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基于影像特征的腰椎间盘突出症精确建模及介入治疗的图像仿真研究
对脊柱组织的几何建模和物理建模是目前生物医学工程领域的研究热点,这方面的研究在计算机辅助医疗诊断和计算机辅助介入治疗等方面有广泛的应用前景.本文综述了脊柱组织建模研究进展情况,重点阐述了基于影像的特征方法(CT,MRI)脊柱组织的几何模型重建,并在此基础上应用有限元方法建立物理模型.介绍了相关模型的应用特点和意义.
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复合镍钛丝在编制支架上的应用研究
为了解决镍钛合金丝在X光下不显影的问题,常用的解决方法是在镍钛丝的中增加铂和钽等显影核,形成一种复合镍钛合金丝.显影核占比越大,显影效果越好.但同时由于显影核材料不具备镍钛合金的超弹性,复合镍钛合金丝与纯镍钛合金丝的差异就越大,终导致复合镍钛丝失去超弹性.为了给临床应用选用合适的复合镍钛丝,本文先利用有限元分析软件中镍钛合金的本构模型,对含铂显影成分的镍钛合金丝的力学性能进行模拟分析,结合试验数据的验证,得到能真实反应镍钛合金超弹性的有限元分析模型.在此基础上,为了确定镍钛合金编制支架在输送过程中的残余应变,分析了直径0.13 mm,显影面积为10%~90%的镍钛合金丝在单轴拉伸和弯曲状态下的残余应变.分析结果显示,在显影面积小于50%的情况下,残余应变和大应变之间没有直接的关系,残余应变只与显影面积有关;当显影面积大于50%时,残余应变和大应变之间有着直接的关系.在实际中,支架产品存在压握至输送系统的大应变情况,因此建议选用显影面积小于50%的复合镍钛合金丝.
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用于构建虚拟手术系统的几种平台比较
虚拟手术系统是复杂的系统,选择合适的虚拟现实平台会有助于实际系统的快速有效构建.本文阐述了虚拟手术系统中关键模块的功能:几何建模、变形计算、碰撞检测等,重点对几种构建虚拟手术系统的平台进行比较,分别对OpenGL、Unity3D、Spring System、GiPSi System和SOFA等平台的特点进行了概述和比较.SOFA在涵盖了其他4种系统的优点的同时,还提供了快速便捷的开发环境,并且提供硬件加速和对力反馈设备的支持,是构建虚拟现实手术辅助系统的一个较好的选择.
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高氮无镍不锈钢接骨板的轻量化设计及生物力学研究——空心结构的影响
临床应用的高氮奥氏体不锈钢具有优良的力学性能、腐蚀性能和生物相容性,特别是其强度达到医用316L不锈钢强度2倍左右,但是临床用植入器件并没有充分利用其高强度的优势而进行结构尺寸的优化设计.本文采用有限元方法模拟研究空心结构高氮无镍不锈钢接骨板内孔的数量及孔径变化对弯曲抗力和应力分布的影响规律,结果表明随着孔数和孔径的增加,接骨板的轻量化率呈线性提高,同时三点弯曲时的弯曲抗力也明显降低,均成线性关系,应力分布随着孔的加入逐渐均匀.对于高强度的高氮无镍不锈钢而言,采用三孔结构及孔径为接骨板厚50%的设计,可以实现约15%的轻量化,而且保持较高的抗弯曲性能.同时根据研究结果,建议临床用316L不锈钢接骨板和钛合金接骨板可以采用双孔结构,孔径控制在接骨板厚度的50%以内,能够实现10%左右的轻量化,同时弯曲抗力不明显下降.
