建立基于映射的个性化颌面部六面体有限元模型

目的为患者建立个性化口腔颌面部整颌整形手术的六面体有限元网格模型。方法首先使用半自动方法构建标准颌面部软组织的高质量六面体有限元网格模型,然后采用一种基于映射的实例学习方法生成个性化患者的颌面部六面体网格模型。结果能够方便地生成几何形状与患者形态高度一致的个性化六面体网格模型,并尽可能保持体网格单元的角度和形状质量。结论新的六面体网格建模方法能为生物力学分析提供高质量的六面体有限元网格输入,在口腔颌面外科等多个学科均有很好的推广应用前景。     

生理曲度变直与正常的颈椎有限元建模与分析

建立生理曲度变直和曲度正常的颈椎全节段有限元模型,进行对比与分析.选取颈椎曲度变直患者采集CT数据,采用专用生物力学有限元软件构建高质量颈椎全节段模型,然后采用基于离散微分属性的体网格变形技术,将变直模型映射生成曲度正常模型,在进行有限元模型的验证后,用相同边界条件进行对比分析.结果表明,曲度变直模型活动度范围比正常范围减少16％～28％,应力增加4％～90％,C3-C4和C4-C5小关节、钩突关节、椎间盘容易出现应力集中,表明容易出现损伤和退化.通过使用新型建模软件和体网格变形技术,能方便构建生理曲度变直和正常模型,分析结果对临床诊断有指导意义.     

退变性脊柱侧弯的生物力学有限元分析

背景：脊柱在结构、形状、材料特性以及承受载荷方面都比较复杂,传统的生物力学方法不能完全解决这些特性问题。 目的：探讨退变性脊柱侧弯椎间盘、关节突关节、椎体等的应力分布,为其发生、发展的生物力学机制提供依据。 方法：基于退变性脊柱侧弯患者T₁₂-S₁上段连续的CT扫描图像,赋予模型特定的材料属性,建立完整、有效的退变性脊柱侧弯三维有限元模型。在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种工况下对模型进行加载,计算和分析脊柱的活动度、椎间盘、椎体及关节突关节软骨的应力分布。 结果与结论：退变性脊柱侧弯有限元模型比正常腰椎的活动度要小,椎间盘应力分布趋向于椎间盘的四周,后伸运动时各椎间盘应力最大,侧弯顶点椎体容易出现应力集中的情况,在旋转工况下关节突软骨的应力集中最明显,后伸工况下次之,尤其以侧弯顶点节段的关节突软骨影响最大。退变性脊柱侧弯侧弯顶点容易出现应力集中,后伸、旋转运动可加重退变性脊柱侧弯发展。     

颈椎生理曲度变直全节段有限元建模与分析

目的 建立生理曲度变直的颈椎全节段有限元模型,对颈椎生理曲度变直的发生机制进行验证与分析.方法 选取符合颈椎曲度变直纳入标准的患者,采集其CT数据,使用生物力学有限元建模软件,精确重建颈椎各节段的独立实体模型,直接从三维实体模型划分生成高质量有限元体网格,进一步精细生成各种韧带、椎间盘、关节突软骨等组织和结构.结果 在前屈、后伸、侧弯和旋转情况下,生理曲度变直的颈椎全节段有限元模型活动度范围比正常值范围要小并且出现再分配.同时,在应力分布方面,C3～4、C4～5 之间的小关节、钩突关节,和C3～4之间的椎间盘容易出现应力集中情况,表明易出现损伤和退化.结论 新型生物力学有限元建模软件简单易用,所建生理曲度变直的颈椎全节段有限元模型结构完整,空间结构精度高,单元划分规则精细,有限元分析结果对生理曲度变直的颈椎病临床诊断有指导意义.     

下颌骨各向异性材质模型对种植牙有限元分析的影响

目的 建立含螺纹种植体各向异性的完整下颌骨有限元模型,研究各向异性材质模型模拟对牙种植体有限元分析的影响.方法 采用薄层CT扫描和自主开发的软件分别建立各向异性和等效各向同性的完整下颌骨三维有限元模型,其中在后牙区植入两枚牙种植体,分析在颊舌向、斜向加载时,种植体-骨界面主应力和主应变值的变化.结果 在各向异性下颌骨模型中,除骨皮质第一最小主应力减小6.3%～7.6%和骨松质第三最小主应力减小8.7%～46.0%外,骨界面绝大多数主应力和所有主应变值均大于各向同性;骨皮质主应力增加2.1%～74.1%,主应变增加4.7%～57.3%;骨松质主应力增加10.3%～71.4%,主应变值增加19.5%～63.4%,而且骨松质应力的增加比骨皮质明显.结论 下颌骨种植牙有限元分析时,下颌骨各向异性模拟会明显影响骨界面应力和应变值,并以增加为主.在生物力学研究中应更注重下颌骨各向异性的材质力学特性.     

