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构建全口覆盖义齿三维有限元模型及其生物力学特征
构建全口覆盖义齿三维有限元模型,分析不同颌弓形态对全口义齿应力分布的影响规律.对不同的石膏模型采用层切的方法,获得不同层的二维坐标点数据,导入ANSYS软件,建立典型的尖、圆、方形共9种颌弓形态所对应的全口覆盖义齿三维有限元模型.对全牙列加载,进行生物力学分析.结果显示,应力从高到低的顺序为方形、圆形、尖形;外推形式、基本形式、内推形式.提示三维有限元模型具有很高的仿真精度,分析结果为临床工作提供了实验依据和指导.
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热力学有限元方法研究骨组织热传导的三维空间分布
参考生物力学有限元模型方法建立牛胫骨近端三维热力学有限元模型.选取新鲜牛胫骨上段15 cm,以层厚2 mm CT扫描胫骨近端,运用同济大学牛物医学工程研究所实验室编写的数字图像处理程序处理CT图像,点云采集文件输入逆向工程软件Geomagic进行实体模型构建.将生成的实体模型IGES文件导入到有限元分析软件Ansys 9.0中去,构建热力学有限元模型,进行二维热力学有限元模型的传热计算.模型骨结构表面温度设定37℃,骨内指定部位假设有15 mm直径球形区域热源,温度为90℃,在该条什下执行稳态计算.结果显示距离热源不同距离的横截山j温度分布等值线密度不同,越接近电极,等值线越密集,且旱不规则椭圆形.在模型矢状面上,距离热源越近,温度分布等值线越密集,越远越稀疏,亦呈不规则椭圆形分布.提示牛胫骨组织消融范围的大小与电极针暴露长度和空间布针位置密切相关.在骨组织中,整个热力场围绕消融电极呈不规则椭圆球形分布.
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种植体支抗在正畸矫治过程中的初始应力分析
目的:观察应用弹性橡皮链或T形曲内收尖牙时,种植体支抗的初始应力分布,为临床治疗过程中系统的施力设计提供生物力学依据.方法:实验于2007-01/05在沈阳交通勘探设计院完成.选取成年男性右上颌后牙缺失病例,知情同意参加本实验.螺旋CT扫描, 将CT片输入计算机,利用Auto CAD4.0绘图软件及Sap93有限元软件,建立上颌骨后牙区的三维有限元模型.实验模拟口腔固定矫治器, 采用二种方式(弹性橡皮链或T形曲)内收尖牙.加力部位为距离种植体顶端2 mm处的颊面中央,相当于颊面管的位置,种植体受到向近中的牵引力.施加6组载荷,前2组模拟弹性橡皮链,其他4组模拟T形曲.分析在不同力和力矩作用下种植体近中表面各断面上节点的主应力值.结果:F=1.96 N时,大主应力为2.505 N/mm2.F=4.9 N时,大主应力为5.595 N/mm2.单一力作用下,种植体近中均为压应力.应力分布不均匀,大主应力位于颈部第一螺纹(颈缘根方 1.2 mm)处,根端为0.力与力矩共同作用时,随M/F值增大,种植体近中应力值亦逐渐增大,且主要为拉应力分布.M/F=26.4时,大主应力为2.206 N/mm2.M/F=6.1时,大主应力为0.335 N/mm2,应力值低且分布均匀.结论:高应力集中于种植体颈缘,当应用骨内种植体作为支抗单元时,好使用 T形曲,并预先设定好其M/F值.
