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髓核假体-柔性稳定系统的在位生物力学仿真分析
髓核假体置换是治疗下腰痛的有效方法之一.本研究利用有限元模型对制备的髓核假体进行在位生物力学分析,并仿真设计了由髓核假体、弹性翼状编织物和钛合金螺钉组成的柔性稳定系统,以防止髓核假体发生在位失稳.有限元生物力学模型分析的结果表明:该髓核假体在静载荷下没有发生明显的失稳现象;柔性稳定系统可解决髓核假体在运动状态下潜在的失稳问题;采用低模量Ti合金材料有助于避免固定螺钉产生的局部应力集中.
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基于CT图像重建腰椎活动节段三维有限元模型及其应用
腰椎节段三维有限元模型既要求在视觉上与实际相似,又要求易于网格划分和数学求解.本文基于中国人体腰椎L4-5活动节段的系列二维截面CT图像,采用轮廓线的描述方式提取平面数据,通过将平面数据坐标进行三维化处理,获得腰椎节段的三维体数据,后直接利用ANSYS有限元分析软件,采用自底向上的建模方式重建腰椎节段的三维有限元模型,并利用该模型研究了L4/5腰椎间盘的生物力学行为.结果表明,该模型具有很好的视觉效果和数学求解能力.
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一种基于脑MR图像的三层头模型自动分割方法
在求解脑电图EEG及脑磁图MEG正问题的过程中,常需要对人体组织中介电常数差距大的地方进行分层建模,以便更加准确的计算其传导矩阵.在人体脑部的各个组织中,颅骨和周围脑组织的介电常数差别尤其大.如何从脑MR图像中自动、准确地分割出颅骨部分,成为精确计算MEG/EEG正向传导矩阵的关键问题.而在磁共振图像(MRI)中,虽然软组织能被很清晰的成像,但颅骨却因为缺少氢而在图像中成像模糊,用传统的分割算法很难自动分割出准确的结果.为解决上述问题,本文提出一种结合脑组织平滑的先验信息和基于形变的曲面演化自动分割算法,来分割脑MR图像中的颅骨部分.再利用基于水平集的活动轮廓方法提取出头皮组织,进而构建出EEG及MEG正问题计算所需的三层真实头模型.我们将自动分割结果与手动分割结果进行了比较,证明了本文方法的有效性.
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兔肛门直肠三维有限元模型的建立
目的:建立兔肛门直肠三维有限元模型.方法:选取1只1月龄♂新西兰兔.先观测兔直肠肛门的厚度、管径等解剖病理学数据,根据这些数据,在模型图上描绘坐标、原点和模型轮廓线,确定模型的各节点在三维空间的X、Y、Z轴上的坐标值,在坐标系内按有限离散原则划分单元与节点.然后分离兔肛门直肠不同层面的组织,运用力学仪器测算各层面的杨氏弹性模量、泊松比等力学参数.后将这些数值输入SUPER-SAP有限元软件建模.结果:测得正常兔肛门直肠不同层面组织的杨氏弹性模量、泊松比,建成含1342个单元、1800个节点的兔肛门直肠有限元模型.结论:建立外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的兔肛门直肠有限元模型,阐述一种建立软组织有限元模型的思路和方法,为肛门直肠疾病的病因、诊断、治疗等提供理论指导.
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大动脉调转术后主动脉瓣关闭不全的机理研究
目的：探讨大动脉调转术后主动脉瓣关闭不全的生物力学机理
方法：通过对我科2006年至2012年14例大动脉调转术后患儿中远期随访结果及术后不同程度主动脉关闭不全影像学资料的分析，结合有限元模型模拟仿真的研究，从生物力学角度探讨大动脉调转术中重建窦管交界和窦部形态对术后主动脉瓣关闭发生的机理。 -
非融合棘突间撑开器治疗腰椎早期退变性腰痛的三维有限元分析
目的 建立非融合棘突间撑开器(IPD)及腰椎L4、5节段有限元模型,对撑开器植入前后力学环境进行研究.方法 腰椎行CT扫描,根据CT生成实体模型,与撑开器模型一起导入PATRAN生成有限元模型,施加中立位及后伸负荷分析椎间盘受力.结果 中立位负荷时IPD受力小;后伸时IPD可分担椎间盘负荷,但L5椎弓根负荷增大.结论 基于CT及CAD可建立非融合棘突问撑开器及腰椎的有限元模型,棘突间撵开器可分担后伸时椎间盘的负荷,但可能会增加L5椎弓根崩裂的危险.