髋关节发育不良髋臼假体位置与稳定的三维有限元分析

目的：利用三维有限元仿真的方法,研究全髋关节置换术治疗成人髋关节发育不良时3种不同髋臼假体位置与髋臼假体初始稳定的相关性,为临床手术操作提供参考依据。方法采用专门的生物力学有限元网格划分器,从髋关节发育不良的CT扫描数据中,建立高度仿真的个性化髋骨三维有限元模型,并模拟在真臼位置安放髋臼假体的解剖位重建、将髋臼内壁打磨穿透内移的中心化重建、和在真性髋臼上方假臼高位重建3种常见的临床手术方案,模拟不同臼杯假体位置对全髋关节置换术后髋臼假体稳定的影响。结果髋臼假体在真臼位置安放的解剖重建,出现应力集中和大剪切应力的可能性最小,穿透内移安放的模拟应力分布略高于真臼重建,而在假体上移高位安放的模拟则出现预测应力大幅增加。结论成人髋关节发育不良全髋关节置换术中应尽可能在真臼位置重建和安放臼杯假体,以达到最优的应力分布和稳定性。     

骶髂关节解剖型钢板的全骨盆三维有限元模拟

目的在高度仿真的完整骨盆三维有限元模型基础上,模拟使用新设计的解剖型钢板对骶髂关节骨折脱位进行固定,并与普通钢板的模拟固定进行对比,验证和分析新型钢板的性能.方法从CT精确重建髋骨和骶骨模型,采用专门的半自动流线型生物力学有限元网格划分器生成规则的体网格模型,并进一步建立骶髂关节的终板、软骨、关节接触面,和骨盆上的主要韧带组织及耻骨间盘.然后去掉一侧的骶髂关节韧带群模拟骨折脱位,使用新型的骶髂关节解剖型棒-板内固定系统进行固定模拟,同时使用普通钢板替代解剖型钢板建立对比模型,分别进行加载分析受力情况.结果通过使用新的解剖型钢板改进棒一板内固定系统,骶髂关节的最大相对位移值减小了约23%,骨盆主要传承负载区域的最大的应力值降低了约25%.结论新型的解剖型钢板有效地提高了骶髂关节棒-板内固定系统的力学性能,为骨盆骨折的治疗增加了一种更有效的新方法.     

个性化全骨盆三维有限元建模及骶髂关节骨折脱位模拟

目的 建立高度仿真的个性化的完整骨盆三维有限元模型,并在此基础上进行骶髂关节骨折脱位的模拟.方法 从CT精确重建独立的左、右髋骨和骶骨实体模型,要据髋骨和骶骨的外形特征,利用专门的流线型生物力学有限元网格划分器生成规则的体网格模型,并进一步建立骶髂关节的终板、软骨、关节接触面,和骨盆上的主要切带组织及耻骨间盘.在建立的完整模型上去掉一侧的骶髂关节切带群进行骨折脱何模拟,并与正常的情况进行对比.结果 建立了高精度的个性化全骨盆的三维有限元模型,包括左右髋骨和骶骨的皮质骨、松质骨,骶骼关节的终板、软骨和带摩擦的关节接触面,韧带包括骶髂骨间韧带、骶髂前切带、骶骼后韧带、骶棘韧带、骶结节韧带、耻骨上韧带和耻骨弓状韧带,以及耻骨间盘.正常模型的加载模拟和骶髂关节骨折脱位模拟的预测结果均与文献试验生物力学结果相符合. 结论利用专门的牛物力学有限元建模工具能建立史复杂更精确的三维有限元模型,成为全骨盆生物力学分析研究的平台和基础.     

退变性脊柱侧凸短节段固定融合术后椎间盘的应力变化

目的 探讨短节段固定融合术治疗退变性脊柱侧凸(DS)后椎间盘的应力变化.方法 基于DS患者T12～S1上段连续的CT扫描图像,赋予模型特定的材料属性,建立完整、有效的DS三维有限元模型.对其采用短节段(单节和双节)椎管减压+椎间植骨融合+椎弓根螺钉内固定术治疗,在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种工况下对术后模型进行加载,计算和分析两种治疗方法对各椎间盘的应力分布变化,并与术前DS模型进行比较.结果 短节段固定融合术后固定相邻节段椎间盘应力均较术前DS模型有所增加,旋转运动对相邻上节段椎间盘影响较大,后伸运动对相邻下节段椎间盘影响较大.单节段固定术后相邻上、下节段椎间盘应力(平均值分别为6.03、4.58 MPa)增加均大于双节段固定术后(平均值分别为5.24、4.47 MPa),但两者比较差异无统计学意义(P＞0.05).结论 短节段固定融合术可使DS固定邻近节段椎间盘应力增加,其中单节段固定融合术对相邻上、下节段椎间盘应力的影响大于双节段固定融合术;短节段固定融合术治疗DS,术后应避免旋转及后伸运动.     

轴向加载对腰椎结核模型稳定性影响的三维有限元研究

目的：研究轴向加载对腰椎结核三维有限元模型稳定性的影响,为临床治疗腰椎结核提供生物力学理论依据。方法：选取自愿者采集CT数据,采用专用生物力学软件建立正常材质的L2-L5节段腰椎模型和5种不同的结核模型,在相同的轴向加载条件下进行分析。结果：通过轴向加载发现,正常腰椎的平均刚度为277N/mm,A、B、C、D、E五型结核腰椎的平均压缩刚度分别为233N/mm、239N/mm、275N/mm、253N/mm和217N/mm。腰椎结核模型平均刚度比正常模型最大减小近22%;在应力方面,结核破坏区域位于骨皮质时影响最大,出现大的应力集中情况;同时,结核破坏对于椎间盘的力学传导有很大影响。结论：腰椎结核破坏影响腰椎的稳定性,不同部位的结核破坏产生相应的应力集中,研究结果对临床治疗有指导意义。