腰椎椎体有限元建模的最优单元尺寸和材料属性分布及建模方法

目的研究人体腰椎椎体有限元建模中有限元的单元尺寸和类型、松质骨材料属性分配方式以及皮质骨结构模拟方法对有限元结果的影响。方法基于定量CT扫描人体腰椎的影像,采用6种不同的单元尺寸(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm)、2种松质骨材料属性分配方法、2种松质骨非均匀材料属性分配梯度(150、300)、2种皮质骨结构建模方法,建立22个去除后部结构的腰椎L2段椎体有限元模型,计算获得22个有限元模型的最大位移、应变能、平均应力、轴向刚度,并对这些结果进行统计分析和验证。结果单元尺寸为0.5 mm时,10、150、300三种非均匀材料属性分配梯度下,模型的轴向刚度值出现明显差异;不同单元尺寸下,松质骨在150种非均匀材料属性分配梯度下,模型的平均应力波动变化平缓;利用最外层六面体单元模拟皮质骨结构方法,其平均应力大于利用在最外层添加蒙皮(skin)模拟皮质骨结构方法。结论在进行腰椎椎体有限元建模时,选取0.5 mm尺寸的六面体单元、为椎体松质骨分配150种非均匀材料属性、利用最外层六面体单元模拟椎体皮质骨结构的建模方法,建立的有限元模型更加合理和有效。研究结果为后续大批量、个体化腰椎椎体模型的建立奠定基础。     

不同材料赋值下股骨静力学有限元模型的力学仿真分析

文题释义： 材料赋值：由于人体骨骼结构复杂,由骨膜、皮质骨和松质骨构成,并且不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法。 股骨模型材料赋值：给股骨分配不同的材料属性成为建立个性化有限元模型的基本步骤,而且材料属性分配将对分析结果产生很大的影响。但是目前有关不同赋值方法对人体骨科生物力学仿真分析研究的影响还很少有全面系统的研究。 背景：不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法,而材料属性分配将对生物力学分析结果产生很大的影响。 目的：采用不同的材料属性赋值方法建立3种股骨有限元模型并进行有限元仿真分析,探究不同材料赋值方法对股骨有限元生物力学仿真分析的影响。 方法：采集志愿者股骨CT扫描数据,以DICOM格式文件导入Mimics医学影像处理软件重建股骨模型,对模型分别赋予3种不同的材料属性,即均一材料赋值、皮-松质骨赋值和灰度赋值,并将模型导入有限元分析软件Abaqus 6.14中,设置相同的载荷和边界条件进行应力及位移分析。 结果与结论：①3种股骨模型的应力输出结果相差不大,且均在合理范围内;②但是均一材料赋值股骨模型与皮-松质骨赋值股骨模型的最大应力主要分布于股骨干部位,而灰度赋值股骨模型的最大应力分布在股骨颈处,这也与现实状态下股骨骨折部位主要出现于股骨颈部位所吻合;③皮-松质骨赋值模型和灰度赋值模型输出的位移值基本一致;而均一材料赋值的股骨模型位移值最小,并且与其他2种模型位移量相差40%左右;④提示灰度赋值的方法能够较好地反映人体股骨的生物力学特性,从而可以更准确地模拟真实股骨的生物力学特征,这也为骨科生物力学进行有限元仿真建模提供了重要理论依据。 ORCID: 0000-0001-5075-7333(颜继英) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

基于三维重建技术及有限元分析的脊柱骨密度测量及其意义

目的探讨基于三维重建技术及有限元分析的测量骨密度的方法。方法以1具脊柱标本(C3～L5)进行高速CT薄层扫描,在Mimics中进行每个椎体的三维重建,在Ansys中进行体网格划分,在Mimics中赋予10、400种材料属性,输出至Ansys计算骨骼中每一种材料属性的体单元的体积,根据CT扫描的Hu值与骨密度的经验公式,计算标本质量及密度,对照组以电子天平测量(C3～L5)的质量。进行统计学处理。结果(1)对照组、10种及400种材料属性组C3～L5的密度值分别为0.62±0.09、0.5813±0.0806、0.5813±0.0805g/cm3;(2)单因素方差分析:对照组与赋予10、400种材料属性各试验组比较的P值均大于0.1,试验组组别之间P=0.997。结论(1)本试验方法可定量测量骨骼密度及其密质骨及松质骨密度值;(2)赋予骨骼10种材料属性即可达到测量要求;(3)本试验为骨密度与有限元分析的统一作初步准备。     

