侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应

目的利用三维有限元分析方法研究股骨-骨盆复合体在人体侧向摔倒时冲击载荷作用下的生物力学行为特性。方法基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织;同时,构建一个刚体平面仿真地面。约束地面刚体,对整个股骨-骨盆-软组织复合体模型施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms。通过三维有限元分析计算获得股骨-骨盆侧摔冲击过程中应力应变变化特性。结果在13 ms时,股骨大转子处软组织与地面的接触力达到最大值7 656 N,对应的骨盆软组织上的最大等效应力值为2.64 MPa。冲击过程中,耻骨联合处骨皮质上等效应力出现极大值,为142.64 MPa,接近其屈服强度;股骨颈和大转子处应力水平较高,股骨颈处皮质骨上的最大等效应力值为76.49 MPa;股骨颈处松质骨上的最大等效应力值为8.44 MPa,最大压缩应变值为0.94%;股骨大转子处松质骨上的最大等效应力值为8.50 MPa,最大压缩应变值为0.93%。结论人体股骨-骨盆复合体在侧摔减速冲击载荷作用下股骨颈、大转子及耻骨联合处易出现骨折。     

肿瘤型膝关节置换后股骨-假体-胫骨复合体生物力学响应

目的研究肿瘤型铰链式膝关节置换术后股骨-假体-胫骨复合体正常站立状态下的生物力学响应,探讨病人术后发生股骨穿孔的原因,为肿瘤型铰链式人工膝关节假体的优化设计与制造提供理论基础。方法兼顾CT及三维光学扫描数据建立股骨远端骨肉瘤瘤段切除肿瘤膝关节置换后的病人股骨-假体-胫骨有限元模型,并进行相关有效性验证,从而进一步分析人体站立状态下股骨-假体-胫骨复合体的应力分布及应力遮挡现象。结果 (1)在站立加载状态下,相对胫骨,股骨的应力明显更大且集中分布趋势显著,股骨前1/3区域应力较大,呈现应力遮挡效应。(2)由于模型基于临床病人几何及骨质特征建立,股骨应力集中位置与临床中病人股骨穿孔位置接近,表明在施加自身重力状态下可能发生与病人病症一致的股骨损伤行为。结论肿瘤型铰链式膝关节假体植入后,由于假体髓针深入骨髓腔,正常站立状态下亦对骨髓腔产生一定的压力;由此产生的应力遮挡效应以及假体髓针与特定骨髓腔的匹配情况均可能引起股骨应力集中,从而将可能引起股骨开裂,甚至穿破,影响手术质量。建议术前优化假体设计以减轻或避免此类现象,从而减少术后患者的并发症发生率。     

冲击条件下骨盆动脉损伤有限元模型的建立及验证

目的 构建并验证含动脉的骨盆-股骨-软组织复合体的三维有限元模型,研究骨盆动脉在侧向冲击条件下的力学响应。方法 基于1名女性志愿者的骨盆CT图像,建立骨盆及其动脉的三维有限元模型,包括骨、动脉、周围软组织以及骶髂关节、髋关节和耻骨联合等骨盆关节软骨和韧带。采用线弹性实体单元模拟骨骼,采用非线性的弹性连接单元模拟韧带,软组织包括软骨、包裹软组织和动脉等采用超弹性材料和实体单元仿真。以22.1 kg的冲击质量,3.13和5 m/s的冲击速度对坐位下的复合体进行侧面碰撞,记录模型的输出。结果 计算结果与文献报道的实验结果一致。3.31和5 m/s冲击速度下动脉的最大等效应力分别为98和216 kPa,最大拉伸应变为14.9%和20%,但不至于导致动脉断裂。结论 所建立的骨盆-股骨-软组织复合模型可用于冲击载荷下骨盆动脉的动态响应和损伤分析,为预测动脉损伤程度提供生物力学依据。     

