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改良颈椎后路单开门椎管扩大成形术三维有限元模型的建立与验证
目的 建立一种改良颈椎后路单开门椎管扩大成形加短节段双侧侧块螺钉内固定手术前后的三维有限元模型,并验证其有效性.方法 选择接受颈椎后路改良手术的脊髓型颈椎病伴颈椎管狭窄患者,利用MIMICS 软件对其手术前后的CT薄扫数据资料进行数据处理,建立颈2-7的实体模型,经逆向工程软件Geomagic Studio优化,导入有限元分析软件Abaqus 进行网格划分,并添加主要韧带等结构,建立手术前后的颈2-7椎的有限元模型.在术前模型上施加1.5 kg·m2·s-2的作用力,模拟颈椎在前屈、侧屈和旋转工况下的反应,与其他颈椎有限元模型和体外生物力学的实验数据进行对比验证.结果 术前模型包括6个椎体(C2-7)、5个椎间盘(C2-3-C6-7) 及后部结构与主要韧带,共102 258单元;术后模型还包括双侧短节段侧块螺钉内固定系统,共161 892单元,较好地模拟了颈椎后路内固定螺钉与椎体的真实关系.术前模型在前屈、侧屈和旋转工况条件下的活动度与既往的实验结果吻合.结论 新建立的改良颈椎后路单开门椎管扩大成形术的手术前后三维有限元模型具有良好的生物逼真度,可用于进一步生物力学分析.
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人体全骨盆三维有限元模型的建立与验证
目的 建立人体全骨盆的三维有限元模型,提供骨盆生物力学研究的数学模型.方法 获取正常成年男性全骨盆包括相邻自第3腰椎、股骨上端1/3处的CT扫描图像,运用ANSYS有限元分析系统,采用直接从原始图片生成单元和节点的方法构建人体全骨盆的三维有限元模型.结果 建立了正常人体全骨盆并包含第3腰椎和股骨上1/3段的三维有限元模型,模型由721 820单元,207 248节点构成.结论 建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具.
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基于ANSYS软件有限元模型的牙齿校正分析
目的:研究复合矫治弓丝矫治个别牙齿错位时矫治力的作用变化规律.方法:Solidworks建立模型,结合复合矫治弓丝临床应用状态,应用ANSYS对3种错位牙齿模型进行模拟受力计算.结果:复合矫治弓丝对错位牙齿的施力要小于单纯应用不锈钢丝的施力;复合矫冶弓丝对错位牙的施力大小与TiNi形状记忆合金段的直径成正相关,与其长度成负相关.结论:这一方法计算简单,基本符合错位牙的真实受力情况,对于临床应用具有指导意义.
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基于特征结构分析的弧梁复合式心血管支架设计及有限元研究
目的:研究心血管支架在植入过程中的受力和形变性能,以及支架结构时其力学特征的影响.方法:通过对心血管支架结构上不同尺度的特征单元进行统计和归纳,比较各种支架性能;应用特征对比结论设计出弧梁复合式心血管支架,并使用有限元模拟软件对其进行扩张性能测试.结果:数据显示弧梁复合式心血管支架在扩张性能和边缘效应上明显优于作为参照对比的Palmaz-Schatz支架,在同样径向位移下,弧梁复合式心血管支架塑性变形产生的大有效应力和大拉伸力比Palmaz-Schatz支架小15%～20%.结论:弧梁复合式心血管支架具有优良的力学性能,对心血管疾病临床支架介入治疗具有重要的研究意义和临床价值.
关键词： 特征结构 弧梁复合式心血管支架 径向扩张 有限元模型 结构单元 -
有限元模型在射频消融设备教学中的应用
目的:探讨有限元模型在射频消融设备教学中的应用.方法:通过COMSOL软件对肝脏射频消融进行有限元建模,在教学中模拟消融温度、损伤范围随时间的变化,加深学生对射频消融设备的理解.结果:有限元模型可以模拟消融温度、损伤范围随时间的变化,学生能够更好地理解射频通过热效应对病灶进行消融的原理.结论:采用有限元模型辅助进行射频消融设备的教学,有利于提高学生的学习兴趣,培养其创新能力.
