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用于冲击动力学响应分析的人体颈部有限元模型建立和验证
根据冲击动力学响应分析要求,建立了中国人C1-C7颈椎及T1胸椎复合体三维有限元模型.该模型以中国50百分位成年健康男性为建模素材,通过螺旋CT扫描生成DICOM格式图像数据;利用Materialisc mimics、逆向软件及Pro-E进行三维重建;运用TrueGrid划分网格,模型由椎骨、椎间盘、小关节、韧带和肌肉等结构组成:共得到15 023个单元和24 916个节点,其中实体单元14 626个、杆单元19个、索单元378个.在LS-DYNA中仿真,所得结果与前碰撞志愿者实验数据基本相符.我们提出了一种快速、逼真建立复杂有限元模型的方法,高质量的八节点六面体单元,提高了计算的速度和稳定性.进行模型的冲击动力学响应分析,对于研究中国人颈部损伤具有重要意义.
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脊柱侧凸个性化支具的生物力学研究
研究青少年特发性脊柱侧凸患者个性化支具的设计方法及其矫形效果.首先通过一例脊柱侧凸患者的三维CT数据,建立胸腰骶及骨盆的有限元模型,在该模型基础上研究个性化支具的设计并根据临床实际情况对其矫形效果进行仿真.结果表明,个性化支具在冠状面内的矫形效果好于其它支具并且在矢状面内没有副作用,由束紧力引起的支具上的作用力与文献实验结果基本一致.本研究为个性化支具的设计提供了一种切实有效地方法,可以提高患者的矫形效果.
关键词： 青少年特发性脊柱侧凸 有限元模型 个性化支具 矫形 -
人体足部三维有限元模型的有效构建方法及其合理性的实验分析研究
为建立足踝生物力学数字仿真研究平台,应用逆向工程原理,通过对序列螺旋CT图片处理建立足部三维实体模型,然后对其进行有限元网格划分.关节软骨、韧带、肌腱和足底软组织的建模过程参考了大量解剖数据和标本实验结果,并巧妙地利用杆单元和壳单元使模型得到合理简化,又逼近生理状态.为验证模型的有效性,对7具新鲜离体标本进行实验,在电子万能试验机加载条件下,用数字散斑相关法测量位移.实验结果充分论证了模型的有效性和临床应用安全性.在与实验比较和相互比较的基础上,本文还证明跖筋膜末端联接在跖骨头上的模型更具合理性.
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基于大似然算法的心电逆问题研究
心电逆问题是通过测得的体表电势分布求取心外膜电势分布的过程,具有重要的临床意义和生理意义.本文采用有限元方法对心脏和体腔进行二维建模并求解心电正问题,然后构建状态空间方程,建模得到的体表电势与心外膜电势之间的关系为系统的测量方程,相邻时刻状态之间的关系为系统的状态方程.对于参数的不确定性问题,建立似然函数,引入期望大化(Expectation Maximization,EM)算法来求解,步骤E(Expectation)采用卡尔曼滤波对参数进行估计,步骤M(Maximization)利用似然函数重新估计约束,步骤E,步骤M循环迭代.后对整个过程进行仿真,结果显示采用期望大化(EM)算法时,解的收敛性要好于传统的卡尔曼滤波的解,相对误差也可以得到大幅度的降低.
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研究颅脑交通伤的有限元模型的建立及验证
建立基于人体解剖学结构的HBM(Human body model)头部三维有限元模型.详细描述了人体头部的主要解剖学结构,模型由头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液、软脑膜、大脑、小脑、脑室、脑干、脑镰和脑幕等组成.采用人体头部碰撞实验数据,比较了实验与仿真中头部的动力学响应和颅内压力分布参数,对头部有限元模型进行了验证.结果表明,该模型具有较好的生物逼真度,可以用来分析研究车辆交通事故中颅脑创伤和损伤机理.
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韧带和跖腱膜在足部有限元分析中的力学作用
目前通过建立足部三维有限元系统模型进行足部生物力学仿真已经逐渐被应用,而在大多数足部三维有限元模型的静态分析中,韧带和跖腱膜等软组织是通过直接连接骨骼上相应的附着点形成的索单元来模拟,而关节软骨把相邻的骨骼直接固连在一起.这种用关节软骨固连的方式代替真实的骨骼间的滑动摩擦,增强了骨骼间的结构强度,可能会造成原本由韧带等起到维持骨骼间相互作用却完全由关节软骨代替,即在有限元模型中,可能韧带等组织对仿真不起力学作用.本文的研究目的是在双足站立、静态载荷,关节采用固连方式时,分析足部三维有限元模型中有无韧带和跖腱膜对足部各种组织应力分布以及组织结构形态变化等的影响.