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有限元方法在腰椎研究中的应用
有限元分析是当今大多数工程设计中一个关键的步骤.它作为一种高效的设计工具被广泛应用于各个领域的产品设计,从电气系统、家用器具到汽车、航空器以及大型土木工程建筑等.第一个真正的椎间盘椎体的三维有限元模型是由Lin等人建立的.从那以后,有限元方法常常用于对腰椎生物力学特点的研究.国内的研究者也使用有限元方法对脊柱进行了有益的探索,随着近10年计算机运算能力的飞跃增长,由腰椎构成的复杂功能系统已经可以进行分析研究.实验分析和临床实验也能提供此类信息,但是有限元模型具有前者无法比拟的优势,它能预测椎间盘和椎骨的压力值以及非常详细的动态数据.
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基于CT数据的枕寰枢复合体三维非线性有限元模型的建立和验证
目的 建立验证有效的枕寰枢复合体三维非线性有限元模型.方法 将枕寰枢复合体CT数据导入有限元建模软件,加载韧带和材料属性,构建枕寰枢复合体三维非线性有限元模型,并进行分析计算,将活动度(ROM)的数据与体外实验结果和已发表的有限元模型结果进行比较.结果 本研究构建的枕寰枢复合体三维非线性有限元模型几何相似性好,共包含206 747单元,72 500个节点,与Panjabi测量的体外实验结果和Brolin及Zhang等建立的有限模型结果基本相吻合.结论 建立的枕寰枢复合体三维非线性有限元模型真实有效,可以用于生物力学研究.
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股骨上段有限元几何模型的建立与分析
目的 建立股骨骨结构三维有限元模型并对其进行分析以指导临床工作.方法 在Mimics10.1中直接读取符合Dicom 3.0标准的股骨原始CT数据,经阈值设定、区域增长及形态学操作等生成股骨初始3D模型,后期结合有限元软件ANSYS12.1生成终的三维有限元网格模型,然后在ANSYS12.1中分别对应用Mimics得到的模型进行分析.结果 应用Mimics10.1和Ansys12.1软件建立股骨有限元模型,外形逼真、计算精确.结论 Mimics10.1软件能直接与Ansys12.1软件进行对接,并能根据CT值直接赋值使股骨上段三维有限元模型的建立更加快捷、精确.
关键词： 股骨上段 有限元模型 CT图像 Mimics10.1软件 -
有限元法在脊柱侧凸生物力学研究中的应用进展
脊柱侧凸是青少年常见的脊柱畸形,其复杂的三维畸形病理特点及尸体标本的缺乏导致无法开展常规的实体生物力学研究.有限元法(finite element method,FEM)是初在工程研究中获取材料所受应力及形变近似值的一种数字模拟技术,其特点是能够用不同形状、大小和类型的单元模拟各种几何形状的结构,并且可以适应各种机械应力及载荷.有限元模型与实际结构非常相似,能够方便地对无法直接测量的物体进行生物力学研究,其这些特点正好为发生、发展、转归以及手术策略、预期效果均涉及生物力学影响的脊柱侧凸研究提供了有力支持[1～10].
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胸腰椎爆裂骨折发生机制的研究进展
胸腰椎爆裂骨折是脊柱在高速轴向载荷作用下发生的急性创伤,原因是脊柱不能在短时限内吸收所承载的能量所致.由于该类骨折的病理表现复杂,易造成脊柱不稳定,且常常合并脊髓神经损伤,加强对胸腰椎爆裂骨折发生机制的研究十分必要.近年来,由于临床检查手段的提高、生物力学的发展以及脊柱三维有限元模型的建立与应用,人们对骨折发生时的椎体内压变化、椎体内骨折块的产生机制、关节突关节的作用及脊髓损伤的机制等进行了较深入的研究,提出了许多新观点,作者就这些方面的研究进展作一综述.