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013 用于评价心脏功能的计算生物力学
[日]/Sawaki K…∥BME.－2000，14(10).－28～30心脏是维持血液在体内循环的重要器官之一，从力学的角度来，其泵血功能对定量或客观提供各种心疾患的诊断信息是极为重要的。在这种背景下，为了对各种心疾患提供定量且客观的诊断信息，开发了采用三维有限元法评价心脏左心室力学功能的数字模拟系统及其图像显示系统。为了能分析三维电刺激传导系统的影响、三维复杂分布的心肌纤维的构造及由此而产生的三维应力及变形分布等，系统引入了三维有限元法。研究所采用的数字模拟器由左心室有限元模型及与此相关的循环系统模型构成。在左心室三维有限元模型中引入了心肌的力学特性模型、电刺激传导路径及心肌纤维的分布模型。在进行模拟时，首先要确定循环系统的参数及心肌的杨氏模量和泊松比等材料特性，并将这些值参照以往研究中所使用的参数调整到正常心脏的心内压-容积关系。为了能得到更接近实际心脏的变形情况，应在健康志愿者心脏的短轴断面MRI图像的基础上加以重叠，作成左心室实际形状数据。此外，由于在分析中是以舒张末期为计算的始点，因此，在制作左心室实际形状数据时，应使用舒张末期的MRI图像。应用这一系统可替代部分基础医学中的动物实验等多种实验，且可预测假设疾患心尤其是心肌肥大(HCM)的人类心脏左心室壁内应力及变形分布，并通过与MR tagging法获得的室壁变形信息进行比较，定量评价疾患心的心肌纤维收缩功能。(刘士新摘)
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017 多触点神经套箍电极的选择性:模拟分析
[英]/Adam QC…//IEEE Trans BME.-2001,48(2).-165～172神经系统电刺激可以恢复某些有神经生理损伤的患者的功能.运动原修复术的发展,要求能进行精细的控制和能选择性刺激肌肉的电极.虽然神经套箍电极是加于支配选定肌肉的周围神经上,具有优于表面电极和肌外膜电极的许多优点,但达到选择性要求亦是困难的.新的研究认为,在不影响生理功能的前提下对周围神经矫形,即通过加以一非对称压力使神经束的截面慢慢地变为扁平结构,便可以改善扁平的神经套箍电极的选择性.本文采用计算机仿真方法分析了神经套箍电极的选择性.引入了评价选择性的指数来反映神经电极刺激靶神经而不刺激其他神经轴索的能力,并对神经套箍电极的各种设计作了比较.神经套箍电极是由一电绝缘的套箍(cuff)和置于套箍内侧与神经束表面的多个触点电极组成.三维有限元模型用以描述神经和套箍电极的电特性,并确定神经束中神经轴索的受激性质.分析结果表明,扁平的套箍电极有利于刺激电流达到神经束中的神经轴索,从而可降低刺激电流强度,减少对肌肉收缩产生的机械张力的敏感性,提高神经刺激的选择性.但是,在套箍电极的设计中应具有较多的触点电极并使各触点与神经束间维持均匀的接触强度.(华文摘)
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颈椎有限元模型的建立方法及进展
详细论述建立颈椎有限元模型的四项基本准则(解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证)及其实现方法.回顾现有的一些具有代表性的颈椎有限元模型,并指出其未来发展的一些新动向.
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挥鞭样仿真全颈椎有限元模型的建立和验证
目的 建立并验证中国人全颈椎有限元模型,以期用于挥鞭样损伤分析.方法 运用螺旋CT扫描技术、Materialisc mimics、逆向软件及Pro-E进行三维重建;运用TrueGrid划分网格;模型用志愿者后碰撞(挥鞭)试验数据进行验证.结果 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.仿真中得到的头颈部加速度、位移、旋转角度、角加速度等运动曲线和实验结果基本吻合.结论 模型高质量的八节点六面体单元,提高了计算的速度和稳定性.模型用于挥鞭样损伤分析,对于预防、诊断、治疗具有重要意义.
