正畸力作用下上颌尖牙生物组织应力的三维有限元分析

建立了包括牙齿、牙周膜、牙髓、牙槽骨的上颌尖牙三维有限元模型 ,对不同加力方式下牙周组织的应力分布进行对比研究。目的是用较为先进和准确的双螺旋 CT法建立尖牙的三维有限元应力分析模型 ,为正畸治疗提供更为准确的数据并为模拟尖牙在正畸力作用下移动过程的模拟初态建立更为精确的模型。     

关节盘移位对颞下颌关节内应力分布的影响

目的 通过对不同关节盘移位的数值模拟,探究各种移位情况下颞下颌关节（temporomandibular joint,TMJ）内各结构的应力分布规律。方法 依据CT图像,建立包含下颌骨、全牙列、关节盘和关节软骨的正常TMJ三维有限元模型;参考关节盘前、后、外、内移位的临床特征,建立对应的4个模型。关节盘与关节软骨间考虑接触,用缆索元模拟下颌韧带和关节盘附着,施加正中咬合荷载。结果 前移位将导致关节盘中带产生过高的压应力,达到3.23 MPa;后、内、外移位时关节盘的整体应力水平比前移位和正常TMJ高;各种移位都使关节结节后斜面的应力值大幅度增加,但对髁突关节面的影响却不大。结论 各种移位都将导致关节盘和关节结节后斜面产生过高的应力,且后、内、外移位更为危险,更容易造成关节结构和功能的损伤。     

转矩作用对微植体矫治力系内收上前牙影响的三维有限元研究

目的研究转矩力的作用对于微植体矫治力系内收上前牙的影响。方法利用MIMICS软件和有限元软件ABAQUS,建立微植体矫治力系的有限元模型,并在该模型上计算分析有无转矩及转矩作用区域对中切牙和侧切牙移动趋势的影响。结果不加转矩时,中切牙和侧切牙都表现出舌向倾斜的趋势。在100g·cm转矩力的作用下,随着转矩作用区域的增大,中切牙的唇向移动趋势逐渐减小,侧切牙由舌向移动逐渐转为唇向移动。结论转矩能够有效改变牙齿的移动方式,如果转矩从中切牙之间开始向两侧远中方向逐渐减少,效果会更好。     

一体化假肢与传统假肢生物力学模型的比较

目的:应用有限元方法分析一体化假肢与传统假肢的应力分布特点,探讨一体化假肢的应力缓冲作用。方法:基于针对同一膝下截肢者设计的一体化假肢和传统假肢的真实几何构形,分别建立三维有限元模型,同时考虑残肢和接受腔之间的接触作用,选用摩擦系数为0.5。施加HeelOff步态时相的载荷,比较分析一体化假肢和传统假肢模型的应力分布。结果:①一体化假肢和传统假肢模型中,接受腔的应力分布基本一致,各区域的应力值也较为接近。接受腔和假腿的过渡区域都为高应力区;两个模型在此区域的应力值则差异较大,一体化假肢的最大应力分别为16.1MPa和17.8MPa,而传统假肢则达到23.7MPa和28.6MPa,传统假肢的应力分别高于一体化假肢47.2%和60.7%。高应力区的面积也呈现出传统假肢明显大于一体化假肢的现象,传统假肢的高应力区从前端和后端一直延伸到外侧面。②两个模型软组织表面的应力分布规律基本一致,最大正应力和最大剪应力都出现在正面末端。传统假肢模型中残肢表面的最大正应力和最大剪应力分别为581.2kPa和178.7kPa,一体化假肢模型中残肢表面的最大正应力和最大剪应力分别为416.8kPa和118.3kPa。结论:一体化假肢的外形美观,且价格低廉,轻便,易于截肢者接受。一体化假肢在接受腔和假腿的过渡区域产生较为明显的应力缓冲作用,也降低了残肢表面的应力,生物力学性能明显优于传统假肢,将成为未来假肢发展的一个重要方向。     

针对3D打印材料孔洞应力集中计算的映射算法

目的利用映射算法以较小计算成本获得3D打印材料孔洞应力集中分布情况,为3D打印材料疲劳寿命预测及结构优化设计的有限元分析提供新方法。方法提取单个孔洞应力集中影响范围内的节点及应力,并计算出各节点的应力集中系数。以寻找最近点的方式将无孔洞模型相应节点的应力值乘以不同的应力集中系数来体现孔洞的应力集中。若多节点映射到同一节点,则乘以多个应力集中系数的平均值;对距离边界较近的点,则乘以边界影响系数。结果材料内部孔洞的映射结果与实际计算结果误差小于8%;而对于自由边界孔洞聚集的情况,误差小于15%。结论映射算法能够有效表征3D打印材料孔洞的应力集中,以较小的成本获得含孔洞缺陷模型的应力分布。该算法为临床植入体优化设计及疲劳分析提供有限元结果。     