基于三维重建技术及有限元分析的骨密度测量

背景:为减少有限元分析的运算量,使之更具有临床实用性,前期试验对赋予材料属性进行了探讨,论证了赋予骨骼10种材料属性可以达到有限元分析的要求,同时发现通过有限元分析的方式,可以实现骨密度值的求解。目的:探讨基于三维重建技术及有限元分析测量骨密度的方法,对骨骼有限元分析的一般过程进行一定规范。方法:选用11侧股骨上段标本,对照组直接测量标本的质量;试验组将11侧标本进行高速CT薄层扫描,在Mimics10.0中进行三维重建,在Ansys中进行体网格划分,在Mimics中赋予10,100,400种材料属性,输出至Ansys计算骨骼中每一种材料属性的体单元体积,根据CT扫描灰度值与骨密度的经验公式,计算标本质量及密度,进行统计学处理。结果与结论:骨密度单因素方差分析结果显示,对照组与赋予10,100,400种材料属性各试验组差异均无显著性意义(P均0.28),试验组各组别之间差异均无显著性意义(P均0.8)。结果提示,该试验方法可定量测量骨骼质量、密度及骨密质和骨松质的比例,赋予骨骼10种材料属性即可达到测量要求,试验结果可为骨质疏松症的骨密度与有限元分析的统一作初步准备。     

基于Composite Femur三维有限元股骨模型的建立及实验验证

背景:随着计算机技术的发展,三维有限元分析越来越多地应用于骨骼生物力学的研究,股骨作为人体最大最粗的长骨具有典型生理意义,其生物力学问题需要深入研究。目的:建立长管状骨的有限元分析模型,并通过力学实验验证有关参数。方法:通过CT扫描3rd generation composite femurs,获得连续断层图片,导入MIMICS医学建模软件生成实体模型后,应用通用有限元分析软件进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型,约束边界条件,模拟受力状态进行加载,得出有限元模型上的应力与应变结果,并与实测实验结果对比。结果与结论:股骨有限元生成节点数为52 772,单元格为45 127,进行股骨干单向压缩实验仿真,有限元模型相对位移与验证实验和实验计算结果一致性良好。提示用MIMICS建立的股骨模型,在Ansys下进行有限元分析,得到的结果与生物力学基本吻合,说明建立的股骨模型是可靠的。     

不同形状种植体支持单端固定桥的三维有限元分析北大核心

背景:种植体的形状影响其生物力学表现,目前对种植支持式单端固定桥的研究多在相同形状种植体进行,对不同形状种植体支持的单端固定桥的比较分析较少。目的:利用三维有限元建模,分析圆柱形、锥形与膨胀式3种种植体支持的单端固定桥在下颌后牙区的生物力学特征。方法:分别建立圆柱形、锥形与膨胀式种植体支持单端固定桥及其支持组织的三维有限元模型,对单端固定桥轴向90°和颊舌向45°分别施加300 N的力,分析皮质骨、松质骨的von Mises应力及种植体-基台复合体的最大位移。结果与结论:①在轴向和颊舌向加载力下,3种模型皮质骨的最大应力峰值远大于松质骨,皮质骨的最大应力峰值均集中于近悬臂种植体远中颈部周围;②膨胀式种植体模型在皮质骨中的最大von Mises应力值最低,在轴向加载力下尤其明显,在松质骨中的von Mises应力值最高;③与轴向加载力比较,颊舌向加载力下3种模型皮质骨、松质骨的von Mises应力峰值及种植体-基台复合体最大位移均增大;在颊舌向加载力下,膨胀式种植体模型的种植体-基台复合体最大位移最小;④结果表明,膨胀式种植体支持的单端固定桥稳定性最好。     