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国人头颅三维有限元模型有效性检验
目的检验国人头颅三维有限元模型有效性.方法依据Nahum头颅冲击尸体实验参数,对有限元模型加载额部冲击载荷,载荷位于正中矢状面上,由前向后,呈正弦波形,峰值6.8 kN,时程15ms.计算分析头颅结构的力学响应.分析不同部位结构的应力改变.由应力值计算颅内压,对模拟计算结果与尸体实验测定结果进行比较.结果头颅不同结构的应力改变不同,由额、顶及枕部硬膜节点主应力计算出的颅内压时间曲线与尸体实验测定的颅内压曲线吻合.结论由硬脑膜节点应力计算所得的颅内压与尸体实验测定值吻合.该头颅三维有限元模型可用于头颅冲击的模拟计算,模型有效.
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三维有限元头颅模型参数及边界条件研究
目的确定三维有限元模型材料阻尼参数,实现寰枕关节模拟.方法对不同材料阻尼参数下的模型进行冲击载荷加载,分析比较计算后不同材料阻尼下颅骨应力-时间曲线形态,确定模型采用的材料阻尼参数值.应用弹簧单元模拟寰枕关节,比较模拟前后,模型在冲击载荷下颅骨应力,确定弹簧单元参数.结果不同颅骨材料阻尼条件下,额部冲击区域颅骨节点的von Mises应力曲线均无第2峰值,应力峰值随阻尼增大而逐渐降低,峰值出现时间后移,枕部颅骨节点应力曲线在冲击后期应力下降趋势更显著,在0.001～0.004之间颅骨应力曲线形态佳.模拟寰枕关节,弹簧单元采用颅骨材料参数,在X、Y轴方向弹簧弹性系数10N/mm,Z轴方向的为20N/mm,颅骨应力曲线后期可下降.结论颅骨线弹性材料阻尼系数对模型颅骨应力响应有显著影响.模型脑组织应力主要受颅骨应力的影响.采用三维弹簧单元模拟寰枕关节可降低模型颅骨应力,模拟寰枕关节对模型颅骨应力的影响较颅骨材料阻尼系数的影响小.
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应用CT断层图像重建股骨有限元模型
目的 寻求一种基于CT断层图像快速且精确地建立全股骨三维有限元模型的方法,并应用有限元分析其力学特性以评价建模方法的优势.方法 在Mimics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ANSYS生成终的三维有限元网格模型,然后在ANSYS中分别对应用Mimics得到的模型和统一弹性模量的模型加载200N的垂直载荷,比较两者应力分布的异同.结果 获得的股骨有限元模型共含有143 780个节点和99 650个四面体单元,其弹性模量与CT值(密度)相关分布,取值范围在6.01～15.59 GPa之间.与统一弹性模量的模型相比较,应用Mimics得到的模型其应力呈现离散性分布.结论 应用Mimics可以建立更符合股骨机械结构和力学性质的三维有限无模型,同时缩短了建模时间,据此模型得到的股骨力学特性分析结果更为可信,以辅助指导临床应用.
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个性化骨盆模型的建立、有限元分析及实验验证(下)
结果将模拟计算结果与实验测试结果(平均值和标准差)进行比较,通过两种方法获得的各加载水平下十个应变片位置处的大和小平面内主应变结果见图4.多数情况下有限元结果与实验结果均一致.位置4,5和10的大主应变有限元预测结果略高于实验结果,另外7个位置的有限元预测结果则略低于实验结果.位置1,3和9的小主应变有限元预测结果与实验结果有差异,其他7个位置的有限元预测结果和实验结果均有很好的一致性.除1,3和9位置外,其他位置的相对误差在10%～30%,由于这3个位置数值的绝对值较小,所以对误差比较敏感,但其相对误差仍<50%.从这一较高的一致性来看,该个性化的有限元模型可以精确地获得骨盆骨整体的力学响应.
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膝关节韧带和肌腱的生物力学研究(下)
七、韧带与肌腱的有限元模型在过去的20年间,为了更好地理解ACL的功能与损伤机制,出现了很多在体和离体ACL的受力、应力以及应变的量化的研究工作.研发出了大量的传感器[66-71],并且获得了许多有价值的信息.但这些可植入的传感器改变了韧带的形态,测量点也是分散的.而且,这种局部的测量不能定位的较大应力和应变,特别是在骨的附着点处或其附近.
