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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.
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腹主动脉瘤的自动化分割及其二维网格剖分技术
目的 讨论腹主动脉瘤断层图像的分割方法及其网格剖分技术,建立可用于有限元计算的二维数值分析模型.方法 采用完全基于形态学的方法完成图像中各个部分的分割,针对每个分割得到的闭合曲线,计算其符号距离函数,然后根据各个曲线的集合关系得到一个终符号距离函数,在这个距离函数和一个平衡关系的控制下不断使用Delaunay算法,当满足平衡关系或者达到设定的条件时,网格划分终止,有限元模型建立完成.结果 实现血管内腔的自动化分割以及血管壁、钙化点等的半自动化分割；对血管内的不同成分划分网格,并可以控制网格的类型和密度；建立血栓与血管壁耦合以及血栓与血管壁、钙化点耦合的两种有限元模型,并进行相关的应力分析.结论 分割过程中不需要复杂的计算及提供初始化曲线,分割快速、准确；网格划分算法可以产生高质量的网格,网格的生成易于控制；产生的网格可用于实际的计算.
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半侧上颌骨缺损赝复体修复固位方案的生物力学评价
目的 对3种单侧上颌骨缺损赝复体修复方式——卡环固位、一根/两根颧种植与卡环联合固位进行生物力学评价.方法 基于CT扫描数据建立正常人颅骨的三维有限元模型,通过三维有限元法计算分析3种重建模型中上颌复合体的应力分布,综合比较赝复体、基牙、卡环、种植体、颧骨的应力水平.结果 单一的卡环固位,基牙应力峰值达130.7 MPa,赝复体产生位移4.439 mm,卡环应力峰值达452.4 MPa,健侧眶缘应力为23.32 MPa；加入一根颧种植后,卡环应力减小至118.1 MPa,基牙应力峰值为31.12 MPa,健侧眶缘应力仅为5.387 MPa.两根颧种植体固位方式下,颧骨应力由66.11MPa减小到48.12 MPa;颧种植体上的大应力也由500.2 MPa降至313.8 MPa.结论 颧种植与卡环联合固位,颌面骨骼应力分布更符合咬合力传导规律.研究结果将为人体上颌单侧缺损重建方案设计和优化提供重要参考数据.
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运用有限元分析新型半髋假体装配过程中的应力分布
目的 利用计算机模拟一种新型半髋假体系统假体装配过程中与股骨相互接触作用所产生的应力,探讨分析在临床手术中的操作界限值和相适应的假体外形.方法 对一名60岁正常男性志愿者进行双下肢的股骨中上段CT扫描,从扫描图像中建立实体模型后利用与有限元的数据交互功能进行实体模拟装配、网格划分、保形简化以及单元弹性模量赋值等操作步骤,后生成三维有限元模型,并构造股骨与假体之间的面-面接触关系,模拟分析假体植入装配过程中的相对滑移和应力分布情况.结果 下压装配过程中假体柄对骨皮质产生附加应力,带棱槽假体的大接触压力产生于棱槽变截面处,而大装配应力和相对滑移量随假体压入深度呈非线性增长,当△2≥0.5 mm后附加应力增长速率显著提高.结论 与无棱槽假体的对比分析表明采用棱槽的半髋假体更容易装配并获得机械稳定,但在临床手术装配中应参照一定的量化操作要求,避免在植入时产生过大附加应力,对骨皮质产生破坏而导致治疗失败.
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不同咬合方式下人体下颌骨膜下种植体的生物力学特性
目的 研究骨膜下种植体在4种咬合力作用下的生物力学特征,为临床病例骨膜下种植体个性化设计提供基础.方法 在下颌骨三维实体模型的基础上,分别建立网状基底骨膜下种植体(种植体1)和带状基底骨膜下种植体(种植体2).研究在4种荷载作用下两种种植体的应力分布.结果 种植体1在荷载Ⅳ作用下大应力可达230.42 MPa,种植体2在荷载Ⅰ作用下大应力可达311.11MPa.网状基底种植体具有较好的抗垂直荷载能力,而带状基底种植体具有较好的抗斜向荷载能力.结论 在种植体设计时可以通过合理布置基台个数和间距来有效控制种植体上的应力,同时应使基台与下颌牙槽嵴垂直,以保证斜向荷载水平分力不被放大.此外,还应保证基底对基台有足够的约束,避免因约束不足导致基台底部应力过大.在义齿制作过程中,应保证全口义齿做正中、前伸、侧方咬合时必须多点接触,使咬合处于平衡(牙合)状态,达到减小接触面拉应力的目的.
