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有限元法在口腔修复中载荷条件的研究进展
随着计算机技术的进步与发展,三维有限元法已经成为一种分析口腔生物力学研究领域中的有效工具,牙颌三维有限元模型的建立是研究口腔生物力学的基础.在维持原模型几何形状不变的情况下,可根据需要改变受载与边界条件等力学参数,对其分布变化和应力大小进行对比分析.载荷的类型有很多种,如静态载荷、动态载荷、集中载荷等,根据不同的载荷下对其模型进行应力分析,三维有限元法能更真实准确地模拟咀嚼过程中力的加载方向、方式、作用部位等.因此,本文就近年来三维有限元法应用于口腔修复中载荷条件的研究进展方面进行综述.
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多间隙微创前路椎间孔减压术对颈椎稳定性的影响
背景 临床上颈椎钩突关节增生经常是多节段存在,由于多间隙病变复杂,手术方案的制定需要考虑多种因素.临床医生发现,即使是采用微创前路椎间孔减压术治疗两节段的神经根型颈椎病,减压充分后也不一定都需要行椎间融合术.目的 本文对两个节段的钩突进行部分切除后,研究对颈椎稳定性的影响.方法 依据健康志愿者的影像学资料,采用Mimicsl3.1、SolidWorks2012软件建立三维几何模型,ANSYS15.0软件进行网格划分和网格优化,赋值各类组织的材料属性,建立颈椎(C2-C7)三维有限元模型,通过有限元分析技术研究部分切除单侧两个钩突后对颈椎稳定性和邻近节段椎体应力的影响.结果 采用文中所述切除方法进行左侧钩突部分切除后,当切除双节段(60+60模型)时,各个工况下的大位移相对于前3种切除方式均有明显的增大,而且各个工况下的大应力相对于前3种切除方式均有显著增大.结论 随着切除节段的增多和切除范围的增大,节段之间的活动度增大,局部应力增大,给颈椎带来一定的影响,导致颈椎不稳,加速颈椎的退变.因此在制定手术方案时,要严格掌握手术适应证,除非有明确的神经根、脊髓受压的指征,否则不可盲目扩大切除范围.
关键词： 颈椎稳定性 微创前路椎间孔减压术 颈神经根病 钩突关节 有限元法 -
离散化误差对二维EIT影响的初步定量研究
目的 结合具体重建算法,定量讨论有限元离散化误差对正逆问题的影响.方法 利用软件NETGEN产生7个不同剖分规模的圆域模型,以其中密剖分模型为参考,讨论其他模型的边界电压误差,然后提出重建图像质量函数D、结构相似度SSIM和误差总和TE三种重建图像评价指标,对无噪声和含有不同信噪比噪声两种情况的NOSER算法重建图像进行了比较.结果 在无噪声和噪声信噪比不太小(＞35 dB)的仿真实验中,剖分愈密成像质量愈高.当剖分规模达到一定程度时,图像质量提高幅度有限.结论 有限元离散化误差对于EIT问题至关重要,对于NOSER这种线性近似的非迭代算法,圆域模型选择中等剖分规模(如2000～3000个单元)即可达到很高的精度.
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脑组织射频消融的有限元仿真与分析
目的 运用有限元方法(finite element method,FEM)模拟颅内病灶射频消融过程中的温度场分布,以合理有效利用热疗方案,提高射频消融对颅内病灶的治疗效果.方法 建立电导率不变和电导率随温度变化的两种有限元模型,并对两种模型的中心温度、电场强度、热生成率、比吸收率(specific absorption rate,SAR),以及热损伤区域进行对比分析.结果 对比电导率不变的有限元模型,在电导率随温度变化的情况下,电场强度减小,电流密度增大,中心温度升高,热损伤范围增大;当消融温度接近100 ℃时电导率变化明显,其对消融效果影响较大.结论 射频热疗手术中考虑随温度变化的组织参数有较高的临床参考价值.