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下颌双侧游离端冠内精密附着体义齿的三维有限元模型的建立
目的:基牙数目的选择对下颌远中双侧游离端冠内精密附着体义齿的近缺隙基牙的牙体和牙周组织的应力分布状况的影响提供基础条件.方法:采用螺旋CT扫描及三维影像重建技术,数字影像传输与转录与ANSYS相结合的方法.结果:建立了包括下颌骨、粘膜、牙体及牙周膜、附着体义齿的三维有限元模型.结论:模型的几何相似性好,生物力学相似性好,可用于下颌双侧游离端冠内精密附着体义齿的应力分布研究.
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Micro-CT技术在建立下前牙及其瓷贴面三维有限元模型中的应用
目的 探讨Micro-CT技术结合逆向工程技术软件和CAD 软件在建立下前牙及其瓷贴面修复体三维有限元模型中的应用.方法 采用Micro-CT扫描技术和多种逆向工程软件和CAD软件相结合,建立下前牙和下前牙瓷贴面修复体的三维有限元模型.结果 准确建立了下前牙以及下前牙瓷贴面粘接修复的精细三维模型.Von mises应力主要集中在牙颈部和切端受力处,符合牙齿生理受力后情况.结论 Micro-CT技术结合逆向工程技术软件和CAD 软件是建立牙体组织精细三维有限元模型的有效方法.
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64层CT精细扫描构建下颈椎三维有限元模型及验证
目的 探讨一种快速、准确的基于64层CT精细扫描构建下颈段三维有限元模型的方法.方法 选取一名健康成年男性志愿者为研究对象,行64层螺旋CT扫描得到DICOD格式的CT断层图像,利用Mimics10.01,Geomagic Studio9,和有限元分析软件ANSYS9.0对数据进行分析、计算.结果 建立了下颈椎三维有限元模型,包括4个椎体、3个间盘、主要的韧带,共有112017个节点、69802个单元.对模型进行加载计算,其结果能够反映下颈椎正常的生理功能.结论 为下颈椎有限元模型的建立和验证提供了一种有效的方法,该三维有限元模型高度模拟了脊柱颈段的结构和材料特性,为分析该段结构在各种受力情况下的生物力学表现创造了条件.
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基因学和遗传学在特发性脊柱侧凸病因学中的研究进展
特发性脊柱侧凸(IS)是一种好发于青春期的脊柱不对称性旋转病变,病因不详.近年来,对于特发性脊柱侧凸病因学的研究受到学者的广泛关注,研究范围从动物模型、影像学、组织学、神经学、免疫荧光检查、生物力学、数学模型(有限元模型)、基因学到分子生物学研究等,特发性脊柱侧凸的临床模式和病因学方面取得了很大的进展.现就特发性脊柱侧凸的基因学及遗传学方面的研究进展进行报告.
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有限元方法在颈椎生物力学中的应用
目的:研究重建颈椎三维有限元模型.方法:通过CT扫描、Unigraphics V18.0软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用CAD数据处理技术,输入相关的材料特性,验证重建模型的有效性.结果:建立颈椎的三维有限元模型(C3/4),分析结果证明其在仿真分析中是可行的.结论:建立的颈椎三维有限元模型可以模拟生物力学实验.
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角膜缝合操作建模及有限元仿真规划
角膜缝合操作是角膜移植成功的关键.首先,通过分析角膜的缝合操作过程,建立了角膜移植缝合过程的几何模型.在不考虑角膜组织黏弹性的条件下,进行了单个缝合过程的路径规划.在此基础上,考虑角膜组织缝合过程中的弹性,利用有限元分析软件ANSYS对角膜缝合过程进行了模拟,规划了缝针在角膜组织变形条件下的工作路径,并计算出缝针在缝合过程中的何置与姿态变化曲线.实验结果可用于指导角膜缝合机器人完成缝合操作任务.
