胸腰段三维非线性有限元建模及临床意义

目的建立胸腰段三个椎体节段的三维非线性有限元模型并对模型的有效性进行验证。方法建立T12/L1/L2三个椎体节段的三维非线性有限元模型,该模型分别在垂直压缩力800N作用下,屈曲、后伸、侧弯、扭转力矩作用下,最大力矩皆为16N·m,分析模型的平均刚度、屈曲和后伸力矩与旋转角度的关系,观察椎间盘纤维环上的应力分布情况。结果模型的平均刚度及力矩-旋转角度关系曲线和其他作者的实测法所得结果基本一致;椎间盘纤维环上应力符合临床和其他作者有限元分析所得结果。结论本研究通过一种改良的测量建模法建立的胸腰段有限元模型符合脊柱生物力学的一般特点,可以对胸腰段和胸腰段内固定的生物力学进行研究。     

动力髋螺钉与经皮加压钢板固定股骨转子间骨折的三维有限元分析

[目的]通过三维有限元法对DHS及PCCP固定股骨转子间骨折的生物力学稳定性进行对比,为临床应用提供理论依据.[方法]建立Evans-JensenⅡ型骨折内固定三维有限元模型,研究不同内固定的yon Mises应力分布、股骨近端的von Mises应力分布及骨折面接触压力,分析骨折固定后生物力学稳定性.[结果]PCCP固定模型内固定的von Mises的总体应力较均匀,最大应力较小;股骨近端的von Mises的总体应力较均匀,未见明显应力集中现象;骨折面接触压力的总体应力较高,分布均匀.[结论] PCCP固定Evans-JensenⅡ型转子间骨折的生物力学稳定性较DHS更具优势.     

加长型PFNA内固定治疗股骨反粗隆间骨折的三维有限元研究

目的采用三维有限元方法分析加长型股骨近端防旋髓内钉(PFNA)内固定股骨反粗隆间骨折的生物力学特点,为股骨反粗隆间骨折的临床治疗提供理论依据。方法选取1名健康男性志愿者,进行股骨全长螺旋CT扫描,获取DICOM格式数据,用Mimics软件建立正常股骨模型,Creo Parametric软件建立加长型PFNA模型,再使用Geomagic Studio及3-matic软件生成加长型PFNA内固定股骨反粗隆间骨折有限元模型,最后利用ANSYS软件模拟计算各模型的应力及位移分布,进而分析加长型PFNA内固定股骨反粗隆间骨折的生物力学特点。结果加长型PFNA内固定股骨反粗隆间骨折模型应力分布与正常股骨模型接近,股骨两端应力相对较大,中段应力较小,骨折线两端应力分布均匀,以内侧骨皮质处应力最高。加长型PFNA模型应力主要集中于螺旋刀片、主钉近端及二者交界处,且主钉以远应力主要集中于内侧区域。加长型PFNA模型主钉位移在中段处最大,并向两侧递减,螺旋刀片以头部位移最大。结论加长型PFNA内固定股骨反粗隆间骨折的力学特点与正常股骨应力分布一致,内固定物可有效传导应力,符合股骨生物力学特点。     

股骨及髋臼纵向撞击伤的计算机模拟生物力学研究

目的建立具有生物力学特性的股骨及大部分骨盆三维有限元模型,探讨股骨远端发生撞击时响应过程及股骨各部和髋臼损伤的生物力学基础。方法采用GE多层螺旋CT对1例健康志愿者进行从骨盆上缘到胫骨平台部的CT扫描,三维影像重建,数据转换,运用自编程序与vtk软件相结合的方法,模仿刚体撞击股骨远端。分析在撞击时股骨干、股骨转子部、股骨颈和髋臼等部位的应力改变。结果当着力点位于股骨远端时,应力沿股骨干、股骨转子部、股骨颈向髋臼传导,并产生不同强度。前三部位应力达到峰值时间接近,髋臼应力发生延迟。结论股骨及髋臼纵向撞击伤的三维有限元模型可研究现实中难以反复再现的撞击状态;撞击中骨横截面积的变化和应力传导方向的改变会产生应力集中和梯度差,这可能是撞击伤的生物力学机制之一。     