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下颌全牙列-直丝弓矫治器的生物力学建模
目的 建立下颌全牙列-直丝弓矫治器的生物力学模型,分析其在滑动法关闭间隙的载荷作用下牙根及牙周组织的应力和位移分布.方法 根据志愿者颌面部CT扫描图像建立下颌骨(皮质骨和松质骨)和全牙列(牙釉质、牙本质、牙髓、牙周膜)的模型,并以Roth托槽的实际数据建立一套托槽模型,与牙齿间的空隙用粘结剂来填充;弓丝和每个托槽都考虑接触,并使用弹簧元连接托槽和弓丝,模拟扎丝的作用,施加滑动法关闭间隙的载荷.结果 切牙出现牙冠向舌侧、牙根向唇侧的转矩移动,其牙周组织和牙根的应力较高,特别是中切牙,其牙周膜的大应力为3.97 kPa;第1磨牙远中根也出现应力集中,牙周膜的大应力达到5.75 kPa.结论 为了避免切牙的牙根吸收,可考虑增加前牙托槽的转矩;第1磨牙远中根也容易发生牙根吸收,建议适当降低正畸力值或采用微植体作为支抗.
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基于个性化颈内动脉瘤模型的流固耦合分析
目的 在考虑血管壁弹性条件下,分析颈内动脉血液流动和壁面切应力的分布特性,探讨动脉瘤破裂的生物力学因素.方法 依据二维医学扫描图像构建三维个性化颈内动脉瘤模型.依据人体生理统计数据构建出血管壁模型.根据人体颈内动脉生理流动条件,利用有限体积法和有限元法模拟分析流固耦合作用下颈内动脉瘤中的血流动力学.结果 在动脉瘤腔中有一个明显的涡旋存在,此涡旋流动的方向在心动周期内没有改变；在动脉瘤颈和动脉瘤壁面处存在一个壁面切应力值相对较大区域；在动脉瘤颈和动脉瘤顶有两个区域的Von Mises应力处于局部大值.从材料强度角度考虑,这几个区域都是动脉瘤容易破裂的地方.结论 通过流固耦合计算可以获得血管壁面应力分布特性,进而推断动脉瘤破裂的可能位置.
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旋后外旋型踝关节损伤有限元模型的建立与力学分析
目的 模拟旋后外旋型踝关节损伤,建立踝关节三维有限元模型.方法 基于正常人体踝关节CT图像,建立包含韧带的踝关节三维数值模型;采用有限元方法对Lauge-Hanson分型4种不同程度的旋后外旋型踝关节损伤进行分析,得到踝关节应力及胫距关节面的压力分布.结果 施加旋后外旋载荷时,应力大值位于胫腓前韧带胫骨附着点;断裂胫腓前韧带后,则位于骨间膜;继续断裂骨间膜后,应力较大值位于踝关节后韧带;再断裂胫腓后韧带后,应力较大值位于三角韧带.压力较大值则位于腓骨远端、胫距下关节面后部.结论 建立的踝足部三维数值模型可用于旋后外旋型踝关节损伤的的力学机理分析,计算出的踝关节应力及胫距关节面的压力分布符合临床中Lauge-Hanson分型的描述.
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腰椎间盘突出症力学特征的仿真计算方法
目的 建立腰椎间盘突出症力学特征的数值计算分析模型,为腰椎间盘突出症的力学机理提供一种检测评估方法.方法 利用健康成人L4～5腰椎运动节段CT影像,采用Mimics 10.01医学图像处理软件和Geomagic 10.0逆向工程软件分别建立L4～5腰椎运动节段的椎骨和椎间盘,并在Ansys软件中附加腰椎相关韧带及通过改变椎间盘突出后对应的材料属性,建立腰椎L4～5运动节段有限元模型,构建正常模型和腰椎间盘突出模型；运用有限元方法模拟正常椎间盘和突出椎间盘在轴向压力、前弯、侧弯、旋转和后伸5种载荷下的生物力学特征参数.结果 椎间盘突出后,椎间盘的应力分布及传递载荷的能力改变,应力集中于纤维环后外侧；在相同的载荷情况下,突出的椎间盘的大形变量比正常椎间盘的大；椎间盘突出模型的小关节突接触力比正常模型的小关节突接 触力大.结论 椎间盘突出后,椎间盘的承载功能下降,关节突的应力水平升高,小关节的负荷增加,从而导致腰椎稳度下降.
