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髋臼发育不良性髋关节的三维有限元非线性接触压力分析
目的从生物力学角度探讨髋臼覆盖程度(CE角)在髋臼发育不良引起的髋关节继发性骨关节炎中的作用.方法建立正常、髋臼发育不良及髋臼过渡覆盖的髋关节三维有限元模型,应用非线性接触压力分析方法,观察髋臼发育不良性髋关节的关节软骨接触压力及软骨下骨应力分布.结果在所有的模型中,接触压力及应力均发生在股骨头上部及与其相对应的髋臼顶穹部.在髋臼发育不良的模型中,另有过度不正常的接触压力发生在髋臼的后上缘区域.随着CE角的减小,接触压力和峰应力明显增高,接触面积下降.当CE角大于30°,压力分布类型及接触压力和峰应力改变不明显.结论髋臼覆盖程度降低所导致的生物力学改变在髋关节继发性骨关节炎中起重要作用.
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上颌中切牙的振动模态分析
目的对牙的动力学研究的基础是模态分析.随着计算机技术的高速发展,有限元法的应用领域得到进一步的拓展,可以实现对生成计算模型的物体进行各种力学分析.本研究应用有限元分析软件MARC对上颌中切牙的模型进行模态分析,以期了解其振动性能.
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预应力对假体周围骨小梁结构的影响
在人工股骨头置换术中,为了获得初始稳定性,临床上通常采用锥形自锁柄(taper-lock)或加压(press-fit)柄,在骨-假体界面加入预应力.可是,过大的过盈量引起的预应力可能使假体周围骨质产生非正常吸收,从而使界面间出现间隙,终导致松动.本文的目的就是找到过盈量的临界值,为临床手术及科学研究提供参考.我们在骨自优化方程的基础上,提出了引人参考激励值生理含义的骨自优化方程,结合非线性有限元法,预测了在一定条件下骨-假体界面过盈量的临界值.
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人体脊柱全颈椎三维有限元模型研究与应用
目的 建立全颈椎(CI-C7)三维有限元模型,进行人体颈椎的牛物力学特性研究,以其应用于临床的诊断和治疗.方法 以1例健康成年女性志愿者为研究对象,利用CT图像,基于3D插补法,建立人体脊柱颈椎三维有限元模型.结果 本研究成功地建立了颈椎三维数字化模型,包括7个椎体、5个椎间盘、后部结构及主要7条韧带.模型体积为74.878 cm3,表面积为326.16 cm2.整个模型由578 007个单元,123 358个节点构成.对模型进行了加载计算,其结果能够反映颈椎的正常生理功能.结论 本研究所建颈椎三维有限元模型高度模拟了颈椎的结构与材料特性,具有结构完整、空间结构的测量准确度高、单元划分精细、重点突出等优点.在进行加载计算时发现,椎体、小关节、椎间盘的等效应力、剪切力前屈位时要大于后伸位,计算结果与以往实验结果基本相符,所建颈椎的三维有限元模型町以用于模拟颈椎的生物力学实验.
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血流作用下冠脉支架的疲劳寿命优化
目的 评估血流作用下冠脉支架的疲劳寿命,并在此基础上对支架的疲劳寿命进行优化设计.方法 采用Pro/Enginccr建立包含植入支架、血液、血栓以及动脉壁的简化组合模型,使用ANSYS有限元分析程序,利用有限元法模拟支架在动脉壁中受血流的周期性作用,并根据支架内的血流动力学分析结果对评估支架的疲劳寿命.以支架的几何参数作为设计变量,通过拉丁超立方抽样方法选取样本点并得到对应的响应值,建立Kriging代理模型,对冠脉支架的疲劳寿命进行优化.结果 Goodman图显示优化后支架是安全的;累积损伤法表明支架大损伤点处于支架血流流入端的第2交叉面上,优化后支架的疲劳寿命提高30.55％.结论 有限元法可对冠脉支架疲劳寿命进行有效的评估,建立Kriging代理模型对支架进行优化设计可以有效地提高支架的使用寿命.