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膝关节对于足底支撑的生物力学响应：人体下肢计算机仿真
本研究的主要目的是通过建立人体膝踝足有限元模型量化膝关节结构在行走过程中对于不同足底支撑的生物力学响应。以外侧楔形鞋垫为例，利用步态分析获取肌肉模型和有限元模型的输入条件，通过肌肉模型计算得出的肌肉力进一步定义有限元模型在各个足底支撑作用下的肌肉加载边界条件。有限元仿真结果表明外侧楔形鞋垫减小了内侧半月板和股骨关节软骨处的接触压强。
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新型微创腰骶椎内固定系统的材料力学研究
目的：研究新式微创经骶骨前入路腰骶椎内固定系统在材料力学方面的生物力学特点。方法对新式微创腰骶椎中轴固定螺钉进行有限元建模，并以材料（不锈钢）和负荷状态（生理负荷或极限负荷）为边界条件，通过有限元分析，研究其在不同边界条件组合下的载荷强度和分布状况。结果在人体腰骶椎生理和极限两种负荷状态下，中轴固定螺钉所承受的大压强值为489MPa，此数据小于冷轧加工和冷锻条件下不锈钢的屈服强度（792MPa和1213MPa），说明以这两种加工条件所制造的不锈钢为制造材料，新式微创内固定系统均可达到强度要求，而且机械性能特点基本相同。结论新式微创经骶骨前入路腰骶椎内固定系统在材料力学方面达到了设计要求，适合临床应用。
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有限元分析在金属接骨板中的应用及研究现状
随着骨折内固定技术的日趋成熟,接骨板在骨折治疗中被广泛应用,各种新型接骨板层出不穷,但临床中接骨板内固定效果达不到预期的现象仍时有发生.为此,国内外众多学者采用各种方式对此展开了深入研究.为此,国内外广大学者对此进行了深入探究,其中有限元方法成为备受青睐的研究手段.文章详细阐述了有限元应用于骨折内固定接骨板的相关研究成果,并对有限元在此领域中应用的发展趋势作出了展望.
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脊柱侧凸有限元建模方法的应用进展
脊柱侧凸是一种由多种病因导致的三维复杂脊柱畸形,常合并胸廓畸形、肩失衡等并发症.由于其尸体标本难以获取以及动物模型制作困难,致使脊柱侧凸的生物力学研究受到限制.近年来,随着计算机技术、软件开发和图像处理的不断发展,应用有限元分析法建立人类脊柱有限元数字模型的技术日臻成熟,已为脊柱侧凸的病理机制、支具的设计及应用和手术方式的选择等研究提供了有力的支持,成为脊柱侧凸生物力学研究中不可缺少的工具.建立高质量的脊柱有限元数字模型是进行分析研究的基础,但有限元建模方法多样且过程复杂,因而如何根据研究目的选择合适的建模方法成为有限元研究者的首要任务.笔者在查阅近几年国内外相关文章后,对脊柱侧凸有限元建模过程包括脊柱侧凸数据的获取方式、几何模型的建立、各组织材料属性及参数设定、有限元模型的有效性验证等方面作一综述,以资参考.
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颈椎“筋出槽骨错缝”对椎动脉血流动力学作用的流固耦合分析
目的:创建上颈段“筋出槽骨错缝”有限元模型,了解“筋出槽骨错缝”状态下,颈椎活动与椎动脉血流流体之间的生物力学关系.方法:基于正常人全颈椎(C0-T1)及双侧椎动脉三维有限元模型,模拟C2齿状突周围韧带损伤引起的上颈段节段运动性失稳,建立上颈段“筋出槽骨错缝”模型.分别模拟生理载荷下颈椎活动(前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转),观察颈椎活动对椎动脉血管壁应力的作用,然后通过对血管壁与流体的流固耦合计算,获取血流动力学参数.结果:生理活动过程中,上颈段“筋出槽骨错缝”模型的表面应力集中现象、椎动脉血流速-时间变化曲线的趋势与正常模型相似.然而,病理模型在椎体及血管表面应力集中数值明显增加;正常与病理模型的出现低血流速的C2的椎间相对活动度(ROM)明显增加、与颈椎整体ROM呈现非线性变化;双侧椎动脉内血流速-时间变化曲线波动频率高于正常模型,且波动幅度加大.结论:本实验创建病理模型符合上颈段“筋出槽骨错缝”的结构形态、运动学特点,能合理解释相关临床现象,为临床治疗提供参考.
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智能气囊小夹板治疗桡骨远端伸直型关节内骨折的三维有限元分析研究
目的:运用三维有限元(FE)对自行研制的智能气囊小夹板治疗桡骨远端伸直型关节内骨折的力学稳定性进行分析,评价其治疗有效性.方法:将1位26岁健康成年男性志愿者前臂通过智能气囊小夹板固定于掌屈尺偏位,CT扫描获得数据通过Imageware 13.0、Mimics 15.0、Ansys Workbench 15.0等软件建模分析,模型均施加100N轴向恒定载荷及28KPa基础约束载荷,骨折采用AO分型,对不同骨折模型夹板固定后的应力分布进行研究,分析试验夹板的生物力学有效性.结果:构件应力云图分布示,由于腕部软组织薄,应力主要集中于桡腕关节处.C2.3,C3.2,C3.3型骨折由于骨折块数量较多、较小,在载荷条件下,其骨折固定轴向稳定性较差.而对于C1.1,C1.2,C1.3,C2.1,C2.2及C3.1型骨折力学较稳定.气囊压垫在骨折端的基础压强在0.28-0.50KPa之间,纠正移位在lcm内的骨折块需调高基础压强0.13-0.22KPa.结论:智能气囊夹板对C1.1,C1.2,C1.3,C2.1,C2.2及C3.1型桡骨远端伸直型骨折生物力学稳定性较高,通过调节夹板气囊压垫压强可有效防止和纠正骨折块移位.