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隐形矫正中不同附件对下颌尖牙唇舌向平移移动的影响
评价隐形矫正中不同的隐形矫正附件对下颌尖牙唇舌向平移移动的影响.应用三维CT扫描技术及Mimics,Geomagic Studio等软件通过三维逆向建模方法建立下颌的三维模型.使用Solidworks软件建立了12个不同的隐形矫正牙齿黏贴附件的模型.使用建立的模型在ABAQUS软件中应用有限单元方法,模拟在没有附件辅助以及有12种不同的附件辅助下,下颌尖牙的唇舌向平移移动0.25 mm.应用尖牙牙冠顶端与牙根尖端初始位移比值的绝对值|Rcr|来衡量尖牙旋转中心的位置,在没有附件的算例中|Rcr|值为2.902,在有附件的算例中| Rcr|均大于2.902.| Rcr|在4个整体附件的平均值为1.57,在半体附件中的平均值为2.25.当附件为半体附件时,尖牙的移动趋势更接近平移.尖牙牙周膜大yon Mises应力在没有附件时为1.077 MPa,在有附件的算例中大的应力值为1.129 MPa,相对于没有附件时仅增加4.83％.水平椭圆体附件上大的von Mises应力值可高达245.1MPa.研究得出结论:黏贴附件有助于尖牙的整体平移移动;并不是大体积或面积的附件更有助于尖牙的平移移动;半体附件对于促进尖牙的平移移动更有效;合适该次矫正治疗的附件是左半四面体附件.
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球囊扩张式冠脉支架生物力学性能研究
研究具有不同连接筋的冠状动脉支架的力学性能,为支架的设计开发以及介入治疗提供更加科学的指导.采用Solid Works建立3种不同连接筋的支架模型(根据连接筋的形状分别称为W-支架、S-支架和L-支架,压握壳以及球囊模型),使用Hypermesh软件完成模型的网格划分,应用ABAQUS软件模拟分析了径向回弹、轴向缩短,扩张不均匀性以及径向支撑刚度和柔顺性,并结合径向均匀加载和“四点弯曲”测量技术的径向支撑刚度和弯曲刚度的测试方法验证了数值模拟的合理性.结果表明:3种支架的各项力学性能都在安全范围内；相对而言,S-支架的支撑强度较大,支撑刚度为3.34 N/mm,容易造成局部血管壁的损伤；L-支架的轴向缩短率较大,为8.25％,不利于支架在血管病变部位的正确定位；S-支架和L-支架的弯曲刚度分别为:17.74 N/rad和18.00 N/rad,它们的柔顺性较差.3种支架的力学性能各有优缺点,其中W-支架的综合力学性能相对较好,这在临床上为选用支架提供良好的参考依据.
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模拟正常动脉壁残余应变和应力的数值研究
目的 探讨残余应变对动脉壁周向应力-应变分布的影响.方法 构造残余应变数值施加方法,对在不同生理血压下的动脉壁应力-应变进行数值模拟,并且模拟了残余应变使动脉圆环张开的情形.结果 动脉壁的周向应力水平明显降低;周向应变沿壁厚的分布趋于均匀;动脉圆环的张开角α大致为7°.结论 残余应变降低了载荷状态下的应力水平;残余应变直接改变了载荷状态下动脉壁沿径向的周向应变分布;残余应变的存在会使无载荷状态的动脉圆环发生张开;血管壁优化状态体现了均匀应变优化标准.
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基于动态心脏模型的体表心电图仿真研究
以往的电生理心脏模型大多是静态的,而非动态模型.这样在用准静电场理论求解体表电位时,整个心动周期中等效心电偶极子(源点)与体表(场点)之间的距离假设为恒定不变,从而会引入较大的系统误差.因此,为了更准确仿真心电图,有必要采用动态或跳动的心脏模型.基于原来静态心脏模型,构造了一个动态心脏模型,并对体表12导联心电图进行仿真比较研究.在动态心脏模型中考虑了心肌电兴奋引起的心脏机械力学收缩,通过计算心动周期中心室壁的位移,从而将心脏与体表之间的相对距离变化考虑进体表电位计算过程.仿真结果表明,对于正常心电图,基于动态心脏模型的仿真结果比基于静态心脏模型的仿真结果更符合临床记录心电图,特别是V1-V6胸导联的ST段和T波.对于前壁轻微缺血情况,在动态心脏模型的仿真心电图中能明显看出ST段和T波的变化,而在静态心脏模型的仿真心电图中与正常心电图相比看不出什么变化.本研究的仿真研究证实了动态心脏模型的确能更准确地仿真体表心电图.