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计算机模拟口腔组织的有限元模型建立
目的:探讨在有限元模型建立过程中,运用计算机模拟口腔软硬组织建立有限元模型的可行性.方法:用CT扫描、ANSYS和PRO-E等软件相结合方法在下颌骨有限元模型上直接模拟粘骨膜等软组织,建立三维有限元模型.结果:建立了仅存留下颌两侧尖牙的下颌骨及软组织三维有限元模型.结论:运用CT扫描与CAD软件结合方法模拟口腔软组织建立有限元模型,方法简单可行,可以为生物力学研究提供实验基础.
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用于计算机辅助设计的镍钛记忆合金牵引器有限元模型的建立
目的探讨一种用于计算机辅助设计的镍钛记忆合金(NTMA)牵引器有限元模型的建立方法. 方法用Pro/E软件建立一个具有正弦波形、波长为60 mm,振幅为10 mm的镍钛记忆合金牵引器的几何模型,导入Marc软件,对其进行几何修复后生成实体单元,并按实际模拟边界条件,按镍钛合金定义初始条件和材料特性,终得到镍钛记忆合金牵引器有限元模型.结果建立了用于计算机辅助设计的镍钛记忆合金牵引器有限元模型,可以预测一定形状的牵引器在变形过程中(各时段)其本身结构中各节点、单元的受力、位移情况.结论本研究率先运用镍钛记忆合金有限元模型进行计算机辅助设计,这一技术将有助于提高镍钛记忆合金器件的设计精度,并缩短其设计周期,节约设计成本.
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上颌第一恒磨牙受力时牙齿及牙槽骨应力分布的三维有限元研究
本项研究应用三维有限元法分析远中移动的上颌第一恒磨牙在不同加载条件下牙齿、牙槽骨的应力分布情况,为正畸临床提供理论基础.1.材料和方法:①建立三维有限元数学模型:采用螺旋 CT(HISP EED NSI PRO,GE公司,美国)分 2 次对牙列完整的头颅骨进行扫描.第一次从牙齿的切缘开始逐层向牙根方进行,层厚为 1 mm.第二次距第一次起点线 0.5 mm 处开始,层厚仍为 1mm,共获得 46 层层厚为 0.5 mm 的断层图像.将 CT 片用扫描仪输入计算机,用 Auto CAD4.0 版绘图软件和 SUPER-SAP93 有限元程序的 Eplot 系统建立三维有限元模型.此模型包括 2 698 个单元,3 334 个节点.②模拟加载:加力方向,沿 Y 轴的正方向即由近中向远中.加力部位:上颌第一恒磨牙距牙颈部 3 mm 处颊、腭侧分别加载.加力大小:颊面分别加载 0.5N 、1.0N、1.5N、 2.0N、 2.5N;腭侧加载1.0N.③计算分析:IBM-486 计算机上 Super-sap93 程序完成计算,获得主应力值.
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基于分割后断层成像数据的人体头部有限元模型构建方法
目的 基于分割后的断层成像数据构建人体头部的有限元模型.方法 采用四步剖分法得到初始网格并用长边繁衍路径(longest edge propagation path)与棱边收缩(edge collapse)的方法进行网格的细分与优化.在通过该方法得到的三层球与真实头模型上分别进行脑电正问题的仿真计算.结果 结果显示在此模型基础上进行有限元计算的合理性与可靠性.结论 采用该方法生成的人体头部有限元模型可包含多层组织,并能应用于基于有限元方法的生物力学、生物电磁学领域的各种科学计算.