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侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应
目的 利用三维有限元分析方法研究股骨-骨盆复合体在人体侧向摔倒时冲击载荷作用下的生物力学行为特性.方法 基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织;同时,构建一个刚体平面仿真地面.约束地面刚体,对整个股骨-骨盆-软组织复合体模型施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms.通过三维有限元分析计算获得股骨-骨盆侧摔冲击过程中应力应变变化特性.结果 在13 ms时,股骨大转子处软组织与地面的接触力达到大值7 656 N,对应的骨盆软组织上的大等效应力值为2.64 MPa.冲击过程中,耻骨联合处骨皮质上等效应力出现极大值,为142.64 MPa,接近其屈服强度;股骨颈和大转子处应力水平较高,股骨颈处皮质骨上的大等效应力值为76.49 MPa;股骨颈处松质骨上的大等效应力值为8.44 MPa,大压缩应变值为0.94％;股骨大转子处松质骨上的大等效应力值为8.50 MPa,大压缩应变值为0.93％.结论 人体股骨-骨盆复合体在侧摔减速冲击载荷作用下股骨颈、大转子及耻骨联合处易出现骨折.
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NiTi心血管支架的疲劳断裂性能分析
目的 对NiTi合金心血管支架进行疲劳寿命的预测研究.方法 采用疲劳断裂的有限元分析方法,建立了三维空间NiTi心血管支架结构的模型,并分析了在生理脉动循环载荷作用下的心血管支架结构.结果 有限元分析发现支架结构结点附近区域的正应力大、疲劳寿命低、损伤大;同时,支架结构的疲劳寿命预测发现,用结构表面进行氮化、喷丸硬化等方法处理的支架疲劳寿命较高.相关的实验结果显示疲劳裂纹或断裂总是发生在支架结点附近区域.结论 生理载荷下的模拟结果与相关的实验结果相吻合,终为心血管支架结构的安全性指导和设计提供了理论依据.
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单椎节与单节段内固定治疗腰椎椎弓峡部裂的有限元分析
目的 通过单椎节和单节段内固定治疗腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型的生物力学实验,比较峡部裂状态和两种内固定情况下邻近终板的应力变化.方法 利用已经建立的L4双侧椎弓峡部裂三维有限元模型,重建下腰椎内固定物如椎弓根螺钉和连接杆,将两者组合构建单椎节和单节段内固定治疗腰椎椎弓峡部裂的有限元模型,在同样约束条件及载荷下进行有限元分析,比较腰椎峡部裂状态、单椎节、单节段内固定3种力学状态下邻近终板的应力变化情况.结果 轴向加压时,两种内固定方式与峡部裂状态相比较在L4下终板应力均值差异有统计学意义(P<0.05),前屈、后伸、侧屈时单椎节固定方式终板应力均值与峡部裂状态相仿,而单节段固定方式与峡部裂状态相比较在L4下终板应力均值增高有统计学意义(P<0.05),在S1上终板应力均值差异也有统计学意义(P<0.05),旋转时单椎节固定方式与其他两种状态相比在S1上终板应力均值下降有统计学意义(P<0.05).结论 单椎节经椎弓根钉棒固定系统治疗腰椎弓峡部裂在轴向加压、前屈、后伸、侧屈、旋转时不仅能提供良好的固定,而且大程度地保留了上下椎间盘的活动,尤其在旋转运动时对下一节椎间盘有良好的稳定作用.