关键词： 冠脉支架 有限元法 疲劳寿命 血流 Kriging代理模型 -
不同受力方式下上颌第一磨牙牙槽骨应力分布的有限元分析
目的 利用有限元的方法研究上颌第一磨牙在牙齿矫治过程中不同受力方式牙槽骨应力分布的特点.方法 应用三维激光扫描的方法建立上颌第一磨牙、牙周膜、牙槽骨及颊面管的有限元模型,进行不同方式的加载并观察牙槽骨及其各个截面的应力分布.结果 牙齿在单一水平力和垂直力作用下,上颌第一磨牙牙槽骨在牙颈部和根部分叉处出现应力集中;牙齿趋于整体移动时,上颌第一磨牙牙槽骨处于均匀的低应力分布,各应力都小于倾斜移动或旋转移动时的应力,牙槽骨的应力在根分叉平面稍大.结论 不同受力方式下,上颌第一磨牙牙槽骨在牙颈部平面或根分叉平面应力大,临床上应注意观察这些部位的变化;整体移动更有利于牙齿及牙周组织的健康.
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种植体长度对即刻负载种植体骨界面生物力学分布的影响
目的 建立包含不同长度标准直径种植体的下颌骨三维有限元模型,分析不同长度种植体对即刻负载种植体骨界面应力应变分布的影响.方法 采用薄层CT扫描下颌骨和自主开发的USIS软件建立直径4.1 mm不同长度螺纹种植体即刻负载的三维有限元模型,用ANSYS软件分析长度分别为6、8、10、12、14 mm的种植体,在垂直和颊舌向45°加载150N力时种植体骨界面的von Mises应力、应变值.结果 随着种植体长度的增加,种植体骨界面的应力和应变值均呈下降趋势.垂直加载时,骨界面应力值在种植体长度从6 mm增加到14 mm分别下降14.9%、8.4%、11.3%和11.2%;其应变值分别下降23.4%、12.6%、12.7%和14.4%.颊舌向加载时,骨界面应力值在种植体长度从6 mm增加到14 mm分别下降19.23%、7.77%、5.2%和3%;其应变值分别下降18.2%、23.6%、10.5%和12.9%.种植体骨界面应力值在长度从6 mm增加到8 mm时下降明显,尤其是颊舌向加载时.种植体骨界面应变值也是在长度从6 mm增加到8 mm及8 mm增加到10 mm时下降明显.结论 种植体长度的增加能降低骨界面应力和应变值,呈负相关关系;但只在长度从6 mm增加到8 mm时应力值降低才较明显.这提示临床上尽量不要采用长度为6 mm的种植体,并应适当地选择足够长度的种植体.
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上颌第一双尖牙冠根纵折三维有限元模型的建立
目的:应用有限元法建立上颌第一双尖牙冠根纵折模型.方法:选择一完整的离体上颌第一双尖牙,经CT断层扫描摄片、CT图像处理、有限元建模,建立了第一双尖牙冠根纵折实验模型.结果:建立了第一双尖牙冠根纵折模型,共有2 433个节点,2 024个三维块单元.结论:将CT技术与有限元法有机结合,可以建成上颌第一双尖牙冠根纵折模型.
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基于有限元的组织工程肌腱支架材料的力学分析
目的 对组织工程生物可降解支架材料进行力学分析.方法 建立了一种组织工程肌腱支架材料的三维模型,用有限元数值分析方法,对所建模型在不同载荷情况下的受力状况进行了计算分析.结果 相对于该材料表面的狭长槽而言,大应力发生在狭长槽两端面的上方的两个角.该材料在所加力大于0.01牛时产生明显变形,当拉力达到0.05牛顿时已超过材料的力学承受极限.结论 有限元的分析方法是合理、可行的,对细胞如何在材料的分布提供理论依据.
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层流装置的设计及其流场分析
目的 设计一套切应力作用下细胞培养的实验装置.方法 采用有限元方法对设计的不同的层流装置进行流场分析,根据层流的理论公式对层流进行判定,后设计完成合理的层流装置.结果 从流场分析的结果可知层流装置中流场是合理和稳定的,通过实验和理论计算说明层流装置证明达到细胞培养的要求.结论 由层流装置构建的系统性能稳定可靠,可以用于不同细胞的动态培养.