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三踝骨折独立分型有限元分析及其在外固定架治疗三踝骨折中的应用初探
目的:用有限元分析方法初步探讨分析三踝骨折独立分型的生物力学机制的可行性,并应用三踝骨折独立分型方法指导外固定架治疗三踝骨折的临床治疗方案,探讨其指导意义.方法:用成人踝部的CT扫描图像,三维重建踝关节结构,建立包含韧带的踝关节有限元模型并进行初步力学分析;应用三踝骨折独立分型方法指导外固定架治疗三踝骨折,对其进行观察和评价.结果:应变较大值主要位于外踝上缘、距骨后突、距骨外突、胫腓前韧带、距腓后韧带,指导临床应用中,经过10到25个月的随访,本组22例,其中优17例,良3例,一般2例,差0例,总优良率:90.9%.结论:有限元模分析方法可用于模拟三踝骨折独立分型的生物力学机理分析,三踝骨折独立分型方法指导外固定架治疗三踝骨折疗效满意.
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基于筋束骨理论的旋前-外旋型三踝骨折有限元分析
目的:验证Lauge-Hansen分类对旋前-外旋型损伤的描述.方法:应用健康志愿者踝关节CT扫描图像,以筋束骨理论为指导,建立筋骨结构完整的踝关节有限元模型,应用Ansys软件对模型模拟加载方式模拟旋前-外旋型三踝骨折.结果:加戴旋前10N.M/外旋20N.M力矩时,压力及应力大值分别位于内踝关节面及前胫腓韧带胫骨附着点；去除三角韧带、前胫腓韧带和部分骨间膜后,压力及应力大值分别位于腓骨及后距腓韧带；离断腓骨后,压力及应力大值分别位于骨折端及后胫腓韧带胫骨附着点,通过此加载模拟出旋前-外旋型三踝骨折,获得旋前-外旋型I-Ⅳ度损伤应力分布图.结论:踝关节筋骨结构损伤后,失去筋束骨作用的稳定性发生骨折脱位,通过本实验可验证Lauge-Hansen分类法时旋前-外旋型损伤的描述.
关键词： 踝 筋束骨 有限元 Lauge-Hansen 旋前-外旋型 -
非接触式灸疗温度场的估计
目的 研究非接触性艾灸的温度场分布,为调控灸疗过程和提高灸疗效果提供依据.方法 根据生物传热的相关理论,建立描述人体组织内部在非接触性艾灸时的温度场理论模型,并据此推导当艾灸强度确定时,影响该温度场分布的体内异常热源深度与施灸处皮肤温度的对应关系.结果 在不同艾灸强度下,根据对应关系计算出的结果与有限元的分析结果进行比较,结果显示对体内异常热源深度的估测结果与有限元仿真分析结果十分接近.而组织内部温度场理论模型的正确性也得到了物理实验的验证.结论 本文提出的根据人体皮肤表面温度和艾灸强度估计体内异常热源的深度信息,继而估计出组织内温度场的方法具有一定的适用性,将有助于临床灸疗的方案设计.
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基于医学图像的人体组织有限元模型的建立方法
在医学图像处理、分析和一些成像算法重构中,建立准确的人体组织轮廓外形和有限元模型对于图像分析和改善重构算法的性能、提高分析和重构结果的准确性具有重要作用.本文使用图像处理与曲线拟合的办法,提取CT图像中的真实人体边界,进行分层的有限元剖分与相关参数设置,获得基于真实人体的有限元重构模型.该方法构建的有限元重构模型已在医学图像处理实际工作中得到了初步的应用.