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应用三维有限元法评估聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥铸件的力学特征
目的:聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥作为经皮椎体后凸成形术填充物,应用三维有限元分析法比较两种材料治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的生物学效应.方法:实验于2003-03/09在南通医学院第一附属医院骨科和上海大学上海生物力学工程研究所合作完成.①利用WD-5型万能材料机测量聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥铸件力学性质.②选取骨质疏松患者1例(患者知情同意),排除其他疾患,应用CT扫描技术、图形数字化方法获取胸腰段的三维坐标,利用ANSYS5.0有限元分析软件等工具建立骨质疏松患者胸腰段的三维有限元模型.③模拟L1经皮椎体后凸成形术,对其和相邻椎体及椎间盘的负荷传递、应力、位移等进行分析.结果:①获取了精确的T11～L3的多排螺旋CT扫描断层影像数据,经ANSYS5.0软件处理后得到4 718个节点,1 642个薄极单元,4 495个八节点等参单元的骨质疏松患者胸腰段三维有限元力学模型.②采用聚甲基丙烯酸甲酯作为经皮椎体后凸成形术的填充物,比骨质疏松椎体应力增加了近15%.后部结构的应力平均增加13.2%,其中椎弓根增加5.9%,峡部增加6.25%,关节点增加27.6%.聚甲基丙烯酸甲酯在稳定椎体、恢复强度和刚度的同时,可能使其后部结构及相邻腰椎出现应力集中现象.③采用磷酸钙骨水泥作为椎体成形术填充物,比骨质疏松椎体应力平均增加了7%,应力集中现象明显小于聚甲基丙烯酸甲酯.结论:三维有限元力学分析表明两种材料均提高了椎体的抗变形能力,有利于椎体功能的重建.与聚甲基丙烯酸甲酯相比,磷酸钙骨水泥能减少成形椎体和相邻椎体之间的应力梯度,从长远看,能减少椎体退变和相邻椎体骨折的机会.
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模拟腰部推拿手法建立"腰-盆-髋"有限元模型
背景:对局部椎体或整个脊柱进行推拿手法的有限元分析具有一定的局限性.目的:通过建立"腰-盆-髋"有限元模型对腰部推拿手法进行相关生物力学分析.方法:利用螺旋CT 数据通过Mimics 10.01 建立具有高度几何相似性的腰椎、骨盆和股骨近端复合体骨骼的面模型,利用geomagic9精修模型,在hypermesh10.0中划分网格,添加椎间盘和主要韧带.并对有限元模型各部件进行材料属性赋值.利用有限元分析软件模拟腰椎推拿手法三工况加载,计算特征部位位移、大应变及应力.结果与结论:有限元模型在三工况载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反映"腰-盆-髋"特有的力学结构特性,模型的仿真性较好.在近似的几何外形下,据生物力学资料报道的材料赋值建模保证了有限元模型计算的正确性;模拟接近生理状况下的边界及载荷条件进行计算可以确保结果的准确性.
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有限元法分析腰椎椎弓根螺钉的生物力学特征
背景:稳定性是评价椎弓根螺钉的主要标准,而生物力学是目前临床上评价内固定系统稳定性及实用价值性的具体标准.近年来有限元法被广泛应用于正常人体四肢脊柱及软组织的生物力学研究、骨折的受力机制、骨科内固定器械的生物力学、内植物应力遮挡及内固定器械设计等.目的:通过对椎弓根螺钉自身结构参数、置入椎体方法及螺钉系统组合方式进行有限元研究,全面分析腰椎椎弓根螺钉的生物力学特征.方法:由第一作者检索至2016年12月为止PubMed数据(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed)及CNKI中国期刊全文数据库(http://www.cnki.net/),以"lumbar vertebrae,pedicle screw,finite element analysis,biomechanics"为英文检索词,"腰椎,椎弓根螺钉,有限元法,生物力学"为中文检索词,检索摘要内同时包含上述检索词的文献,并排除重复性研究.符合纳入标准的45篇文献中,中文文献15篇,英文文献30篇.结果与结论:①利用有限元法对脊柱内固定器械进行应力分析计算对于正确手术方式的选择、内固定器械的合理使用具有重要意义;②在科技飞速发展的今天,相信随着数字成像技术和计算机技术的发展以及医学和力学的交叉融合,更详尽的脊柱模型的建立将会成为可能;③这将有助于更加个体化的治疗每一名患者,有限元法与临床应用相结合将是骨科未来发展的重要方向标.