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腰椎活动节段精确有限元模型的建立
目的 采用一种新型CAD方法用CT资料精确建立腰椎L4-L5节段三维非线性有限元模型. 方法用一种改良的"非种子区域分割方法"提取腰椎目标区域得到二值图像;再用反应腰椎曲度的"佳切割平面"从初始表面模型获得非平行的切割轮廓线并建立"分段线性子空间";后者经仿射变换到"规则子空间"后快速重构腰椎曲面,后经逆变换恢复原三维空间的形状特征.将L4-L5节段表面模型所有结点的坐标数据和三角面片信息导入ANSYS 进行网格划分. 结果所构建的有限元模型包含L4-L5节段所有重要解剖结构,压缩、屈曲、伸直载荷下有限元模型的预测结果与实验生物力学结果相符合. 结论包含先进算法的CAD技术实现了腰椎复杂几何模型的快速、精确建模.
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不同结构护踝对伞兵着陆时足外踝损伤防护的仿真研究
目的 研究不同结构护踝对伞兵着陆于斜面时足外踝损伤的防护性能.方法 测量伞兵着陆于20°斜面时的冲击时间和足底压力,建立完整的足-护踝结构有限元模型,模型包括护踝及足部骨骼、软骨、韧带、筋膜、软组织和皮肤,比较不同结构护踝对足外踝损伤的防护效果.结果 护踝袜可有效地分布足底压力于前足外侧和跟骨区域,而护跖式护踝袜可降低腓骨29.9％的峰值应力,使跟腓和距腓前韧带的应变分别降低32.6％和32％.结论 伞兵着陆于斜面时,合理选择对应的护踝结构对足外踝具有良好的防护作用.
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应用Mimics软件构建腕舟骨及其血供三维有限元模型的研究
目的 基于CT图像应用Mimics软件构建腕舟骨及其血供的三维有限元模型.方法 采用新鲜成人手标本经灌注处理后,通过CT扫描获得数据集,利用Mimics软件重建腕舟骨及其血供等.结果 建立了基于解剖结构的腕舟骨及其血供的三维有限元模型,各结构可单独、联合显示,可任意旋转,模型透视及多剖面显示.结论 腕舟骨及其血供三维有限元模型的构建,可以为腕舟骨的基础研究提供三维形态学资料,为临床诊治提供客观的依据.
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"V"型寰枢椎复位内固定器的有限元力学模型分析
目的 建立新型寰枢椎复位内固定器的三维有限元模型,并对其进行生物力学分析. 方法 运用Pro/E 2001和MSC.Patran 2005软件,根据Ni-Ti合金寰枢椎复位内固定器和п型固定钉的设计参数,建立复位器有限元模型,部位约束后给以100N力学加载后计算区域受力的节点范围. 结果 所建模型外观逼真、几何相似性好,形变应力场主要集中在复位器V型尖端与稳定臂折弯处,其大应力强度为4.78MPa,有2794个节点范围;V型翼的锐角交汇点处所承受的应力强度次之,达0 31MPa,有1953个节点范围;V型翼的末端受力小,为1.22×10-3MPa,有1730个节点范围.п形固定钉的应力集中在钉齿中央部位和钉齿尖端两侧,大应力强度为1.68×10-2MPa,有1146个节点范围. 结论 复位固定器加载后恢复形变时的受力情况和力学特征完全与Ni-Ti合金材料的形状记忆功能和超弹性特征相适应,能够满足临床需要.
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基于DICOM数据建立人体颈部有限元模型
目的 建立人体颈部有限元模型,用于生物力学研究.方法 对标准成年男性进行多层螺旋CT扫描,应用DICOM数据和Mimics软件进行三维重建,在TrueGrid里完成网格划分,结合有限元分析软件ANSYS构建完整颈部模型并在LS-DYNA下进行动力学检验计算.结果 该模型参照人体解剖结构模拟了颈椎、椎间盘、韧带和肌肉等组织,共由14 758个单元构成,仿真结果与国外实验数据对比基本相符.结论 此方法建立的颈部有限元模型能较好地模拟生物力学实验,可用于今后动力学响应分析.
