部模型具有全面性、先进性和实用性,可以为进一步模拟口腔医学临床中的实际问题提供理论依据。     

腰椎三维有限元模型建立和应力分析

目的 建立完整的腰椎三维有限元模型,并对腰3-4运动节段的进行了有效性验证和生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对CT图片进行预处理,后导人大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.分别建立了腰1-腰5各椎体及其椎间盘有限元实体,后组合成整体的腰椎和腰3-4有限元模型,并且还准确的模拟了腰椎的椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.验证了模型的收敛性,并针对腰34运动单元设置了0.3、0.5、1.0、2.0、4.0 mPa 5种载荷进行生物力学分析.结果 在轴向压力作用下,椎间盘纤维环后部存在着明显的应力集中,并向后外侧传导.最大压应力的部位在髓核和软骨终板的中央,椎弓根是椎体多种应力集中的部位.轴向压力增加,应力成比例增大.结论 本研究的有限元模型精确度高,结论符合腰椎的临床特点,较好的模拟了腰椎的生物力学特性.     

膝关节三维有限元模型的建立及生物力学分析

目的：建立正常中国成年男性膝关节三维有限元模型,并在模型上加载压缩、弯曲、内外翻和旋转力矩进行受力分析,以验证模型的有效性。方法：选取1名正常男性青年膝关节直立位横断CT扫描片一套,利用图像处理和转换技术,运用有限元软件ABAQOUS/STANDARD Version6.5,建立正常膝关节三维有限元模型。在模型上加载压缩、弯曲、内外翻和旋转力矩进行受力分析。结果：建立了正常中国成年男性膝关节三维有限元模型。正常膝关节的内、外翻活动范围较小,且同一膝关节的内、外翻活动范围无统计学差异（P>0.05）。正常膝关节的旋转活动发生在屈膝状态下,且同一膝关节的内旋、外旋活动范围有明显差异（P<0.05）,外旋活动范围较大。结论：本实验建立的模型能逼真地反应膝关节的真实几何结构,模拟膝关节的各种运动,是进行生物力学研究的有效工具。