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一种血管内支架的有限元模型及计算流体动力学分析
支架植入所造成的血栓、血管损伤及其对血流动力学的影响是造成支架内再狭窄的主要原因.我们利用有限元模型与计算流体动力学的方法,分析了一种支架在植入过程中与斑块、血管的相互作用及其对血流情况的影响.结果发现:支架植入后端部发生翘起,这容易损伤血管壁;支架植入模型所对应的即刻回缩率明显高于支架自身的回缩率,其结果分别为12.3%、3.1%;支架壁厚与连接筋设计能够引起血管壁面剪应力的明显变化.这对于血管内支架的设计具有一定的指导意义.
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L3-L5三维非线性有限元模型的建立及其临床意义
本研究选择一位32岁正常男性,用CT扫描的方法,借助CATIAV5和MSC.Marc/MSC.Mentat软件,建立正常人L3-L5的三维非线性有限元模型.计算了模型在10 N·m纯力矩作用下脊柱功能单位的平均刚度,参照前人尸体标本生物力学测试结果,验证了模型的有效性.本模型可用于进一步的临床生物力学研究.
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声带振动的二质量块-有限元模型
研究声带振动模型对揭示声带振动特性及理解声带振动的生理病理特征具有重要意义.本文结合非对称二质量块模型和有限元模型的优点,建立了声带振动的二质量块-有限元模型,并利用该模型实现了高速声门图的仿真.仿真结果表明,无论是正常声带的振动状态还是病理振动状态,输出结果都和实际声带振动特性相吻合.该模型为全面理解声带振动特性提供了一个崭新的工具.
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主动脉瓣膜心舒张初期振动仿真
建立了主动脉瓣膜的有限元模型,几何模型参考人工生物瓣膜的形状,材料模型采用准线弹性模型.运用有限元动态分析方法仿真主动脉瓣膜在心室舒张初期的运动.仿真结果表明:瓣膜在心室舒张初期产生振动.瓣膜弹性变差、厚度增加、跨瓣压变化率减小或初始跨瓣压变小,使瓣膜振动产生的声音减弱,临床第二心音的主动脉瓣成分减弱可能与上述原因有关.
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虚拟手术中软组织实时形变模型的研究进展
生物软组织是一种具有非线性(nonlinearity)、各向异性(anisotropy)、近似不可压缩性(quasi-incompressibility)、黏弹性(viscoelasticity)等特性的弹性体材料,对于人体软组织实时形变行为的建模与仿真是当前虚拟手术仿真系统(virtual surgery simulation)研究中的难点和热点之一.本文就目前虚拟手术系统中描述软组织实时形变模型(deformable models)的研究现状进行了分析与总结,并就未来的发展方向进行展望.
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基于有限元模型的人体头部尺寸对颅内响应影响的探讨
本研究借助第5和第95百分位中国人头部有限元模型,通过对比小尺寸头部和大尺寸头部在相同载荷下的加速度、颅内压力和剪应力,来说明头部尺寸对其生物力学响应存在着较大的影响.在此基础上,本研究还进一步通过将大尺寸模型换算到小尺寸,将小尺寸模型换算到大尺寸,探讨了尺寸缩放方法在用于考虑头部尺寸的生物力学研究中的合理性.研究结果表明现有的采用相同头部损伤准则(HIC)值评估不同尺寸头部损伤有一定的局限性,并为更加科学地评判不同尺寸头部损伤提供了新的理论依据.
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基于分类体数据的五层有限元真实头模型建立
本文提出了一种根据分割后的断层成像数据构造包含五种组织的有限元真实头模型的方法.首先利用人体头部断层成像数据采用配准的方法确定每个像素单元的位置坐标,然后在有限元ANSYS软件中建立包含五层组织的真实头模型的每个六面体单元,后在通过该方法得到的真实头模型上进行阻抗成像正问题计算.在真实头模型上的仿真研究结果表明,在所构建的有限元模型(FEM)上进行脑电/脑磁(EEG/MEG)计算的合理性与可靠性.应用本文方法生成六面体剖分的高分辨率有限元真实头模型与核磁共振(MRI)数据相结合,能更好地用于EEG/MEG 分析研究中.
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髋臼周围肿瘤切除后腓骨移植重建的有限元研究
目的 建立精细人体全骨盆及髋臼周围肿瘤缺损后重建的三维有限元模型,探讨腓骨移植联合3种不同内固定重建骨盆环后的应力分布规律. 方法 采集1例35岁正常男性L_3至股骨中段、单侧腓骨及内固定系统的CT数据集,建立人体全骨盆及髋臼周围肿瘤切除后腓骨移植联合钢板(Plates)、椎弓根棒(pediele-rods,PR)、骶髂棒(sacral-iliae rods,SIR)3种内固定方式模拟重建的有限元模型.模拟双腿站立位,L_3椎体表面施加500 N的垂直载荷,分析重建后的骨盆、移植腓骨及内固定系统的应力分布情况,并进行评价. 结果 建立了髋臼周围肿瘤切除后腓骨重建的有限元模型.移植腓骨应力集中多发生在与宿主骨接合处附近,不同内固定系统中,Plates与螺钉或钛棒与螺钉接合部分易发生应力集中;Plates重建时,移植腓骨及健侧股骨颈应力较少发生应力集中;SIR重建时,移植腓骨及健侧骨盆应力集中明显. 结论 游离腓骨移植、Plates内固定重建骨盆应力分布与完整状态趋于一致,是修复髋臼周围肿瘤切除术后骨缺损的较好方法;有限元模型可作为骨盆生物力学研究的工具.