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胫骨旋转对髌股关节应力分布的影响
目的：探明胫骨旋转状态对髌股关节应力分布的影响。方法选取7个新鲜离体膝关节，在屈膝30°、60°、90°状态下，分别用压敏片测量胫骨中立位、内旋10°、20°、30°和外旋10°、20°、30°时的内、外侧髌股关节接触压力与峰值。结果：外旋过程中，外侧髌股关节的接触压均值和接触压峰值呈非线性递增趋势，内侧呈非线性递减趋势；内旋过程中，外侧髌股关节的接触压均值和峰值逐渐减小，内侧则增加显著。上述变化在内旋20°到外旋20°的范围内较有规律。结论：胫骨旋转畸形使髌股关节应力分布严重失衡，可能是引起髌股关节退变的重要因素。
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悬臂梁长度对种植牙周骨界面应力分布规律影响的三维有限元分析
目的：为了探讨悬臂梁的存在及其长度对种植牙周骨界面应力传递、分布规律的影响。方法：采用三维有限元方法从理论上探讨了悬臂梁的存在及其长度对种植牙周骨界面应力传递、分布规律。结果：悬臂梁存在时加大了靠近悬臂梁端种植牙周颈部密质骨内的大压应力、大拉应力随悬臂梁长度的增加其应力也随之增加。统计学比较相互间有显著差性P＜0.001。悬臂梁存在与加长均由颈部密质骨承担主要应力相互间有显著的差异性P＜0.0001。颈周密质骨横断面观见悬臂梁式种植牙大压应力位于靠近悬臂梁端种植牙远中侧大拉应力则位于近中侧。结论：悬臂梁的存在及长度的增加使靠近悬臂梁侧种植牙颈周应力比近中种植牙颈周骨内应力加大显著，各种植牙间骨内应力分布不均悬臂梁的存在加大了靠近悬臂梁侧种植牙颈周的大拉、压应力使颈部应力集中更加明显应力完全由颈周密质骨承担，使种植牙周颈部骨吸收更加剧。
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人工髋关节承载状况下股骨柄应力的计算与分析
目的建立全髋关节置换术后的三维有限元模型,分析研究股骨柄的应力分布,为临床应用提供理论依据.方法应用目前先进的大型有限元分析软件ABAQUS,对人工髋关节在不同条件下股骨柄的主要力学性能,即应力分布状况进行了较为详细的计算与分析.结果①在不同的边界条件和不同的承载状态下,股骨柄的应力均是随着受力方向α的增大而不断增大.②不同的边界条件对股骨柄的应力值影响较大.③应力值均与承载大小成正比,但应力分布曲线有所不同.结论①接受人工髋关节置换术患者在日常生活中应避免髋关节的活动范围过大(α＜30°);②当仅有下三分之一股骨柄结合良好的情况下,无论承载大小,应力均随受力方向α(α＞25°)的加大而不断的急剧增加,说明在受到意外暴力时容易出现骨折或股骨柄断裂;③当股骨柄与人体股骨结合不良的情况下,即使患者髋关节的活动范围较小,股骨柄的应力值仍较大.
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基于影像学及计算机图像处理方法研究活体腰椎小关节结构三维分布
目的 基于小关节三维重建图像分析软骨下皮质骨厚度、小关节面面积及关节间隙宽度的三维分布情况,研究其结构特点及变化规律,并比较腰痛患者及健康人中这些参数的差别.方法 对90名研究对象分别行仰卧位CT扫描,获取L1 ～ S1 5个节段小关节的二维图像,重建后分别获得软骨下皮质骨、小关节面及关节间隙的三维面点云图.研究上述参数在整个关节面上、以及关节面的不同区域的分布特点,比较它们在不同腰椎节段、性别、年龄及症状组中的差异.结果 (1)软骨下皮质骨厚度方面,在上关节突,头端区厚;在下关节突,尾端区厚.中央区的厚度明显小于其他各区.各区之间的差别在低位节段腰椎中( L4/5,L5/S1)较明显.(2)小关节平均面积为(173.2±3.6)mm2,且随腰椎节段及年龄的增加而增大,L4/5节段以下及40岁以上更加明显.腰痛患者上关节突关节面的面积明显较下关节突关节面的面积大(L5/S1节段除外).腰痛患者的小关节面积明显大于健康人.(3)小关节间隙平均宽度为(1.46±0.08) mm,随年龄增加而变窄,40岁以上者更明显,女性均较男性宽,腰痛患者则显著变窄.分区比较时,关节面头侧关节间隙较尾侧间隙宽,中央区的间隙普遍较周围区宽,这些差别在腰痛患者及下3个节段中更明显.结论 计算机图像处理及重建分析技术可以较准确的测量三维空间内形状复杂的小关节的相关参数.小关节各结构在三维空间的分布具有一定特点,这些特点与关节面形态、关节间应力及关节退变等因素有关,反映了长期的负荷状态下人体结构的适应性改变.