克氏针和绷带固定对微创术后拇外翻的生物力学影响

目的研究第1跖骨远端截骨后克氏针和绷带固定对拇外翻的作用效果。方法通过拇外翻的医学影像数据建立完整的三维足部有限元模型,此模型包括足骨、籽骨、软骨、韧带、软组织、跟腱等;分别建立克氏针和绷带固定的模型,分析拇外翻平衡站立时的足部受载特点。结果绷带固定下截骨之间的压应力(14.9 MPa)大于克氏针峰值应力(6.71 MPa)。从背侧、跖侧、内侧、外侧来看,克氏针固定对截骨面的稳定作用都优于绷带固定,更有利于截骨面的稳定。结论绷带固定可减少截骨端的愈合时间,有利于临床上拇外翻术后固定方式的优化选择。     

假肢对线对大腿截肢者健侧膝关节内部接触力学特性的影响

目的研究假肢对线对大腿截肢者健侧膝关节内部接触力学特性的影响。方法通过步态实验分析健全人及大腿截肢者在不同对线条件下行走时下肢运动及地面反作用力(ground reaction force,GRF)差异,并利用三维有限元模型分析接受腔内收和外展的异常对线情况对膝关节内部股骨软骨、胫骨软骨与半月板之间接触力学特性的影响。结果健全人在GRF第1峰值时刻膝关节接触力主要集中在内侧,在GRF第2峰值时刻接触力主要集中在外侧,而截肢者接触力在GRF的两个峰值时刻都集中在内侧。接受腔对线内收6°会导致膝关节内侧应力、接触力、接触面积均明显增大。结论截肢者膝骨关节炎发病率高于健全人与其膝关节内侧长期过载有关,接受腔对线内收会增加大腿截肢者健侧膝关节骨关节疾病的风险,临床对线过程中应尽量避免过度内收。     

离子造影剂增强Micro-CT扫描对大鼠关节软骨形态的定量分析

利用Micro-CT技术的较高分辨精度,探索一种新的测量小动物关节软骨形态的方法,为进一步利用小动物模型开展关节软骨的损伤和退变等研究提供基础。选择不同浓度的造影剂及Micro-CT扫描条件,通过造影剂对比增强Micro-CT扫描大鼠膝关节,对大鼠股骨远端关节软骨进行手动分割、重建,得到软骨3D模型,利用重建得到的3D模型,对软骨的厚度和体积等形态学参数进行无创定量分析。根据造影剂、软骨和软骨下骨对X射线吸收的平均相对衰减值差异,确定30%的离子造影剂浓度为最佳。利用该浓度对4个不同的正常大鼠关节软骨进行扫描和重建,分析获得关节软骨的体积和厚度,并求得关节软骨体积和厚度的变异系数均方根分别为7.3%和6.1%。结果提示,利用造影剂增强Micro-CT扫描能够对软骨形态重要参数厚度、体积等进行定量评价。     

按摩治疗的细胞力学效应及机制

正按摩治疗是一种著名的替代医疗形式,可以通过力学手法作用于受损、僵硬或疼痛部位的肌肉和结缔组织以减轻患者痛苦,并促进组织康复~([1])。然而,临床上应用按摩治疗多依赖主观评估,缺少力学方面的定量研究和细胞水平的微观研究,制约了按摩治疗的发展与应用。本质上讲,按摩的治疗作用是一种力学刺激作用,研究按摩手法作用原理、阐明按摩刺激的作用机制以提高按摩治疗的临床疗效是当前按摩手法研究的主要任务之一~([2])。目前,力学刺激对细胞生物学行为的影响是生物医学工程领域中的重要研究课题~([3]),将按摩刺激引入将有助于从细胞力学层面理解按摩治疗的效应及机制。     

人体仰卧位侧翻的动力学仿真及实验验证

仰卧位侧翻是预防长期卧床患者发生压疮的有效措施之一,对其进行动力学研究具有重要意义。基于解剖学理论,建立人体的动力学模型并进行平躺姿态、屈单膝姿态和侧抬单侧上下肢姿态三种常见仰卧位侧翻姿态的动力学仿真,得到三种姿态下侧翻时以胸部力、腰部力和大腿力为代表的驱动力的变化情况。为验证仿真的有效性,进行人体仰卧位侧翻的肌电力测量实验,得到与仿真胸部、腰部和大腿位置接近的胸大肌、腹外斜肌和大腿肌的肌电测量值。实验结果显示实验数据和仿真数据在范围和变化趋势方面一致。面向仰卧位侧翻的动力学仿真及实验研究结果,综合评价了三种姿态下的仰卧位侧翻运动中各个肌肉力的变化,对于人体侧翻运动机制的研究具有重要的意义。