均匀材料和基于CT灰度值材料的股骨、胫骨有限元分析

为了定量分析骨量分布与载荷环境的关系,基于CT数据建立了大鼠股骨和胫骨的三维有限元模型,并分别赋予均匀的材料特性和基于CT灰度值的材料特性,用描述骨密度与力学刺激关系的算法来评估简单生理载荷下两种材料模型的有限元分析结果。结果表明,基于CT灰度值模型的有效应力和应变能密度分布与CT灰度分布比较相似,相关系数也较均匀材料模型更高;而且,基于CT灰度值模型的抗断裂能力更强;除此之外,这类模型也更符合骨再造平衡时的力学刺激均匀性假设。基于CT灰度值的有限元模型符合骨的功能适应性原理,可用于进行骨骼内部受力、变形和断裂分析,以及骨再造的数值仿真等研究。     

面向个性化椎间融合器生物力学评价的有限元建模因素影响分析

目的有限元分析已广泛应用于个性化椎间融合器生物力学的评价和优化。针对有限元建模过程中存在的耗时长、计算要求高、参数选择依赖主观经验的问题,本文研究有限元建模因素对仿真结果的影响,为提高个性化椎间融合器生物力学评价中有限元建模效率提供科学依据。方法以L3、L4节段腰椎融合器设计与优化为例,选择韧带模拟方式、模型网格大小、椎体皮质骨厚度、椎体松质骨材料赋值、椎体小关节摩擦系数、融合器与椎体连接方式六种不同建模因素作为分析对象,根据相关文献中对不同因素的处理方法,采用正交实验设计建立18个有限元模型,比较不同因素对计算结果影响。结果采用融合器上的最大von Mises应力为分析指标时,韧带模拟方法、椎体小关节摩擦系数、融合器与椎体连接方式对计算结果有显著影响;采用椎间融合器最大沉降位移为分析指标时,韧带模拟方式、融合器与椎体连接方式对计算结果有显著影响;在满足一定条件下,网格大小、皮质骨厚度、松质骨材料属性对上述两种指标的影响不显著。结论在本文所研究的腰椎融合器有限元建模的6个因素中,韧带的模拟类型、椎体小关节间摩擦系数、融合器与椎体连接方式是需要重点考虑的因素。本文提出的基于正交实验设计的评价建模因素影响的方法,可以为个性化植入介入器械有限元建模过程的参数优化选择提供参考。     

人股骨上段三维有限元模型的建立

根据螺旋CT二维图像,建立可供有限元结构仿真分析的人股骨三维有限元模型.应用螺旋CT对人股骨进行扫描,对扫描图像应用Adobe Photoshop 9.0提取密质骨、松质骨的边缘,形成坐标数据库后,再应用UGS NX3.0调用坐标数据建立人股骨上段三维几何模型和网格划分.通过UGS NX3.0剖切和隐藏技术分别显示人股骨密质骨、松质骨和骨髓腔以及各结构间的界面的三维几何形态和有限元模型.利用CT、Photoshop、 UGS、数据库等工具和方法,能方便地和较真实地重建复杂的骨骼三维几何模型和有限元模型.     

不同材料赋值属性下髋关节有限元分析

目的 探讨 3 种不同建模方式对髋关节有限元模型生物力学特性的影响,研究出更符合实际的髋关节的材料属性赋值方法。 方法 对髋关节模型进行三维重建,分别采用皮-松质骨赋值法、均一赋值法和灰度赋值法完成材料参数赋值,设定相同的边界条件和载荷,模拟单腿站立位状态下髋关节受力情况,对比 3 组模型的髋关节应力和形变情况。 结果 3 种不同建模方式下髋关节应力均集中于股骨颈内侧,皮-松质骨赋值法、均一赋值法、灰度值赋值法模型 von Mises 应力峰值分别为 11. 04、3. 91、4. 25 MPa。 皮-松质骨赋值法模型最大形变位于股骨大粗隆上部,髋臼与股骨头处最大形变值为 0. 27 mm。 均一赋值法模型及灰度值赋值法模型最大形变位于髋臼与股骨头处,最大形变值分别为 0. 11、0. 12 mm。 结论 根据髋关节 CT 数据灰度值进行梯度赋值,使得髋关节模型材料属性分布更接近骨骼真实的材料属性。     