外旋载荷对骨盆作用机制的三维有限元分析

目的利用骨盆的三维有限元模型研究外旋应力对骨盆的作用机制。方法 1例健康成年男性志愿者进行PET-CT扫描,结果以DICOM格式输出,在PC机上进行三维重建,建立正常骨盆的有限元模型。对模型施加外旋载荷,经计算得到应力、应变及位移云图。结果水平向后加载500N于左侧髂前上棘,应力沿两条途径传导:一条是向内后方经同侧骶髂关节前部至骶骨上部,另一条是向前方经耻骨支、耻骨联合至对侧耻骨;且骨盆前环受力较大。应变以同侧骶髂关节前下方最大,前方的耻骨联合处应变也较大。位移以受力点同侧髂前上棘处最大,同侧髂骨、坐骨及耻骨支位移均较大。结论外旋载荷易造成耻骨支骨折、骶髂关节损伤,或骶骨压缩骨折。     

不同载荷作用下头部生物力学响应仿真分析

目的建立符合解剖结构的人颅骨三维有限元模型,研究多种载荷作用下头部生物力学响应。方法通过建立具有解剖结构的高精度头部有限元模型,颅骨采用能模拟骨折的弹塑性材料本构模型,结合已发表的正面冲击颅内压实验、动态颅骨骨折实验、头部跌落实验结果,仿真再现实验过程中头部受冲击载荷作用下的生物力学响应、颅骨骨折及头部不同速度下的跌落响应。结果前碰撞表现出冲击与对冲侧正-负颅内压分布,相近载荷下枕骨变形比前额、顶骨严重,跌落中速度越快损伤越大。结论建立精确解剖结构的头部有限元模型可以较好模拟头部在冲击、跌落等载荷下的生物力学响应。通过量化接触力、颅内压力等参数来评价头部损伤风险,为防护系统的设计提供科学依据。     

120垂直载荷下静力位正常骨盆的生物力学研究

目的探讨静力位正常骨盆在垂直载荷下的生物力学情况,为骨盆骨折各种生物力学测试提供生物力学参数.方法5具骨盆标本应用应变电测法,在不同载荷作用下对正常国人骨盆应变分布、刚度及位移进行测定,采集8个反复1500N载荷情况下骨盆的各个部位的应变值进行比较.结果骶髂关节处应变最大,骨盆能承受2000N以上的载荷,在8次1500N的反复载荷下,骨盆的刚度和应变未出现明显改变.结论垂直载荷下,骶髂关节处应变最大,为骨折的好发部位,正常骨盆的极限失效点在2000N 以上,1500N 的垂直载荷位于骨盆的弹性区间之内.     

正常髋部与佩戴保护支具髋部的有限元对比分析

背景：有限元法因其具有不受样本量限制,实验误差小,重复性好等优点而成为防滑倒生物力学研究的重要手段。 目的：建立正常骨盆以及佩戴护具骨盆的三维有限元模型,分析滑倒过程中骨盆各部位的应力、应变和位移分布,验证护具的有效性。 方法：以中国数字人原始资料应用Abaqus 6.51软件构建正常骨盆以及佩戴护具骨盆的三维有限元模型,固定约束地面刚体,对整个骨盆模型加载2 m/s的速度载荷,程序运算后观测骨盆模型佩戴护具前后的应力、应变及位移随时间的变化规律和分布云图。 结果与结论：与未佩戴护具比较,佩戴护具时滑倒过程中骨盆与地面的接触力、骨盆与地面产生最大接触力时松质骨最大压缩应变、大转子以及股骨颈周围应变最大值、大转子和股骨颈附近的最大von-Mises应力值、大转子和股骨颈处的平均应力值等均明显减小。提示髋部保护支具对大转子具有保护作用,能有效降低人体滑倒时转子间骨折的发生率。     

在静力作用下人体两侧股骨与骨盆模型应力分布实验研究

本文报道了应用实验应力分析法在３００Ｎ、６００Ｎ、９００Ｎ力作用下对正常国人股骨和骨盆模型进行应力分布测定。定量给出了人体两侧股骨与骨盆结构模型各部位的线应变、主应变、主应力、主应力方向角度。确定了该结构模型的骨折好发部位。为预防人体两侧股骨与骨盆结构的损伤和设计内、外固定器械提供生物力学参数     