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釉牙本质界潜行性破坏对牙颈部硬组织应力分布的影响
背景：对釉牙本质界缺损的下颌前磨牙进行有限元接触分析，为楔状缺损的预防及咬合治疗提供生物力学依据。
目的：分析釉牙本质界潜行性破坏对牙颈部硬组织应力分布的影响。
方法：在下颌前磨牙沿釉牙本质界建立三角形缺损设计楔状缺损模型，模拟紧咬和咀嚼运动中牙的受力情况，对下颌前磨牙颈部硬组织进行非线性接触分析。
结果与结论：模拟紧咬和咀嚼运动中牙的受力情况，釉牙本质界缺损的下颌前磨牙缺损区均存在明显应力集中。随着缺损高度的增加，应力值增大，应力集中程度也增加。可见釉牙本质界破坏改变了缺损区牙颈部的应力分布，临床上楔状缺损应及时充填治疗。 -
下颌56缺失后双端单基牙固定桥应力分布的三维有限元分析
采用CT扫描获取健康成人下颌牙及其支持组织的二维图像,通过计算机重建技术建立三维立体图像并获得了下颌56缺失后的双端单基牙固定桥的三维有限元数学模型.在桥体中央分别从垂直和水平方向加载100 N的固定负荷,按基牙牙槽骨吸收比例间隔5%依次分组,在0～50%的变化范围内,分析其对固定桥应力分布的影响.当基牙牙槽骨无吸收或小于10%时固定桥两基牙应力分布均匀,垂直载荷下为4～7 MPa,水平载荷下为6～9 MPa;当基牙牙槽骨吸收大于10%时,固定桥两基牙即开始出现应力集中,垂直载荷下为9～16 MPa,水平载荷下为14～23 MPa.提示下颌56缺失后选择双端单基牙固定桥修复受基牙牙槽骨吸收程度的影响较大,基牙牙槽骨仪有轻度吸收时就会引起应力分布的变化.
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血管内支架三角形截面结构流阻的数值模拟实验
利用数值模拟方法分析新型的三角形截面支架的血液流阻,找出影响血流动力学的支架结构参数,为血管内支架结构设计和优化提供参考依据.通过SoildWorks软件构建了三角形截面裸支架在无限流场中的4种模型,借助ANSYS有限元软件分别对4种模型进行计算流体力学数值模拟,分析模型施加非定常流之后的流动情形、压力分布和流阻的变化情况.结果提示三角形截面形状的支架应用于动脉瘤可以使血流流入瘤腔的阻力大而流出瘤腔的阻力小,导致血液流出容易流入难,从而抑制瘤腔的血液灌注和流动,能够降低瘤腔内的压力,对于动脉瘤的治疗起到一定的效果,这为今后支架结构的设计提供了一些理论指导意义.
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骨盆环三维有限元模型的建立
利用螺旋CT数据通过Mimics 12.0建立具有高度几何相似性的左、右骨盆、骶骨、股骨近端复合体的面模型,利用Abaqus 6.5进行实体建模.根据各单元CT值对有限元模型进行材料属性赋值,再根据解剖部位建立骨盆主要韧带.利用有限元分析软件Abaqus 6.5对S1椎体上终板施加600 N静载荷模拟站立位骨盆受力环境,计算特征部位位移、大应变及von Mises应力.有限元模型在静载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反应骨盆特有的力学结构特性,模型的准确性较高.在几何外形近似的情况下,特征材料赋值建模能够提高有限元模型的汁算准确性;在有限元计算时应通过更为接近生理状况下的边界及载荷条件进行模拟以提高结果的准确性.