关键词： 心电图 电生理-力学动态心脏模型 有限元法 心肌缺血 -
颈椎半椎板切除后小关节部位的应力分析
根据CT数据建立了颈椎C4-C6功能节段的三维非线性有限元完整模型,并在此模型基础上建立了椎板切除模型.考察了椎板半切除术对小关节的生物力学影响.将C6椎体下表面固定作为边界条件,采用三种加载模式,即于C4椎体上表面施加1.8Nm分别沿矢状面、冠状面、轴面方向的纯弯矩.通过计算得到了C5半椎板切除后小关节部位的应力变化.结果 表明,半椎板切除手术对各加载模式下小关节面的Von Mises应力有较大的影响,应力变化大处应力上升了187.5%.评价颈椎半椎板切除术不能忽视手术对小关节的影响.
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冲击过程中脑组织力学行为的数值模拟
通过有限元法,计算不同加速度载荷下人体脑部颅压变化,并将计算结果与头部损伤准则(HIC)标准进行对比.使用超弹+黏弹本构关系模拟脑组织行为,分析颅骨-脑组织系统在冲击载荷下的力学响应,并对比重力、脑脊液压力等对脑组织力学行为模拟的影响.结果发现,考虑重力与否(重力方向与速度和加速度方向垂直)对求解的影响相对较小,考虑重力因素会使每个颅压波动周期内的小值略有增加.在加速度载荷施加的时间范围内,第一个颅内压力波动周期内的颅压的大值较大,并在随后的波动周期内逐渐降低.对于人体脑部组织保护而言,考虑脑脊液压力的计算更靠近安全设计.对于不同的加速度载荷,HIC标准在判断人体脑部组织损伤时具有不一致的效果.在汽车(机车)的高速制动(加速)过程中,减速(加速)的初始阶段对人体脑组织的危害性大.
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记忆合金平面螺旋微波热疗天线的设计与仿真
本研究采用单程形状记忆合金制作了背腔式阿基米德平面螺旋热疗天线,该天线束缚在导管内,进人腔体后,在体内37℃环境展开为平面螺旋状天线对肿瘤实施微波热疗.针对人体肌肉组织微波热疗模型,采用有限元数值分析方法,对该天线在肌肉组织中产生的电磁场分布及单位质量电磁能量吸收率(SAR)进行了模拟计算.结果显示:由于采用单程形状记忆合金制作,背腔式阿基米德平面螺旋天线的形状及大小可不受身体结构的限制进入腔体,微波热疗的范围可通过调节天线来实现.
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不同设计的Ⅰ类洞型对修复牙体应力的影响
目的:评价不同设计的Ⅰ类洞型对修复体产生应力的影响.方法:在后牙牙合面设计圆柱、圆台及圆球三种Ⅰ类洞型分别进行复合树脂充填,采用三维有限元法对承受不同垂直向力所产生的应力进行数值分析.结果:在所设计的三种洞形垂直向全咬合面上加载时,应力峰值分别为2.108MPa、2.589MPa和2.681MPa;在1/2咬合面垂直向加载时,应力峰值分别为16.720MPa、16.242MPa和15.537MPa;即二种加载条件下,三类洞形的应力峰值之间均无显著差异.结论:后牙树脂修复时,窝洞洞角的改变对牙体承载能力无显著影响.
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骨功能适应性重建模型及数值模拟
骨骼会受到力学因素的影响和调控,发生骨功能适应性重建.建立模拟骨重建的数值模型,定量地研究骨重建过程,有着重要的临床应用价值.目前,骨功能适应性重建模型可分为两大类:力学模型和生理模型.对这两类重建模型的原理、算法和应用等做详细论述.力学模型通过假设力学环境与骨结构之间的函数关系来预测骨重建,但不考虑其真实的生物学过程.基于不同的重建激励主要有两种力学模型:骨力学稳态模型和骨损伤修复模型.生理模型则试图从微观层次阐明骨重建的力学-生物学机制,骨重建是由破骨细胞、成骨细胞等各种骨组织细胞完成,有以基本多细胞单位的形式作用或细胞独立分开作用两种观点.这些重建模型结合有限元法应用在许多有关骨重建问题的数值计算中.通过比较分析多个数值应用的模拟结果,还讨论了重建控制方程中各参数值的设置对重建结果的影响.