垂直应力作用下骨盆旋转位时的生物力学研究

目的运用生物力学实验技术在扭转实验机上对垂直并旋转不稳定型骨盆骨折的生物力学特点及其发病机制进行了初步探讨。方法选取正常成人骨盆实验标本12具,模拟正常人在单纯垂直应力作用下、单纯旋转应力作用下、垂直并旋转应力作用下、不同工况时,骶髂关节、髋臼、耻骨支等骨盆关键部位的受力状况,用应变仪获得骨盆各关键点的主应变、主方向,以及骨盆的极限应力及极限扭矩。结果①单纯垂直压缩状态下,在骨盆环结构中,骶髂关节附近(尤以骶骨侧)承载压、拉应变最大,耻骨、坐骨支最小。②单纯扭转状态时,骨盆各点所受拉应变明显增加,尤以耻骨上支处增加最为明显;各实验点中以左骶髂关节髂骨侧所受拉应变最大,而左骶髂关节骶骨侧所受压应变最大,且应变值随着扭矩增加而增加。③骨盆标本在单纯垂直应力状态下的屈服点载荷均值为2860N,极限载荷3600N;在单纯扭转状态下的屈服点扭矩均值为12.5°,极限扭矩15°。④无论在垂直应力或扭转应力下,髋臼前柱应变值均明显高于后柱。⑤耻骨支仅参与维持骨盆环的旋转稳定性,而骶髂关节对于维持骨盆环的垂直及旋转稳定性均至关重要。结论①垂直应力作用下骨盆旋转位时各实验点应变值远高于单纯垂直应力状态或单纯扭转状态。②骶髂关节等后环结构对于维持骨盆环在垂直及旋转应力下骨盆环的稳定性至关重要。     

静态应力作用下骨盆侧方撞击的生物力学研究

目的构建侧方静态应力作用下骨盆骨的尸体模型,运用生物力学试验技术在垂直应力试验机上对单纯侧方受力导致的旋转不稳定骨盆骨折的生物力学特点及其发病机制进行初步探讨。方法选取正常成人骨盆试验标本12具,其中男性7例,女性5例;年龄45～68岁,平均年龄57.32岁。分为2组,每组6具。构建侧方撞击的生物力学模型,测量单纯静态侧方应力作用于髂嵴或股骨大粗隆时,不同工况下骶髂关节、髋臼、耻骨支等骨盆常见骨折部位的受力状况,用应变仪获得各试验点的主应变、主方向、垂直位移,以及测量静态应力下骨盆骨折阈值,并构建应变-时间曲线。结果①500 N静态侧方应力作用于髂嵴时,骨盆环结构中固定侧髂骨翼,对侧耻骨上支承载压（397±43）、拉应变（113.2±11.4）最大,受力侧坐骨支应变最小（23±7）;髂骨翼位移最大（4.6 mm）,髂嵴在静态侧方应力作用下的极限载荷（3 752±425）N;②股骨大粗隆在500 N静态侧方应力作用下,在骨盆环结构中,对侧耻骨上支承载压（277±31）、拉应变（401±53）最大,受力侧髂骨应变值最小（35±11）;左耻骨支位移最大（2.3 mm）。股骨大粗隆在侧方应力作用下的极限载荷（4 207±617）N;③静态侧方应力作用于股骨大粗隆时产生的骨盆各点位移均小于作用于骨盆髂嵴时产生的位移。结论①耻骨支及耻骨联合等骨盆前环结构对于维持侧方应力下骨盆环旋转稳定性至关重要。②生物力学试验能较好地反映静态侧方应力撞击下骨盆骨的生物力学特性。     

Simulation of hip fracture in sideways fall using a 3D finite element model of pelvis-femur-soft tissue complex with simplified representation of whole body