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皮肤表面热烧伤温度场的数值模拟
背景：研究认为当生物组织的温度高于44℃时会发生热损伤，准确地预测烧伤范围，可以为烧伤的诊断和治疗提供很大帮助。目的：建立皮肤组织热烧伤的数学模型，分析烧伤过程中的温度变化规律，预测其烧伤范围。方法：建立皮肤有限元模型，对皮肤组织在烧伤过程中的温度场进行数值模拟，得出了皮肤组织的瞬态温度分布，同时用新鲜带皮猪肉进行了烧伤后温度测量实验，将数值计算结果与实验结果进行对比。结果与结论：利用有限元法分析得出皮肤组织的温度分布情况，发现理论数值和实验数值温度变化趋势基本一致，但并未完全重合。提示该有限元模型可以用来预测皮肤组织的烧伤范围。
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下颈椎三节段全椎板切除与侧块螺钉内固定三维有限元模型的建立
背景：随着颈椎后路手术技术的日益完善，侧块螺钉内固定技术已被广泛应用于颈椎的重建稳定性手术之中。然而，当前对于侧块螺钉内固定系统重建颈椎稳定性的有限元研究却很少。目的：建立精细下颈椎(C 3-C 7)及三节段全椎板切除后应用侧块螺钉内固定重建的三维有限元模型，对重建后的下颈椎及内固定进行生物力学分析。方法：采集1例30岁正常女性志愿者行全颈椎CT，得到Dicom数据集。应用Mimics 10.01、Geomagic Studio12.0、Solidworks2012、HyperMesh10.1、Abaqus 6.12软件建立下颈椎(C 3-C7)完整模型、全椎板切除模型以及侧块螺钉内固定系统重建模型。分析重建模型在前屈、后伸、侧弯和旋转运动状态下的应力变化情况。结果与结论：所建下颈椎有限元模型结构精细，外形逼真，共包含503911个四面体单元，93390个节点，并通过有效性验证。在软件中完成模拟手术过程，终得到侧块螺钉内固定重建模型。侧块螺钉内固定系统对全椎板切除模型具有良好的稳定性，重建后颈椎的活动度远低于完整模型，且后伸时侧块螺钉内固定系统的应力为集中。
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股骨核心减压材料植入体生物力学性能的有限元分析
背景：借助计算机辅助分析技术进行股骨坏死后的手术治疗和患者康复的预测分析，实现科学施行手术和更快的术后康复，是目前国际相关研究领域的热点研究问题。
目的：通过观察不同的核心减压材料植入体对股骨头的受力变形和应力分布、骨折风险以及在交界面处的生物力学性能的影响情况，为选择合适的核心减压材料植入体提供依据。
方法：基于6例患者的股骨坏死区域的核磁共振扫描图片，建立3D股骨几何模型和有限元分析模型，并设定生理负荷量和4种不同种类的材料植入体 Actifuse， BioOss，Osteoset，Prodense，应用有限元分析软件 AnsysWorkbench 对股骨性能进行分析计算。
结果与结论：实验得到了股骨在工作过程中的大应力分布规律，随着4种填充材料杨氏模量数值的升高，股骨坏死区域的大正应力的数值下降，但同时交接面处的生物力学性能如滑动距离、摩擦应力和压力数值升高。文章在综合考虑骨折危险和交接面处的生物力学性能的基础上，对比了4种材料的力学性能后，推荐了合适的核心减压材料为Osteoset。 -
唇腭裂上颌发育不全颅面复合体三维有限元模型的建立
目的 探讨高数字化唇腭裂上颌发育不全颅面复合体三维有限元建模方法.方法 采用螺旋CT扫描技术获取颅面复合体断层图,通过DICOM格式完成数字影像转换,与三维有限元方法相结合直接建模.结果 建立了包括颅面骨和牙列在内的颅面复合体三维有限元模型,由353 297个单元和537 214个节点组成.同时构建了相应的软组织.结论 利用DICOM数据直接建模提高了整体建模速度,建立的单侧腭裂颅面复合体三维有限元模型具有良好的几何相似性,方法有效可行.
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口腔修复学中有限元法应用进展
近年来, 随着数字技术的迅猛发展, 以有限元法为代表的力学分析方法, 依托其精准的建模、巧妙的算法, 解决了口腔修复各领域中众多复杂的力学问题.文章对近年来国内外学者应用有限元法解决口腔修复领域的相关问题加以分析总结, 进行综述.