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硅橡胶膜细胞载体的应力分析及生物相容性
目的 报道一种自制的硅橡胶膜细胞载体,通过三维有限元方法计算其表面应变分布情况,并作细胞生物相容性分析,对材料进行全面评价,为细胞的应力刺激实验提供理论依据.方法 将硅橡胶材料制作成0.1 cm厚的透明薄膜,结合硅橡胶材料的泊松比以及弹性模量,应用三维有限元分析软件对数据进行处理,模拟硅橡胶受到牵张应变后产生的形变；通过MTT方法比较细胞在硅橡胶和标准培养板上的生长情况,并采取体外皮下包埋实验验证硅橡胶材料是否具有生物学毒性.结果 在对材料加载0.5％ ～20％的过程中,有效应变范围集中在硅橡胶膜的中心区域,约占总面积的90％；同时,硅橡胶材料虽然在生物相容性方面与标准培养板存在一定差异,但其本身无生物学毒性.结论 这种自制的硅橡胶细胞载体表面应力分布良好,生物相容性尚可满足细胞培养,但表面需进一步改善,可满足细胞的牵张应变实验.
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无托槽隐形矫治尖牙整体移动的生物力学研究
目的 利用有限元方法,探讨使用隐形矫治方式,一步达到尖牙远中整体移动的佳施力方法.方法 模拟无托槽隐形矫治器载荷对牙裂有限元模型进行应力分析.结果 计算受不同力偶作用时尖牙远中面上各点受到的平均主应力及von Mises应力的标准差.结论 在对尖牙施加远中矫治力的同时施加反方向的力矩后,尖牙倾斜移动的趋势将减少.当施加的远中力与逆时针力偶的力量比例为100:125～130,即力与力矩的比例(M/F)为7.25～7.5时,尖牙根部远中面受力为均匀,即接近整体移动.
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人工股骨柄形状和表面处理对置换术后假体和人体股骨应力分布影响的有限元分析
目的 建立人工髋关节置换术后的三维有限元模型,分析研究人工股骨柄、骨水泥和人体股骨的应力分布.方法 应用三维重建软件及Pro/Engineer建模软件和ABAQUS有限元分析软件计算分析人工股骨柄中空形状和柄部预处理范围对置换术后假体和人体股骨应力分布的影响.结果 (1)倒立圆锥形中空特征的骨水泥固定型股骨柄的应力小,其股骨柄周围骨水泥近端应力亦较低.(2)具有上涂层骨水泥的股骨柄可使骨水泥近端产生的应力减小,且股骨柄与骨水泥二者之间的剪力和相对滑动亦较小.(3)随着非骨水泥固定型股骨柄微孔涂层范围的增加,人体股骨上的应力范围下移,人体股骨近端的应力减小.结论 (1)采用倒立圆锥形中空特征的人工股骨柄有助于降低人体股骨近端与假体接触区的应力遮挡效应.(2)采用股骨柄上涂层骨水泥的方法,可增强股骨柄与骨水泥界面的结合强度,有利于降低人工髋关节置换术后的假体松动.(3)非骨水泥固定型股骨柄微孔涂层范围对人体股骨的应力有明显的影响,微孔涂层范围过大不利于保持适中的人体股骨的应力和股骨柄的固定.
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RK手术后应力分布的有限元计算研究
放射状角膜切开术简称RK(Radial Keratotomy)手术, 是通过对人眼角膜进行放射状的切开,角膜在眼内压的作用下,其形状发生改变,从而来恢复视力的一种常用的近视的矫正方法.由于这种手术能使人运动自如,并符合人们的审美要求,而且手术简单, 疗效显著,因此得到人们的普遍欢迎,因而成为常用的近视治疗手段.但是其手术后的应力分布情况和变形情况一直是医患双方共同关心的问题.本课题便以此为研究核心.