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下颌骨三维有限元模型的边界约束设计
目的:在微机上建立下颌骨三维正交各向异性有限元模型,并模拟咀嚼肌、韧带等边界约束.方法:采用活体青少年人颅为标本,用CT扫描技术、图形数字化仪等方法在微机上建模,采用柔索约束、受压间隙元等形式进行边界约束.结果:柔索约束形式与咀嚼肌、韧带的约束作用较为一致,受压间隙元能正确模拟对颌牙及关节窝的功能作用.结论:采用柔索约束、间隙元作为下颌骨及髁突的边界条件,可提高模型的相似性,为下颌骨的受力分析奠定基础.
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支抗种植体--骨界面三维有限元模型的建立
目的:建立人磨牙缺失区下颌骨支抗种植体-骨界面三维有限元模型,为分析其应力分布规律奠定基础.方法:以人磨牙缺失区下颌骨为标本,取其横断面形态输入计算机,通过 ALGOLFEAS(ALGOL Finite Element Analysis System)有限元分析软件的断面拉伸技术重建下颌骨的立体形态,将已做成的种植体三维模型与其拟合,并对三维的种植体颌骨模型进行单元网格划分后建模.结果:建立了有效的支抗种植体-骨界面应力分布规律分析用三维有限元模型.结论:模型的几何相似性、生物力学相似性及临床适应性均佳,可用于分析支抗种植体-骨界面应力分布规律.
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腰椎骨质疏松三维有限元模型的建立及应用
目的 探讨利用螺旋CT建立骨质疏松腰椎三维有限元模型的高度数字化方法,为腰椎骨质疏松的生物力学试验建立良好的试验模型.方法 选取老年男性正常人体脊柱标本一具,范围从L4到L5,先行X线检查以排除可见的脊椎病变及损害.经螺旋CT沿横断面1mm层厚扫描,以jpg格式输出其断面图像并转入微机保存.结果 利用三维重建软件Mimics建立腰段脊椎三维计算机模型.利用有限元软件Ansys的前处理功能,补充建立终板、椎间盘、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带等结构.结论 我们建立的骨质疏松腰椎有限元模型接近真实的生物力学标本,是理想的研究骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型.
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下颌骨三维有限元模型分析模拟咬合创伤对髁突的力学影响
目的 建立下颌骨的三维有限元模型,模拟可导致咬合创伤的异常咬合力,研究对髁突力学影响及位移变化,为临床研究TMD与咬合创伤提供实验证据.方法 选咬合关系正常的男性志愿者,CBCT扫描后得到DICOM数据,髁突顶作约束设计,经划分网格生成有限元模型.工况一:左侧下颌第1磨牙不咬合接触面垂直加载不同负荷;工况二在同一模型上设计颊侧方向不同负荷,研究不同工况下左侧髁突处应力分布变化的规律.结果 建立了下颌骨的三维有限元模型,随着载荷的成倍数增加,髁突受力范围一致,但张力和应力也成倍数增加.然后模拟咬合创伤条件下相同牙位施加相同载荷后,应力较垂直负荷时变大,髁突位移距离也增加,结论形成咬合创伤的异常咬合力,可影响髁突的力学传导,导致髁突的病理性改变.
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用于每搏心输出量计算的Kubicek电极配置结构的三维有限元仿真研究
本文作者从Kubicek模型三维有限元仿真的角度对用于每搏输出量(SV)测定的Kubicek恒流式环形四电极法的电极配置结构进行了三维有限元的仿真研究.Kubicek三维有限元模型采用非均匀介质双圆柱模型来描述.该模型长为46.36 cm,外圆半径为13.0 cm,内圆半径为1.1 cm,不等间隔地分为19层.每层的剖分按六个圆环划分(R1=1.1 cm或1.2 cm,R2=2.5 cm,R3=4.5 cm,R4=7.5 cm,R5=11.5 cm,R6=13.0 cm),共66个单元,73个结点,并采用12个附加单元来仿真每一个电压检测电极带,其电阻率设为0.1,(Ω.cm),厚度为0.5 cm.
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人体组织与坐垫作用力——建模与测量
人体处于坐立状态时,软组织与坐垫之间的相互作用力导致两者产生形变,由于人体组织与坐垫的力学性能的不同,不同座椅、不同实验者的差异,其压力分布有所差异.本文研究了一种测量人体与坐垫表面形变、作用力的方法,此方法的目的是模拟人体组织在坐垫表面的压力分布,通过二维平面应变有限元模型模拟人体股部与海绵平垫的相互作用,同时对不同个体与海绵之间的相互作用力进行了测量,对提出的模型进行验证.结果显示该模型能够有效地拟合不同个体,不同种类海绵之间的相互作用.