Hip fractures due to sideways falls are a worldwide health problem, especially among the elderly population. The objective of this study was to simulate a real life sideways fall leading to hip fracture. To achieve this a computed tomography (CT) scan based three-dimensional (3D) finite element (FE) model of the pelvis–femur complex was developed using a wide range of mechanical properties in the bone of the complex. For impact absorption through large deformation, surrounding soft tissue was also included in the FE model from CT scan data. To incorporate the inertia effect, the whole body was represented by a spring-mass-dashpot system. For trochanteric soft tissue thickness of 14 mm, body weight of 77.47 kg and average hip impact velocity of 3.17 m/s, this detailed FE model could approximately simulate a sideways fall configuration and examine femoral fracture situation. At the contact surface, the peak impact load was 8331 N. In spite of the presence of 14 mm thick trochanteric soft tissue, within the trochanteric zone the most compressive peak principal strain was 3.5% which exceeds ultimate compressive strain. The modeled trochanteric fracture was consistent with clinical findings and with the findings of previous studies. Further, this detailed FE model may be used to find the effect of trochanteric soft tissue thickness variations on peak impact force, peak strain in sideways fall, and to simulate automobile side impact and backward fall situations.     

脑组织本构模型及其生物力学特性分析

在交通事故中,颅脑损伤因其高发率和高致命率成为最严重的损伤。颅脑有限元模型成为开展头部损伤研究的重要工具。模型中脑组织所应用的本构模型及材料属性是决定颅脑损伤预测结果的关键因素。本文旨在针对应用于模拟脑组织的本构模型和材料属性进行综述,从而深入理解脑组织生物力学特性,为颅脑损伤的有限元研究提供参考。     

The effect of motion patterns on edge-loading of metal-on-metal hip resurfacing

The occurrence of pseudotumours (soft tissue masses relating to the hip joint) following metal-on-metal hip resurfacing arthroplasty (MoMHRA) has been associated with high serum metal ion levels and consequently higher than normal bearing wear. We investigated the relationship between serum metal ion levels and contact stress on the acetabular component of MoMHRA patients for two functional activities; gait and stair descent. Four subjects with MoMHRA, who had their serum metal ion levels measured, underwent motion analysis followed by CT scanning. Their motion capture data was combined with published hip contact forces and finite element models representing 14% (peak force) and 60% (end of stance) of the gait cycle and 52% (peak force) of stair descent activity were created. The inclination angle of the acetabular component was increased by 10° in 1° intervals and the contact stresses were determined at each interval for each subject.When the inclination angle was altered in such a way as to cause the hip contact force to pass through the edge of the acetabular component edge-loading occurred. Edge-loading increased the contact stress by at least 50%; the maximum increase was 108%. Patients with low serum metal ion levels showed no increase in contact stress at peak force during gait or stair descent. Patients with high serum metal ion levels exhibited edge-loading with an increase to the inclination angle of their acetabular components. The increase in inclination angle that induced edge-loading for these subjects was less than the inter-subject variability in the angle of published hip contact forces. The results of this study suggest that high serum metal ion levels are the result of inclination angle influenced edge-loading but that edge-loading cannot be attributed to inclination angle alone and that an individual's activity patterns can reduce or even override the influence of a steep acetabular component and prevent edge-loading.     

不同支撑杆数目腔静脉滤器的生物力学性能和血流动力学分析

目的利用有限元与计算流体动力学的方法,分析不同支撑杆数目腔静脉滤器在植入过程中与血管的相互作用机制及对血流的影响,为滤器的临床治疗及设计开发提供更加科学的参考。方法应用Solidworks软件建立支撑杆数分别为4、6和8杆的3种滤器模型;应用ABAQUS软件模拟分析3种滤器在工作状态下血管与滤器表面上的应力分布以及径向支撑刚度;应用Fluent软件模拟分析3种滤器在血管内工作时血流流速、压力、剪应力的分布。结果 3种滤器的各项力学性能和流体性能都在安全范围内。6杆滤器的综合性能相对较好;8杆滤器工作时所受应力、支撑强度、出口速度、过滤网上的剪应力均较大,流迹状态逐渐由层流向过度流变化,容易造成血管壁的损伤;4杆滤器在工作时对血管的应力较大,出口速度较低,容易造成局部血管壁的损伤,并且不利于滤器在血管病变部位的正确定位。结论 6杆滤器具有较好的血流动力学效果和综合力学性能,潜在降低了滤器植入后对血管壁的损伤及本身破裂的可能性。腔静脉滤器的模拟分析为滤器的设计和临床选择提供良好的参考依据。     