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基于Micro-CT成像的听骨链有限元建模方法
目的 利用Micro-CT扫描数据建立中耳听骨链三维有限元模型.方法 用Micro-CT扫描成人颞骨标本,将获得的图像数据通过MicroView、Mimics等软件进行三维重建.再将模型转入其有限元分析(finite element analysis,FEA)模块的Remesh环境中进行调整、细化及面网格优化,通过SOLIDEWORK软件转换为实体网格.结果 初步形成的三维几何模型可较清晰地辨别鼓室腔、听小骨和内耳系统,但部分图像不同程度存在噪点.终形成了FEA软件可识别的成人中耳听骨链三维有限元网格模型,网格划分后的听骨链有限元模型中,完整听骨链的节点数降低,由原来包括805个不合理节点在内的12 498个节点降低到2 050个,在此基础上建立的有限元模型共1 350个8节点四面体单元.结论 结合Micro-CT技术及Mimics软件的三维建模方法可以快速获得较精确的听骨链三维数据,是建立听骨链三维有限元模型的有效途径.(中国眼耳鼻喉科杂志,2009,9:83-85)
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下颌角稳定型骨折坚强内固定后对髁突影响的有限元分析
目的:分析下颌角稳定型骨折坚强内固定以后对髁突应力分布的影响,探讨下颌角骨折引起颞下颌关节紊乱病的生物力学机制.方法:采用螺旋CT技术、计算机图形图像处理功能、有限元处理分析软件Ansys建立下颌骨正常有限元模型及下颌角骨折有限元模型并模拟坚强内固定,定量对比分析髁突应力分布状况.结果:患侧髁突表面应力分布发生了明显改变,尤以髁突前斜面和嵴顶部为显著;健侧髁突表面应力分布未发生明显改变.结论:下颌角稳定型骨折在外斜线行坚强内固定后髁突表面应力分布发生了异常改变,破坏了颞下颌关节的生物力学环境,可能是下颌骨损伤后颞下颌关节紊乱病的致病原因之一.
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不同骨结合率对种植体骨界面应力分布的影响
目的:通过建立含牙种植体的无牙下颌骨三维有限元模型,分析不同的骨结合率对种植体骨界面应力分布的影响.为临床设计种植义齿治疗方案提供理论依据.方法:使用螺旋CT扫描、CAD技术、有限元软件等,建立含牙种植体的下颌骨三维有限元模型;分析不同的骨结合率对种植体骨界面应力分布的影响.结果:不同骨结合率都会出现种植体颈部皮质骨的应力集中;当骨结合率大于或等于60%时,颈部皮质骨处应力值明显下降.结论:随着骨结合率的增加,颈部皮质骨的应力值有下降的趋势;提示临床医生在进行种植义齿修复时,需考虑提高种植体骨结合率,避免影响骨结合的不利因素,从而提高种植的成功率.
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含牙种植体下颌骨三维有限元模型的建立
目的:提出一种较快建立含牙种植体的下颌骨三维有限元模型的方法,为口腔生物力学的研究提供数学模型基础.方法:利用螺旋CT扫描,数字影像传输与转录以及UG软件相结合的办法建立含牙种植体的下颌骨三维有限元模型.结果:建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性,模型可以根据需要进行旋转、缩放、透视、剖开等多种方式观察,可以提出组成模型的不同面和体来观察某一部分的情况,还可以根据不同的研究目的和要求删除和添加材料或组织,以及改变组织和材料的特性.结论:将CT扫描技术与有限元方法相结合,建立的三维有限元模型能较真实地模拟实际情况,为口腔生物力学的研究和临床种植设计提供了研究手段.
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人工楔状缺损牙颈部硬组织应力分布的有限元接触分析
目的:分析人工楔状缺损患牙颈部硬组织的应力分布.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: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尖端均存在明显的拉应力集中,应力集中区沿釉牙本质界向(牙合)方延伸,其中尤以侧方运动工作侧一点接触载荷下的应力集中为明显,应力值大.结论:釉牙本质界破坏改变了缺损区牙颈部的应力分布.
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动态有限元法在前牙咬合过程分析中的应用
目的:采用动态有限元方法模拟前牙咬合过程,分析上、下前牙在功能咬合过程中的运动和受力变化规律,为全程描述前牙生理咬合过程提供理论依据.方法:建立上、下中切牙三维有限元模型,使用动态有限元法,定义上、下颌前牙咬合接触关系,在模拟前牙动态咬合过程中,分析上、下颌中切牙所承受的Von Mises应力与咬合过程的关系.结果:在咬合过程中,上、下前牙不同部位所承受的应力随咬合时间及下颌运动过程而变化,上颌前牙牙冠唇、舌侧颈部以及咬合功能面承受较大的Von Mises应力,下前牙在整个咬合过程中牙冠近、远中颈部始终保持较高的应力水平.结论:动态有限元法对咬合过程的模拟可以全程、准确描述出前牙的运动状况和上、下前牙随咬合运动的应力和变形趋势.为描述前牙生理咬合过程、促进动态有限元法在口腔生物力学研究中的应用提供理论依据.