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基于整体角膜膨胀实验对兔眼角膜参数的确定
目的 角膜一般被视为非线性弹性材料,用线弹性模型刻画角膜的力学特性难免存在一定误差.本研究基于体外兔眼角膜膨胀实验,探索用分段的线弹性模型描述角膜非线性弹性行为的可行性.方法 选取5只新鲜兔眼,制备附带巩膜环的角膜试件,将试件固定在自制的加压装置上,用微量注射泵给试件加压以模拟角膜随内压力的增加发生形变的过程,同时利用显微镜获取相应压力下角膜的正侧面轮廓图像.预调后,记录加载过程中压力与角膜顶点及轮廓信息.分别选取角膜内压力为7mmHg、14 mmHg和21 mmHg时的角膜正侧面轮廓图像,建立具有不均匀厚度的轴对称角膜几何模型,将角膜视为各向同性不可压缩材料,在7～14 mmHg、14～21 mmHg和21～28 mmHg三个眼内压范围内视角膜为线弹性材料,通过有限元方法分段模拟体外角膜膨胀实验,将模拟结果与膨胀实验角膜外轮廓线位移结果比对,确定角膜在上述压力范围内的弹性模量.结果 获得的兔眼角膜在7～14 mmHg、14～21mmHg和21～28 mmHg的弹性模量分别为(0.73±0.16) MPa、(2.20±0.43) MPa和(3.03±0.37) MPa.此结果与文献结果基本一致.结论 用分段的线弹性模型近似描述角膜非线性弹性行为的方法是可行的.
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松质骨微观骨小梁结构的生物力学有限元分析
股骨松质骨具有骨小梁的微观结构,其单元特性影响了股骨的整体力学性能.找到适当的单元形状与骨小梁分布特点可以帮助人们有效地进行松质骨及股骨整体的生物力学特性分析.本文采用不同结构的微观骨小梁单元模型,分析各单元的生物力学特性,并采用有限元方法,对由不同骨小梁单元及不同分布形式构成的股骨模型进行生物力学分析,获得了骨小梁单元密度与单元生物力学特性的关系的综合分析结果,找到了较好的微观骨小梁单元模型及总体布局形式,并应用于股骨松质骨建模.仿松质骨的骨小梁结构可以有效提高整体生物力学性能,所获得的微观单元优化结构可以应用于仿生结构材料的制造.
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限制型颈前路内固定钢板的有限元模拟及其生物力学分析
目的 评估颈前路内固定钢板在轴向压力、前屈、侧弯和扭转等四种生理性工况下的生物力学特性及其应力/应变分布,为临床上对颈前路内固定钢板的选择及其设计提供科学的参考依据.方法 在国人颈椎解剖结构统计学数据和颈前路内固定钢板尺寸数据的基础上,建立颈椎C5-C6功能节段-限制型颈前路内固定钢板的有限元模型,计算其在人体生理性工况下的应力/应变分布.结果 在生理性载荷下,应力/应变集中分布在骨螺钉和内植入固定板的结合部位以及内固定板的中心位置,边缘处应力/应变较小.结论 在轴向压力、前屈、侧弯和扭转四种生理性载荷下,应力/应变集中分布在颈前路内固定钢板和骨螺钉的结合处,又因该结合处为螺钉结构连接,所以,此结合处刚性连接比较薄弱,易发生内固定失败.
关键词： 有限元 生物力学 限制型颈前路固定钢板 生理性载荷 -
心血管血液流动虚拟现实
基于强大的有限元分析软件ANSYS,开发了一套用于心血管系统动脉粥样硬化病灶性部位血流动力学分析的专业软件.该软件通过友好的图形用户界面,将医学图像数字化处理、计算流体力学与流动可视化技术有机地结合起来,形成一个方便、快捷的血流动力学分析集成软件环境,可以让医生在虚拟环境下对心血管疾病进行外科手术规划,优化手术方案.
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单钉固定股骨颈骨折的应力分析
本文对单钉同定股骨颈骨折的模型进行应力计算,考虑中空钉和股骨之间的接触以及摩擦作用,分析了不同摩擦系数的影响.有限元计算结果表明:摩擦系数对计算结果有一定的影响,采用不同的摩擦系数,计算结果大相差7.16%;中空钉和股骨之间按接触计算,计算的结果更精确;如果是进行定性的分析,为了节省计算时间,可以用节点位移耦合代替接触,二者计算结果大相差8.58%.
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一种用于求解人体胸腔三维恒定电场有限元方程组的算法
本文介绍了一种用于求解人体胸腔三维恒定电场有限元方程组的算法.该算法采用直接法中克劳特分解法与分块技术相结合来求解已合成的总体有限元方程组,从而解决了计算机因内存有限而使程序经常死机的问题.该算法已成功地应用于心阻抗血流图三维有限元建模的理论研究中.