髋臼发育不良者全髋置换中臼杯置入位置的力学分析

目的　利用三维有限元分析方法,研究髋臼发育不良患者加深磨锉假体置入部位的髋臼骨床、使臼杯假体内移置入对髋臼假体-骨界面间的应力分布情况的影响。  方法　选取髋关节发育不良患者的骨盆为实验对象,螺旋CT做全长连续扫描,然后利用计算机仿真技术对CT图像进行三维重建,建立髋关节发育不良骨盆模型。在计算机环境中对重建模型进行髋臼磨锉,臼杯假体不同程度内移植入的模拟手术,利用有限元分析软件SolidWorks对重建模型进行有限元网格化及力学分析。  结果　臼杯假体的内移使臼杯上缘处获得骨床包容,臼杯接触面积更大,单位面积所受应力相对较少。随内移程度加大,髋臼内壁骨质突破更为明显,使髋臼顶部应力集中及其余部分应力不均愈趋明显。  结论　髋臼加深磨锉臼杯内移植入有助于改善髋关节发育不良病例行髋关节置换臼杯的骨床包容,但随内移程度的加大,髋臼内壁突破,髋臼面的应力集中,髋臼的应力分布情况明显改变,应尽量减少穿破的程度。     

波峰数目对Z型覆膜支架生物力学性能影响

目的分析Z型覆膜支架波峰数目对覆膜支架生物力学性能,尤其对径向支撑性能及柔顺性影响,为Z型覆膜支架设计以及临床选择提供理论支持。方法通过有限元方法,建立4种不同波峰数目(5、8、10、12)的Z型覆膜支架有限元模型,分别施加径向位移载荷和绕z轴40°转动变量以完成压握和弯折的模拟,并提取支架应力、径向支撑力、覆膜应变、横截面变形程度及弯矩作为评价参数。结果相比波峰数目较多的覆膜支架,压握过程中5波峰覆膜支架具有最大的径向力,提供良好的径向支性能;5波峰覆膜支架在弯折模拟中产生了68 N·mm的最小力矩及67.5%的最小弯折横截面变形程度,并且在弯曲过程中覆膜的拉伸应变较小。结论 Z型覆膜支架波峰数目对覆膜支架生物力学性能的影响显著。波峰数目相对较少的Z型覆膜支架在径向支撑性能及弯曲力矩、横截面形变程度等柔顺性评价方面表现出优势,有利于覆膜支架在血管内的固定贴合,对减少血栓和内漏等并发症具有积极意义。研究结果可以指导Z型覆膜支架优化设计及手术最优选择。     

不同咬合方式下人体下颌骨膜下种植体的生物力学特性

目的研究骨膜下种植体在4种咬合力作用下的生物力学特征,为临床病例骨膜下种植体个性化设计提供基础。方法在下颌骨三维实体模型的基础上,分别建立网状基底骨膜下种植体(种植体1)和带状基底骨膜下种植体(种植体2)。研究在4种荷载作用下两种种植体的应力分布。结果种植体1在荷载Ⅳ作用下最大应力可达230.42 MPa,种植体2在荷载Ⅰ作用下最大应力可达311.11 MPa。网状基底种植体具有较好的抗垂直荷载能力,而带状基底种植体具有较好的抗斜向荷载能力。结论在种植体设计时可以通过合理布置基台个数和间距来有效控制种植体上的应力,同时应使基台与下颌牙槽嵴垂直,以保证斜向荷载水平分力不被放大。此外,还应保证基底对基台有足够的约束,避免因约束不足导致基台底部应力过大。在义齿制作过程中,应保证全口义齿做正中、前伸、侧方咬合时必须多点接触,使咬合处于平衡状态,达到减小接触面拉应力的目的。