膝内、外翻畸形对膝关节影响的平面有限元计算分析和光弹实验研究

目的采用有限元和光弹的实验方法,研究膝内、外翻畸形对膝关节生物力学影响。方法利用膝关节影像资料在Super-Sap软件上建立平面有限元模型,在内翻30°～外翻30°之间,按每2°加载受力,计算模型中各节点的应力应变情况。按膝关节弹性模量,制成各种膝关节畸形的环氧树脂模型,加载后置于偏振光场中观察应力光图。结果①正常膝关节内、外侧均为压应力。②膝内翻:内翻12°～18°开始显著变化,应力集中于胫骨平台内侧。③膝外翻:角度逐渐增加,外翻20°后应力显著变化,集中于外侧胫骨平台。结论膝内翻12°和膝外翻20°为膝关节应力集中的临界角度。     

肱骨外侧髁骨折的生物力学研究

背景：肱骨外侧髁骨折是最易发生的肘部损伤之一，属关节内骨骺骨折，临床上对其骨折发生和其治疗的力学机制并不完善。 目的：从生物力学角度研究肱骨外侧髁在不同体位加载下的应力分布规律，探讨其骨折发生治疗机制。 设计：计算机模拟应力研究。 单位：福州大学实验力学教研室和北京大学第三医院骨科。 材料：实验于2000-01／2002-12在福州大学福建实验力学专业委员会完成，选择6岁儿童尸体肱骨标本（福建中医学院解剖教研室提供），使用仪器包括计算机，SUPER-SAP93软件，材料切割机，骨角度测量仪等。 方法：模拟伸屈肘及前臂旋前、中立、旋后等多种体位加载在三维有限元模型上，计算分析相应部位的应力分布状况。 主要观察指标：肱骨外髁和肱骨滑车部位的平均Mises应力值。 结果：半屈肘位时肱骨外侧髁区平均应力值最大，而伸肘时的伸肌腱作用节点应力值大于外侧髁区。 结论：半屈肘位时肱骨外侧髁骨折的发生以尺桡骨撞击力与重力的上下剪切作用为主；伸肘位时以伸肌腱牵拉为主的弯力偶矩可拉脱外侧髁形成骨折。肱骨外侧髁骨折的复位可利用伸肌腱的牵拉作用，而固定则尽量避免伸肌腱的牵拉。     

人类腰段脊柱三维有限元模型的建立

目的 为研究人类腰段脊柱生物力学，提供三维有限元含肌肉整体力学模型。方法 通过对尸体腰段脊柱表面各节点的三维坐标值测量，运用超级空间有限远电算程序（SUPER－SAP Ⅴ）将腰段脊柱按空间有限离散的原则，在计算器上建立一维空间坐标系，仿真守整脊柱腰段力学模型，运用横截面积肌力计算法，测量尸体腰椎周围肌肉：腰大肌、腰方肌、竖脊肌、腹内外斜肌、腹横肌的解剖横断面积及其与腰段脊柱纵轴的中心数据值，求得力矩值，再根据力矩等价换算公式得出加载于模型体表各点的肌力值，通过对本模型重力及肌力的加戴，使其更接近于正常人体腰段力学状态。结果 建立L1－5脊柱三维有限元模型，形成8节点6面体单元496个，共1006个节点，按不同材料参数仿真脊柱各部结构，并仿真腰段活动进行加载。结论 建立完整脊柱腰段三维有限元模型，能够分析脊柱前屈、后伸、侧屈、旋转等多种情况下各部的应力分布及位移量，以探讨腰段脊柱损伤应力的病理机制。     

摇椅弓及牙列和牙周组织三维有限元模型的建立

目的建立下颌牙列、牙周组织及相应不同角度,不同弧形深度的0.018英寸×0.025英寸下颌标准弓形摇椅弓的三维有限元模型,并将其形成一个整体,为分析其生物力学性质提供一个可信的数学模型。方法通过螺旋CT扫描,采用ANSYS有限元软件建模。结果获得较理想的三维有限元模型,包括下牙列、牙周膜、牙槽骨和各工况摇椅弓,共2 709个节点,1 969个单元。结论该模型有较好的力学和几何学相似性,所包含数据可以进行摇椅弓作用下牙齿的受力状况和牙周组织应力分布分析。     

人工髋关节不同材料假体对骨界面的应力分布研究

[目的]通过计算机三维有限元方法，了解在应力状态下不同材料的人工髋关节假体组合对骨界面的应力分布规律，从生物力学角度为人工髋关节的临床应用和设计制造提供有益的参考。[方法]采用三维有限元法对全髋置换前后进行单髋站立生物力学测试，分析假体植入前后股骨和髋臼总体的应力模式和植入后各种组合的假体对骨界面的应力分布规律。[结果]1、各种假体置换后等效应力（von Mises）峰值均位于假体远端相应股骨区域，但应力峰值有所下降，以股骨距区下降最为明显，遮挡率最大，而以弹性模量较钛合金低的CFR／PSF作为柄的股骨的相应区域的遮挡率较低。2、各种组合的假体对股骨界面的应力从近端至远端均呈逐渐增高趋势，而对于相同的柄比较而言，不管是金属-金属、陶瓷-陶瓷、陶瓷-聚乙烯还是金属-聚乙烯组合，其相应界面应力值无明显差别（P〉0．05），但以CFR／PSF作为柄对股骨相应界面存在较高的应力。3、置换前在髋臼顶穹部存在较高应力，并逐渐向周围递减；置换后应力主要集中在髋臼的周边区域，但从髋臼顶部→后下→前下呈逐渐递减趋势；而在相同区域的不同组合其界面应力值无明显差别（P〉0．05）。[结论]1、各种假体植入后均在股骨距处形成较高的应力遮挡，而用弹性模量较低的CFR／PSF作为柄，其股骨相应区域的应力遮挡率较低，但股骨相应界面应力较大，而界面应力过大是产生假体微动主要因素。2、股骨界面从近端至远端呈逐渐增高趋势的应力规律符合该假体的设计原理；相同假体柄的不同组合其股骨和髋臼相应界面应力值无明显差别，实验表明力学因素并不是选择假体组合的主要标准。     