基于显微CT的骨微观三维变形场测量系统的研究

目的初步构建一套集成显微CT与力学加载装置的测试系统,结合数字体相关技术(digital volume correla-tion,DVC)实现骨组织内部微观三维变形场的测量。方法选用微型力学加载装置进行单轴压缩试验,维持载荷不变的同时对试样进行CT扫描;采用DVC方法对连续CT图像序列进行相关匹配和搜索计算,测量载荷变化前后试样内部结构沿三维方向的微观位移值;通过零位移重复扫描和刚体平移评价该系统的测量精度及准确度;利用该系统测试牛松质骨块的三维位移场分布。结果零位移重复扫描结果显示该系统测量加载方向的位移准确度最高,测量精度低于CT扫描分辨率的1/10;刚体平移结果显示计算位移标准差为0.001～0.002μm;松质骨块测试区域在600 N载荷作用下沿加载方向的微观位移范围为100.35～110.25μm,位移场呈现多层逐级分布。结论该系统能够满足数字体相关法测量位移的准确度及精度要求,能够实现骨组织内部微观结构的三维变形场测量,可以作为进一步研究骨组织内部变形分布与结构成分响应关系的测量平台。     

骨水泥不同分布对骨质疏松性椎体压缩性骨折的生物力学影响:三维有限元分析

目的:在骨质疏松性椎体压缩性骨折（OVCFs）椎体成形术（PVP）中,病椎内骨水泥分布不充分、不对称,将影响手术效果及远期症状。本文研究椎体成形术中骨水泥在椎体内分布情况对术后病椎的应力影响。方法:利用志愿者椎体CT数据,建立T12~L2椎体有限元模型。模拟L1椎体OVCFs,行PVP。向L1椎体内注入骨水泥柱,骨水泥形成3组分布模式（骨水泥分布不充分组、分布充分组和分布不对称组,其中分布不对称组包括骨水泥偏上分布和偏下分布）。研究不同方向运动对术后L1椎体的生物力学影响。结果:（1）与骨质疏松的L1椎体应力相比,术后L1椎体松质骨中最大应力的分布主要集中于骨水泥周围的松质骨,而皮质骨中最大应力的分布没有变化。（2）与骨水泥分布充分组相比,不充分组L1椎体的松质骨和皮质骨的最大应力和最大位移均显著增加,而不对称组中松质骨的最大应力显著增加。（3）在不同方向的载荷条件下都能得到相似的结果。结论:（1）在OVCFs的PVP中,病椎骨水泥分布不充分会引起术后该椎体最大位移明显增加,导致术后疼痛未缓解。（2）病椎骨水泥分布不充分和分布不对称会引起术后病椎皮质骨及松质骨的最大应力明显增加,所以容易导致术后病椎的再次骨折。     

Comparison of an inhomogeneous orthotropic and isotropic material models used for FE analyses

Finite element (FE) analysis has been widely used to study the behaviour of bone or implants in many clinical applications. One of the main factors in analyses is the realistic behaviour of the bone model, because the behaviour of the bone is strongly dependent on a realistic bone material property assignment. The objective of this study was to compare isotropic and orthotropic inhomogeneous material models used for FE analyses of the "global" proximal femur and "small" specimens of the bone (cancellous and cortical). Our hypothesis was that realistic material property assignment (orthotropy) is very important for the FE analyses of small bone specimens, whereas in global FE analyses of the proximal femur, this assignment can be omitted, if the inhomogeneous material model was used. The three-dimensional geometry of the "global" proximal femur was reconstructed using CT scans of a cadaveric femur. This model was implemented into an FE simulation tool and various bone material properties, dependant on bone density, were assigned to each element in the models. The "small" specimens of cortical and cancellous bone were created in the same way as the model of the proximal femur. The results obtained from FE analyses support our above described hypothesis.     

Finite element analysis of the strain distribution in the humeral head tubercles during abduction: comparison of young and osteoporotic bone

Aim

The aim of this work was to design an accurate 3D digital model of the humerus and rotator cuff muscles. This model was then used to study strain distribution in humeral tubercles according to bone density.

Materials and methods

The geometry of bone and muscle structures was reproduced using SURFDRIVER© software, based on anatomical sections, CT scans and MRI images from the Visible Human Project image library. The contours were transferred to PATRAN© software to rebuild volumes and mesh them. Calculations of strains and their distribution were performed using NASTRAN© software. All the elements were considered to be isotropes.