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初始密度对骨自优化结果的影响
骨自优化理论在研究骨的生长机理,以及预测非正常情况下(如骨折后的修复,多孔覆盖植入物附近骨的生长过程等)骨的适应过程具有非常重要的意义,是从宏观角度研究受力与生长的关系.本文将骨自优化理论和有限元法结合起来,用计算机模拟了悬臂梁模型的密度分布及激励情况,得到了类似于工程中的桁架结构.重点讨论了参考激励值K固定时,初始均匀密度的变化对结构终形状和质量的影响.并用骨痂吸收的实际例子再一次验证了初始均匀密度的影响.
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结合有限元和边界元方法求解三维心电图逆问题
本文提出了一种应用结合有限元和边界元的方法求解三维心电图逆问题.文中推导了描叙人类心电场的有限元模型和边界元模型,以及二者结合的形式,并在一个包含各向异性导电性肌肉层的三维人体模型下进行了心外膜电位的重构计算.其结果证明这种方法对求解多层和包含各向异性媒质场域内的电磁场逆问题非常有效.
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用有限元法计算媒质各向异性真实头模型脑电正问题
神经元所产生的脑内电活动通常可用电流源偶极子来模拟.讨论用有限元法计算电流源偶极子产生的电流与电位分布,推导出计算偶极子源在各向异性导电媒质中的有限元方程,并对其进行变形,使得在各向异性导电媒质中生成的有限元刚度阵对称.这一算法已应用于媒质各向异性的真实头模型脑电计算,得到了较为满意的结果.
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关于头部组织材料性能敏感性对颅内压力响应的研究
应用有限元法(finite element method)和试验设计技术(design-of-experiment DOE)研究人头部颅骨(skull)、脑脊液(cerebral-spinal-fluid CSF)和脑髓(brain)材料性能的敏感性对颅内因撞击而产生的压力响应.该研究采用头部的有限元模型,用三因子、三层次的因子试验设计对影响颅内因撞击而引起的压力的颅骨、脑脊液和脑髓的材料性质的敏感性进行分析.研究结果进一步证实了颅骨、脑脊液、脑髓的材料性能对颅内因撞击而引起的压力的重要影响.本研究为进一步的头部的有限元分析提供了新的见解,并提出了对头部组织的材料性能作更进一步的探索.
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口腔医学中有限元分析法的应用
口腔生物力学是一门由力学、医学、生物学、数学和物理学相结合的前沿学科,它体现了现代科学技术的发展已成为严密的综合体系,具有各学科彼此渗透、相互交叉、紧密联系的特点随着科技的发展,有限元分析法已成为一种有效的工具在口腔医学中得到广泛应用和发展,它作为一种和现代计算机技术相联系的理论应力分析方法 ,在口腔医学中应用中是先进、有效、方便实用的.
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有限元法在腰椎运动学分析中应用的研究进展
1腰椎有限元模型建立有学者对腰椎运动学的有限元研究集中于单个及双节段腰椎[1-4].刘耀升等[3]采用计算机辅助设计(computer aided design,CAD)技术建立L4-5节段有限元模型,用非种子区域分割方法提取该节段的二值图像,然后采用反应腰椎生理曲度的佳切割平面生成轮廓线并建立分段线性子空间,经过仿射变换分段线性子空间为规则子空间等方法建立表面模型,终获得仿真模型.
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腰椎运动节段新型有限元模型研究
目的建立成年男性腰椎L4/5运动节段有限元模型,用于进一步的生物力学研究.方法将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX建模建立正常中国男性L4/5运动节段的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转移成有限元模型.结果建立了正常中国男性L4/5运动节段有限元模型,模型总节点数为2 120个,包括1 728个Solid单元,592个Area单元,50个Link单元.结论通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以建立腰椎运动节段的有限元模型,用于脊柱生物力学的研究.