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微小种植体正畸支抗生物力学的三维有限元分析
目的:建立微小种植体正畸支抗的三维有限元模型,分析以不同倾斜角度植入微小种植体时,种植体-骨界面的生物力学变化,为微小种植体正畸支抗系统的设计和临床应用提供理论依据.方法:利用ANSYS 6.1大型通用有限元分析软件,建立倾斜角度分别为30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°的7个微小支抗种植体模型.分析在200g水平力作用下,种植体-骨界面应力及位移的分布情况.结果:随种植体倾斜角度的增大,种植体颈部的Von-Mises应力值峰值分别为1.0792、1.0104、0.8848、0.8181、0.7583、0.6339及0.5608MPa.位移峰值分别为5.5513、4.9900、3.7419、3.1264、2.5874、1.3624及0.8027靘.结论:微小种植体可在任何倾斜角度上承载200g的水平向正畸力.增加种植体的倾斜角度,可以提高其承载水平向正畸力的能力,提示临床应选择垂直于颊侧牙槽骨的方向植入微小支抗种植体.
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不同冠根比例对根管壁应力影响的分析
目的应用有限元法观察牙槽嵴高度改变与根管管壁应力变化的关系.方法在已建立的下颌第一磨牙实验模型上,模拟牙槽嵴高度降低1/4、1/3和1/2建立修改模型,并在修改模型上垂直和侧向加载,计算牙齿及根管壁各部位的大能量应力.结果管壁各部应力变化的趋势与牙体各部应力变化趋势相似,但管壁应力小于牙体部应力.原模型与修改模型在根管口处的应力值接近,随之原模型的应力明显降低;而修改模型的应力在根上1/3处达到大,且固定高度越低,产生的应力越大,应力下降也越缓慢.侧向应力大于垂直应力,且固定高度越低,差异越明显.结论牙槽螬高度的改变,将引起根管壁应力的变化,两者间呈反比例关系.
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不同根管预备方法对无髓牙根管壁应力变化的影响
目的分析用常规法根管预备和逐步后退法根管预备对无髓牙在咬合过程中根管壁应力变化的影响.方法在已建立下颌第一磨牙有限元模型的基础上,模拟常规法和逐步后退法修改模型并充填建立修改模型,运用特定的有限元分析软件,计算修改模型各部及3个根管管壁各部在垂直和侧向加载时的大应力.结果2种修改模型的应力变化趋势相似,应力值在冠部几乎相同,在根部逐步后退法修改的模型的应力值略大于常规法修改的模型,3个根管中以近中颊根管壁的应力大,远中根管壁的应力其次,近中舌根管壁的应力小.修改模型与原始模型的应力变化亦相似.由于材料性质的改变,修改模型除在银汞合金处应力高于原始模型外,其它部位的应力值与原始模型接近或小于原始模型的应力值.结论无论常规法或逐步后退法根管预备都是安全有效的预备方法,临床医生可选择应用之.
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前方牵引下颅面复合体骨缝应力特征的三维有限元分析
目的:分析不同角度的前方牵引力,在不同部位颅面复合体骨缝的应力变化特征.方法:使用头颅CT扫描数据,建立颅面复合体三维有限元模型,并在模型上分别加载与(牙合)平面呈-40°、0°、+40°的前方牵引力,分析复合体上各个骨缝的应力变化特征.结果:当加载力值的方向与耠平面呈-40°时,各骨缝受到的应力明显小于加载力值与(牙合)平面呈0°时或呈+40°时的应力.在加载情况相同时,颧额缝的应力小.同一骨缝上不同点的应力值也不同.角度改变对鼻额-额颌缝和鼻颌缝的应力影响较大.结论:不同方向的前方牵引力,在颅颌骨缝上产生的应力大小不同,而以-40°时小;在加载角度相同时,同一骨缝上不同的点受到的应力也不同.