三种股骨近端髓内钉固定股骨转子间骨折的有限元分析

[目的]通过三维有限元法对PFNA、PFNA -Ⅱ和InterTan3种股骨近端髓内固定系统固定股骨转子间骨折的生物力学稳定性进行对比,为临床应用提供理论依据.[方法]建立Tronzo-Evans Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ型股骨转子间骨折内固定三维有限元模型,研究不同内固定的yon Mise应力分布、股骨的von Mises应力分布并比较股骨及内固定模型内外侧应力峰值,分析骨折固定后生物力学稳定性.[结果]股骨近端应力分布与骨折类型有关;Tronzo-Evans Ⅰ型骨折3种内固定的固定效果无差异;Tronzo-EvansⅣ和V型骨折使用InterTan固定yon Mises应力分布均匀,生物力学稳定型较其他两者更具优势;内固定应力集中区域位于主钉与头钉接触点下方,其中InterTan yon Mises应力分布最大效应值最大,其次为PFNA-Ⅱ、PFNA; PFNA近端广泛呈现应力集中区域现象.[结论]InterTan治疗股骨转子间骨折时股骨端应力分布合理,尤其对Tronzo-EvansV型骨折较PFNA及PFNA-Ⅱ更具优势;PFNA固定模型应力分布不均,可能为与亚洲人髓腔不匹配所致.     

弹性模量及有限元分析在股骨颈骨折中的应用研究

目的探讨股骨颈骨折时一种骨折断端间剪力最小、加压力最大的理论最佳固定方法。方法首先建立人体股骨三维有限元模型并进行验证和分析；在股骨三维有限元模型的基础上加入弹性模量再建立股骨颈骨折模型及多种方法固定的有限元分析；最后对股骨颈骨折的多种固定方法进行生物力学实验研究。结果股骨的三维有限模型计算机理论应变和测定应变比较结果认为，二者趋势基本一致，模型的建立和实际情况十分接近，股骨颈处的压力骨小梁和股骨距是重要的承载结构；载荷的传导主要通过压力骨小梁和股骨距由股骨颈区传至股骨干的中下1／3处；股骨颈骨折时固定角度趋势为越低越好，2钉固定时竖放较斜放和横放好；3钉固定时为倒三角形最好；生物力学实验与有限元分析基本相符。结论三维有限元方法用于研究不规则物体是一种有效、准确的数值方法；股骨颈骨折采用的固定方法从生物力学角度讲应该采用低角度的倒三角形的三钉固定法。     

镍钛记忆合金无柄股骨假体的生物力学研究

[目的]评价新型记忆合金无柄股骨假体的生物力学特性.[方法]利用成人股骨的螺旋CT图像,使用CAD(计算机辅助设计)软件建立股骨的三维模型,根据股骨模型的结构设计新型记忆合金股骨假体.建立三维股骨模型、传统有柄假体及新型记忆合金无柄股骨假体有限元模型.在静态载荷及行走载荷下,对符种模型的Von Mises应力分布进行分析和比较.[结果]记忆合金无柄股骨假体股骨上的应力分布与正常股骨相近.记忆合金无柄假体股骨近端的应力明显大于传统有柄假体,与正常股骨的相近.记忆合金爪子本身的Yon Mises应力最大值仅为13.23MPa,应力分布较均匀没有应力集中的现象.[结论](1)记忆合金无柄假体具有优良的生物力学特性能有效避免应力遮挡效应的发生;(2)记忆合金爪子的固定方式能达到既固定可靠义减少应力集中现象的目的.     

股骨质量对人工髋关节置换之影响的三维有限元分析

目的　探讨股骨质量对非骨水泥型人工髋关节置换术后稳定性及应力变化的影响 ,论证三维有限元分析作为个体化假体选择临床前评价手段的可行性及价值。方法　采用三维有限元分析模型 ,对骨质正常骨与骨质疏松骨进行股骨应力、界面位移的计算 ,并与实验值比较。结果　正常骨的股骨应力比疏松骨的股骨应力大 ,非骨水泥有肩托假体 (NCC)能增加股骨矩处压应力 ,但同时大粗隆处应力减少。骨质量不同对应力改变的趋势没有影响。骨质量差者 ,界面位移大。三维有限元分析结果与生物力学实验结果比较接近。结论　三维有限元分析是目前被认为可以根据病人的股骨质量进行个体化假体选择的有前途的研究方法。骨质量是影响假体的初始稳定性及应力变化的因素     

骨质疏松患者全髋关节置换术后股骨应力变化的有限元分析

[目的]建立骨质疏松患者全髋关节置换术后股骨三维有限元模型,分析骨质疏松患者全髋关节置换术后股骨侧应力分布,为手术操作及假体的选择提供生物力学依据。[方法]采用64排螺旋CT扫描骨质疏松患者(骨密度检查提示)行全髋置换术后数据,建立骨质疏松患者全髋关节置换术后股骨三维有限元模型。对该模型进行模拟加载及仿真计算。分析骨质疏松患者全髋置换术后股骨的应力分布特点。[结果]骨质疏松患者行髋关节置换术后股骨侧应力分布由股骨近端向远端逐渐增大,应力峰值为股骨假体末端周围皮质,主要集中在假体末端与股骨内侧骨皮质交界处。通过有限元力学分析,在骨质疏松患者行关节置换术后,假体周围力学分布在各区域存在差异,差异有统计学意义(P<0.05)。[结论]通过对骨质疏松患者行全髋关节置换术后假体周围应力分布特点的分析,在手术操作过程中,应选择远端压配型假体,假体放置需避免内外翻,以减少假体远端与股骨皮质的应力集中区。     