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有限元法在牙颌面功能矫形方面的应用
有限元法是口腔正畸学中力学研究的有效的分析工具,是研究应力分布以及位移的好的方法之一.而在牙颌面功能矫形中,明确了矫形力在口腔颌面部的应力分布和位移方向,才能够更好的运用各种矫治器.本文分别从对下颌骨和上颌骨力学作用的角度综述了功能矫治器应用有限元法研究的作用和成果,探讨了前导下颌的功能矫治器的作用和应力分布等问题,颏兜对颞下颌关节和下颌生长的影响,以及扩弓装置和上颌牵引装置对上颌骨各处骨缝的作用,并对近年来有关的研究进展作一概述.
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破坏载荷下老年人椎间盘退变对胸腰椎应力分布影响的研究
目的探讨老年人椎间盘退变后胸腰椎损伤的生物力学背景,为临床上认识老年人胸腰椎骨折发生的机制提供理论依据.方法用三维有限元法建立老年人胸腰椎活动节段的力学模型,并对其在垂直压缩、压缩屈曲、分离屈曲三种外加载荷下的应力进行分析.结果垂直压缩及压缩屈曲载荷下,椎体松质骨的应力分布相对平均,邻近终板的中央部分水平减低,周边部分的应力水平相应上升,椎间盘纤维环的后侧应力集中,后部结构应力集中于椎弓根、峡部、棘突上缘等部位.同时后纵韧带、棘上、棘间韧带应力集中.结论椎间盘退变后载荷传递方式发生了明显改变.
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牙槽嵴顶间线角与全口义齿排牙之间关系的三维有限元分析
目的:分析不同牙槽嵴顶间线角角度与全口义齿排牙之间的关系.方法:采用三维有限元法研究不同顶间线角情况下上下颌颌骨表面与义齿基托应力和位移的变化.结果:当牙槽嵴顶间线角接近90°时,应力位移分布和大小有利于全口义齿的固位、稳定及防止基托的折断和剩余牙槽嵴的吸收.当牙槽嵴顶间线角偏离90°,接近70°或110°时,应力和位移的大小和分布改变,加重剩余牙槽嵴的吸收,增加义齿基托折断的可能性,不利于义齿的固位和稳定.结论:通过调整人工牙关系可以减轻异常牙嵴关系的不利影响.
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根管预备锥度的变化对根管壁应力影响的三维有限元分析
目的:分析上颌第一前磨牙在不同的根管预备条件下,根管壁应力及其分布的变化情况.方法:建立上颌第一前磨牙(单根Ⅳ型根管)的三维有限元模型,在此基础上建立不同条件下根管预备后的修改模型,充填修改模型.运用特定的有限元分析软件,计算修改模型牙根各部分在垂直或侧方加载时根管壁所受应力的大值及其分布的情况.结果:根管预备后锥度增大会引起根管壁所受应力值增加,该变化主要出现在根中上1/3段,侧方加压时根管壁产生的应力均比垂直加压时根管壁产生的应力大.根管主尖锉为25号和根管主尖锉为30号时其根管壁所受应力值大小差别不大.结论:在不同的根管预备条件下,其根管壁所受的应力值也不同,其中根管预备锥度的变化对根管壁应力的影响较大,尤其是在侧方加压时.
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有限元法计算各向异性介质球头模型电位分布
在脑电正问题研究中,脑神经元所产生的电活动可用电流偶极子来模拟.本文提出把大脑看作各向异性介质球,即同时考虑电容效应、电导效应对脑内电流偶极子产生的电位的影响,并用有限元法推导出偶极子在各向异性介质球模型中的电位分布计算公式.结果表明介质的电容效应对电位分布是有影响的,反映了大脑活组织电特性,对外来不同频率的信号刺激有不同的响应.同时有限元法对大脑内某一区域内电位分布求解表明,测量较深层组织的电特性变化敏感的特点,可获得更多的测量信息.