Results

The study of the distribution of stress magnitude according to the type of bone modeled, shows that some stresses in cortical bone are greater than those in cancellous bone and are also greater in old bone, implying more deformation in old bone at constant force. This study also shows that stresses do not penetrate deeply into cancellous tissue.

Conclusion

Observing the simulation results led understanding of the pathology of certain fractures of the proximal end of the humerus. This study also helped explain why certain types of osteosynthesis fail due to tubercles reconstruction failures.     

基于不同应变判定准则模拟皮质骨断裂的准确性

文题释义：基于等效应变断裂模拟：即在大鼠股骨皮质骨断裂模拟过程中，应用皮质骨有限元模型在外部载荷作用下所产生的等效应变数值，与皮质骨组织的失效应变进行对比，当等效应变数值大于皮质骨组织失效应变时，有限元模型内的单元便发生失效，直至失效单元达到一定数量，模型便发生整体失效，此过程为基于等效应变的断裂模拟。 基于主应变断裂模拟：即在大鼠股骨皮质骨断裂模拟过程中，应用皮质骨有限元模型在外部载荷作用下所产生的主应变数值，与皮质骨组织的失效应变进行对比，当主应变数值大于皮质骨组织失效应变时，有限元模型内的单元便发生失效，直至失效单元达到一定数量，模型便发生整体失效，此过程为基于主应变的断裂模拟。 背景：由于意外碰撞等外力因素所产生的皮质骨裂纹是引起骨折的重要原因之一，要防止此类骨折发生，首先需弄清不同载荷作用下皮质骨裂纹的产生与扩展机制。由于实验分析对样本具有破坏性，难以同时了解骨结构在断裂前后的内部力学状态，找到一种能够准确模拟皮质骨从裂纹产生、扩展，直至断裂过程的有限元方法就显得尤为重要。当前模拟方法主要应用主应变或等效应变判定模型单元力学状态，继而进行断裂模拟，却鲜有关于这2种应变进行模拟准确性的探究。 目的：验证应用主应变与等效应变进行皮质骨断裂模拟的准确程度。 方法：结合实验与仿真分析，应用主应变与等效应变进行皮质骨断裂模拟，将仿真与实验结果进行对比，确定应用哪种应变进行模拟更加准确。 结果与结论：①应用主应变模拟的皮质骨断裂时间要明显晚于应用等效应变；②通过与实验对比发现，相比主应变，应用等效应变进行仿真所得结果与实验值更为接近；③因此，应用等效应变进行皮质骨断裂模拟相对更加准确。 ORCID: 0000-0003-0313-1359(王伟军) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程     

有限元分析中软组织力学参数的设定及验证

目的提供软组织超弹性材料参数并探讨优化方法,为有限元分析(finite element analysis,FEA)冲击研究中软组织显式求解的准确模拟提供参考。方法测定6具足底软组织标本抗压性能,以实验数据计算FEA材料参数,利用泊松比对材料参数进行优化。设置与体外实验相同工况的FEA模型进行模拟。利用实验及文献报道数据对模拟结果进行验证。结果软组织体外实验中力-位移曲线呈指数增长。FEA模拟与实验结果相比,压缩率≤45%时,结果相一致;在压缩率>45%时,材料泊松比愈接近0.5,FEA模拟的准确性越高。泊松比为0.497时,FEA模拟与体外实验结果有较强线性相关关系(R2=0.9923)。结论本研究中材料参数模拟效果良好。在较低压缩率下,计算结果与体外实验的结果相一致;在较高压缩率下,提高材料泊松比可增加FEA模拟准确性。     

Experimental study of damage and fracture of cancellous bone using a digital speckle correlation method

Cancellous bone is a widespread structure in a creatural body, for instance, in the femoral head and spondyle. The damage evolution and crack growth of cattle cancellous bone were studied under three-point-bending load conditions. A series of speckle images with deformation information surrounding the crack tip were recorded, and the full-field displacement distributions were obtained at different loading levels by means of digital speckle correlation method (DSCM). Characterizations of the damage deformation and fracture of cancellous bone were analyzed. These results provide some useful information for studying the fracture behavior of cancellous bone.