CT扫描资料间接法建立股骨上段三维有限元模型

目的 建立正常人体股骨上段三维有限元模型，作为今后该部位进一步有限元分析的基础。方法 采用活体股骨上段为对象，应用CT扫描技术，图形数字化方法获取股骨上面三维坐标，输入有限元分析软件ANSYS5．6，通过确定材料特性参数和网格化，建立完整的股骨上段三维有限元模型。结果 建立的三维有限元模型几何形状与材料特性还原良好，网格大小可根据研究者的需要在一定范围内自行调整，可以满足有限元分析的需要。结论 采用CT扫描资料建立三维有限元模型切实可靠；间接法建立三维有限元模型比直接法更加简便，高效，可以更精确地模拟复杂几何形态的实体。     

有限元法分析后内侧骨折对近端股骨的力学影响

[目的]研究后内侧骨折对近端股骨的生物力学影响。[方法]利用CT扫描图像建立高度仿真的完整近端股骨的三维有限元模型,并在此基础上建立累及小粗隆和内侧皮质的后内侧骨折模型,并对模型进行有限元分析。[结果]后内侧骨折后股骨最大应力出现在骨折缺损的前内侧。单独小粗隆骨折后股骨颈上下、内外侧皮质应力无明显变化;骨折累及1/2内侧皮质后,内侧皮质最大等效应力显著升高约47%,外侧皮质应力升高约12%;内侧皮质完全累及时,内侧皮质应力升高约247%,外侧升高约66%。[结论]不同大小的后内侧骨折块对近端股骨的应力大小及分布影响不同。从力学角度考虑,用动力髋螺钉治疗粗隆间骨折时,可根据后内侧骨折块大小作适当处理。     

髓腔改变对股骨近端假体-骨界面应力的影响

目的 建立股骨近端假体-骨界面应力有限元分析模型.并对中国成年人股骨近端正常受力、翻修过程中扩髓条件下进行静态有限元分析.方法 运用逆向工程与有限元的理论.对CT图像采用了滤波、边界提取、二值化等方法进行处理,所得数据用CAD软件经过曲线重构、曲面重构、实体重构,加工出股骨应力模型.将不同载荷施加与假体-骨界面,改变股骨骨皮质的厚度、假体长度等参数,进行静态模拟应力分析.结果 建立起以国人股骨为基础的有效的假体-骨界面应力分布规律三维有限元模型.股骨的受力主要集中在小转子和大转子之间的股骨距分布区域,并且随着载荷的增加而递增;假体增粗至原来的120%时,股骨最大应力已经接近极限应力值.结论 构建的解剖型股骨假体-骨界面三维有限元模型,几何相似性好.模拟应力分析结果提示接受关节置换的患者应该尽量避免登山等接近加载量极限的活动;对于髓腔骨缺损严重的翻修患者提倡应用骨移植材料.谨慎采用增粗假体固定.     

Finite element analysis of impact loads on the femur

Objective: To investigate the stress distribution and fracture mechanism of proximal femur under impact loads. Methods: The image data of one male' s femur were collected by the Lightspeed multi-lay spiral computed tomography. A 3D finite element model of the femur was established by employing the finite element software ANSYS, which mainly concentrated on the effects of the directions of the impact loads arising from intense movements and the parenchyma on the hip joint as well as those of the femur material properties on the distribution of the Mises equivalent stress in the femur after impact. Results: The numerical results about the effects of the angleδof the impact loads to the anterior direction and the angleγof the impact loads to the femur shaft on the bone fracture were given. The angleδhad larger effect on the stress distribution than the angleγ, which mainly represented the fracture of the upper femur including the femoral neck fracture when the posterolateral femur was impacted. This result was consistent with the clinical one. The parenchyma on the hip joint has relatively large relaxation effect on the impact loads. Conclusions: A 3D finite element analysis model of the femoral hip joint under dynamic loads is successfully established by using the impact dynamic theory.     

酒精灭活骨复合人工假体治疗股骨远端骨巨细胞瘤及有限元分析

目的 探讨酒精灭活骨复合人工假体治疗股骨远端骨巨细胞瘤的临床疗效.方法 2007年1月至2008年10月应用酒精灭活骨复合旋转铰链膝关节治疗股骨远端骨巨细胞瘤5例,男3例、女2例;年龄22～40岁,平均29.6岁.3例为术后复发病例,2例伴病理性骨折.均为CampanacciⅢ级.选择1名18岁成年男性健康志愿者,利用...     