用枕不当与颈椎病发病相关性的动态平面有限元分析

目的 从应国与应变关系角度探讨不同的用枕高度动态变化对颈椎病发病的影响。方法 通过平面有限元计算方法，建立人体仰侧卧位８种不同枕高时颈段脊柱动势姿势的有限元模型，利用ＳＵＰＥＲ－ＳＡＰ软件中平面四边形四节点单元体计算程序，进行颈光脊柱有关部位的应力与位移变化及其同颈椎病发病关系的研究。结果 颈脊柱在８种不同姿势下均在Ｃ４～８段应力集中现象；颈椎间盘的应力与位移明显大于颈脊柱其它部位；越偏离正常用枕     

肱骨外侧髁骨折的伸肌腱作用机制探讨

目的 采用光学弹性实验及三维有限元计算分析法，研究伸肌腱在不同体位加载下对肱骨外侧髁的应力作用规律，探讨肱骨外侧踝骨折的发生机制及治疗方案。方法 分别制造儿童肱骨三维光学弹性及有限元模型，模拟伸屈肘及前臂旋前、中立、旋后和内外翻等多种体位加载，观察和计算分析相应部位的应力分布状况。结果 各种体位肱骨外侧髁区平均应力值均最大；半屈肘时应力值远大于相应伸肘时，而伸肘时的伸肌腱作用节点应力值却大于外侧髁区；伸肘内翻位有伸肌腱作用力的加载下，肱骨外髁上部为拉应力条纹，内髁上部为压应力条纹。结论 儿童半屈肘位时易发生肱骨外侧髁骨折，而在伸肘内翻位时，以伸肌腱牵拉为主的弯力偶矩可拉脱外侧髁形成骨折；肱骨外侧髁骨折的复位可利用伸肌腱的牵拉作用，而固定则尽量避免伸肌腱的牵拉。     

颈椎斜扳手法的三维空间有限元研究

颈部的急慢性损伤疾患是骨科临床的常见病、多发病.尤其是颈椎病,其发病率约占人群的3.8%～17.6%.颈椎是以C4为中心的生理前凸支持头部重力、纵向压力及抬头动作,其上下关节面几近水平.有资料[1]显示长期伏案工作人员易患颈椎病.颈椎的斜扳手法在颈椎病的治疗中起着重要作用,本实验通过三维空间有限元揭示其机理,对与颈椎病的斜扳手法提供客观依据,现报告如下.     

成人桡骨头切除术后并发症的三维有限元分析

目的：通过三维有限元模拟研究桡骨头切除术后并发症的原因和机理。方法：用三维有限元分析法研究桡骨头的应力传导作用,以及桡骨头切除后应力传导分布改变对肘、腕关节稳定性的影响。结果：正常情况,经桡骨头传导的应力值约占肘关节总应力值的58％,经过肱尺关节传导的应力值约占肘关节总应力值36.85％。桡骨头切除后,肱尺关节外侧部分承受的应力值约占肘关节总应力值的43％,内侧部分的应力值约占肘关节总应力值的21.6％,和桡骨头切除前相比较,外侧较内侧增加的幅度显著增大。结论：桡骨头在肘关节应力传导中占据了主导地位,桡骨头切除后破坏了肘关节的正常应力分布,对肘、腕关节的稳定性有较大的影响。临床上应严格掌握桡骨头切除术的适应证。     

冷冻温度对SD大鼠骨组织超微结构及力学性能的影响

目的探讨冷冻温度对SD大鼠骨组织超微结构及力学性能的影响.方法温度选择组分-45℃、-50℃、-55℃、-60℃、-65℃和-70℃组,对SD大鼠胫骨进行上述温度的冷冻预处理,液氮保存一周,与对照组作HE染色和透射电镜;力学测试组用-55℃的冷冻预处理,液氮保存18 d组、180 d组,与对照组进行抗压和抗折实验.结果电镜下-45℃组、-65℃组、-70℃组部分骨细胞轻度水肿,骨细胞核有固缩现象,骨细胞膜不连续;-50℃组、-55℃组和-60℃组骨组织超微结构得到较好保持.骨压缩强度极限(MPa)对照组、18 d组、180 d组为77.26±11.80、76.02±15.00和61.90±12.20;殷骨弯曲最大挠度,对照组18 d、180 d组为44.60±10.54、44.20±9.50和20.01±7.58.结论-55℃是骨组织冷冻预处理的最佳维持温度值.骨抗折挠度,对照组与180 d组有显著差异(P＜0.01),表明骨的脆性增加.