髋表面置换股骨侧假体外翻位植入后股骨近端应力变化的有限元分析

目的 探讨髋表面置换股骨侧假体外翻位植入后股骨近端的应力变化,并寻求最佳外翻植入角度.方法 建立正常股骨近端髋表面置换股骨侧假体(Wright假体)三维模型,其中股骨假体按解剖颈干角(本文选用股骨模型的生理解剖颈干角为135°)、外翻5°、10°、15°植入,加载关节合力及相关肌肉的肌力负荷,分析假体植入前后股骨近端的应力分布变化,并对股骨近端假体周围区域骨质应力分布进行分区量化研究.结果 股骨假体轻度外翻植入降低了股骨头颈交界处上方(2、8区)的应力,5°外翻植入股骨头上方假体杯下缘(1、7区)应力遮挡最小,股骨颈下方(4、10区)应力分布更接近正常股骨.结论 外翻5°植入假体股骨近端应力更接近正常股骨,降低了股骨颈骨折和假体松动的危险.     

上胫腓关节三维有限元模型的建立及对两型关节脱位的生物力学分析

背景：上胫腓关节是一个容易让人忽视的关节,临床上许多膝部的顽疾是由上胫腓关节的外伤或病变引起,研究其生物力学很重要。目前,新型高效的有限元研究方法尚未应用于上胫腓关节脱位的生物力学研究中。 目的：通过正常人的上胫腓关节CT扫描图像,建立两型（水平型和倾斜型）上胫腓关节的三维有限元模型,分析躯体受到由远端向近端的纵向作用力下,上胫腓关节处的应力分布,提供对活体上胫腓关节评估的新方法。 方法：选择2名（水平型和倾斜型各1名）均无上胫腓关节及膝关节外伤史的正常健康志愿者,进行64排CT扫描其上胫腓关节,运用逆向工程原理,通过三维有限元建模软件建立两型三维有限元模型。以上胫腓关节最常受力--沿纵轴受力,分别在两型三维有限元模型上进行力学加载,研究上胫腓关节处的应力分布,记录胫骨和腓骨出现明显相对位移（脱位）的作用力大小。 结果：成功建立了两型上胫腓关节的三维有限元模型,其加载后的应力主要分布于两型上胫腓关节的腓骨内侧部分及腓骨头中部偏外上的区域,沿纵轴作用力引起两型关节脱位的作用力为：倾斜型关节1250 N,水平型关节1850 N。 结论：倾斜型上胫腓关节较水平型上胫腓关节更易发生脱位,与文献的结果相一致。研究所用的两型上胫腓关节的三维有限元模型具有有效性,可作为力学分析的基础模型。     

活体人工髋关节假体植入位置的有限元分析

目的建立人工髋关节置换术后的三维有限元模型,分析假体和股骨的力学分布,为研究活体内假体及评估手术实施情况提供新的方法。方法选择1例生物型人工髋关节假体置换后志愿者,64排CT扫描髋关节,通过三维建模软件建立三维有限元模型,模拟单肢负重站立状态下的受力,分析假体和股骨的应力分布;实际植入位置为实验组,对假体植入的角度进行-10°、-5°、+5°、+10°的模拟作为对照组,研究相应位置的应力变化情况,并与实际手术情况进行对比。结果患者人工股骨头假体置换术后CT扫描图像建立的三维有限元模型,经受力比较发现并非为最佳植入位置。结论活体人工髋关节模型的应力分布是假体置换后的应力传导真实反映。人工髋关节活体建模可以对手术结果进行更为合理、可靠的分析。     

Curved beam model of the proximal femur for estimating stress using dual-energy x-ray absorptiometry derived structural geometry

The investigation of individual differences in hip strength requires a method to measure structural geometry in vivo and a valid analytical approach to calculate mechanical stress. We developed a method for deriving structural geometry of the femur from the proximal shaft through the femoral neck, using data from dual energy x-ray absorptiometry. The geometric properties are employed in a two-dimensional curved beam model of the proximal femur to estimate stresses on the lateral and medial bone surfaces. Stresses calculated by this method are compared with those from the conventional flexure formula and with results produced from a cadaver femur with use of three-dimensional finite element analysis of computed tomography data. Loading conditions simulating a one-legged stance and a fall on the greater trochanter are employed. Stresses calculated by curved beam theory are in much better agreement with three-dimensional finite element analysis than are those for which the conventional straight beam formula was used. In simulation of a fall on the greater trochanter, all three methods show peaks of stress at the femoral neck but only the curved beam and finite element analysis methods show an additional peak at the medial intertrochanteric margin. Both neck and trochanter regions correspond to common failure sites for hip fractures in the elderly. The curved beam treatment of hip structure derived from dual-energy x-ray absorptiometry provides an approach for the in vivo engineering analysis of hip structure that is not practical by other methods.