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可任意调节角度牙种植体的双参数优化分析与设计
背景：种植体及种植体周围骨应力过大是影响种植体长期使用的主要因素之一，因此种植体外形的科学设计与选择是延长种植体使用寿命的重要手段之一。
目的：对课题组前期开发的可任意调节角度牙种植体中的连接体螺钉和中央螺钉直径进行优化分析与设计。方法：使用Pro/E 5.0、Mimics 10.0、ANSYS Workbench 14.5软件建立含有可调节角度牙种植体的无牙牙合下颌骨有限元模型，分析种植体-骨组织系统的大等效应力。
结果与结论：从灵敏度曲线可以看出，种植体-骨组织系统的大等效应力受连接体螺钉直径变化的影响颇大，而受中央螺钉直径变化的影响可以忽略不计。当施加垂直向力时，连接体螺钉直径为1.29 mm、中央螺钉直径为0.95 mm时，种植体-骨组织系统大等效应力小；当施加水平舌向力时，连接体螺钉直径为1.45 mm、中央螺钉直径为1.09 mm时，种植体-骨组织系统大等效应力小。结果表明连接体螺钉直径对下颌骨和种植体-基台复合体等效应力峰值的影响远大于中央螺钉直径，提示在种植体选择和设计中相对于中央螺钉而言应更重视连接体螺钉的选择和设计。 -
脊柱胸腰段钉棒系统后外侧前后一体内固定的有限元分析
背景：目前脊柱胸腰段内固定方法均有优缺点，希望探索一种新的内固定方案，使脊柱有效固定的同时，可更安全、方便的进行其他操作。
目的：建立脊柱胸腰段(T12-L2)三维有限元模型，观察钉棒系统后外侧前后一体内固定对胸腰段稳定性的影响。方法：基于人正常T12-L2节段的 CT 扫描数据，利用 Geomagic 11.0、Ug 7.0、Hypermesh 10.0、Abaqus 6.9.1软件建立T12-L2节段三维有限元模型，并在此基础上分别建立钉棒系统后路固定、前路固定、后外侧前后一体内固定模型，在T12上表面施加500 N预载荷，再施加7.5 N?m的力矩，模拟胸腰段前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转等生理活动，观察不同工况下内固定节段的平均刚度。
结果与结论：3种内固定模型在不同工况下的平均刚度均较正常模型的平均刚度高。在前屈、左右侧屈、左右扭转等不同工况下，后外侧钉棒系统前后一体固定的平均刚度均高于单纯后路固定，平均刚度分别较后路固定高13%，28%，11%，17%和9%，后伸时平均刚度低于后路固定，比后路固定低6%。但与前路相比，后外侧钉棒系统前后一体内固定在前屈、左右侧弯3种工况下的平均刚度低于前路固定，平均刚度分别比固定低15%，10%和14%，而在后伸、左右扭转情况下平均刚度高于前路固定，分别比前路固定高5%，12%和2%。提示后外侧钉棒系统前后一体内固定能够明显提高固定节段的稳定性，在抗后伸及左右扭转方面的稳定性略好于前路固定，而在抗前屈、左右侧弯、左右扭转方面略好于后路固定，因此可作为一种可选的内固定方法。 -
有限元法分析多节段颈椎病4种颈前路修复方式的生物力学特点
背景：多节段颈椎病因脊髓多严重受压，故多需手术去除压迫，但是对于选择何种前路修复方法好，目前仍未达成共识。目的：利用三维有限元模型对4种颈椎前路修复方式进行对比分析，分析其生物力学特点。方法：基于健康成年男性C2-C7节段CT图像建立颈椎有限元模型。模拟4种颈椎前路修复方式分别建模，包括颈椎前路椎间盘切除融合、颈椎前路椎体次全切除融合、颈椎前路混合减压融合、颈椎前路间盘切除减压单纯Cage置入融合，计算C2/3、C6/7椎间盘以及钛板-螺钉界面应力变化情况。结果与结论：①4种颈椎前路修复方式在前屈、后伸、侧屈、旋转工况下相邻节段的椎间盘应力均为C2/3节段大于C6/7节段，而且均是颈椎前路间盘切除减压单纯Cage置入融合组椎间盘应力小，颈椎前路椎体次全切除融合组椎间盘应力大；②钛板-螺钉界面应力颈椎前路椎体次全切除融合组大，颈椎前路椎间盘切除融合组小；③结果说明，在修复多节段颈椎病的4种颈前路融合内固定方式中，颈椎前路间盘切除减压单纯Cage置入融合对于相邻节段的生物力学影响小，理论上可以降低邻近节段退变的发病率，但该方法存在增加融合器沉降的风险。
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基于CT及逆向工程软件构建正常人体骨盆三维有限元模型
背景：骨盆是人体骨骼中形态及结构复杂的部分，许多学者一直致力于其生物力学的研究。由于骨盆形状极其不规则，所附着肌肉及韧带解剖结构复杂，建立精确的包含主要肌肉及人韧带的骨盆有限元模型十分困难。
目的：建立正常成年人骨盆的三维有限元模型，为后续骨盆的生物力学分析提供数字模型。
方法：采集健康成年男性志愿者的骨盆CT数据，将DICOM格式的CT图像导入医学影像三维重建软件Mimics 10.0进行图像的分割及三维重建，将导出文件导入逆向工程软件Geomagic studio 11中对图像进行曲面化处理，建立曲面模型，使其更加光顺，将生成的曲面模型导入有限元分析软件Ansys 14.0中进行有限元网格划分。
结果与结论：建立了正常成年人骨盆的三维有限元模型，总单元数为818294个，总节点数为149290个。课题基于健康成年男性志愿者的骨盆 CT 图像建立骨盆有限元模型，所得的模型精确度高、逼真、具有良好的解剖及几何相似性，可为下一步骨盆的生物力学分析提供基础。 -
基于CT图像应用Mimics软件快速构建人体胸腰段骨骼有限元模型
将以各向同性分辨0.625mm薄层扫描所得的层厚0.65mm人体胸腰段连续断层210层Dicom格式CT图像,直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得胸腰段三维几何面网格模型,将其保存为后缀名.lis的Ansys文件,直接导入Ansys有限元分析软件进行体网格划分,再将体网格转入Mimics根据CT值给予赋值,再次导入Ansys生成有限元模型.快捷建立了外形逼真、计算精确的人体胸腰段脊柱三维有限元模型.结果提示,应用精细CT扫描技术,图像Dicom标准,Mimics软件能直接与Ansys软件进行对接,并能根据CT值直接赋值使胸腰段脊柱三维有限元模型的建立更加快捷、精确.
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颈内动脉虹吸部血流动力学模拟与影响因素
背景：颈内动脉虹吸部走行弯曲、周围结构复杂，解剖学、影像学测量研究较多，并成为相关领域的研究热点，但目前对颈内动脉虹吸部血流动力学的相关研究报道较少，利用有限元分析技术，为相关动力学研究提供了基础。目的：明确颈内动脉虹吸部正常及狭窄血液动力学特点，探讨血流动力学的影响因素。
方法：利用64排螺旋CT扫描获得DICOM数据实现颈内动脉虹吸部有限元建模，分别在Mimics 10.01软件上进行三维模型的实体构建，用ANSYS 13.0 CFX软件模拟仿真人类颈内动脉虹吸部正常及狭窄后血流，观察正常血流及狭窄后血流动力学的改变，分析其特点与差异。
结果与结论：颈内动脉虹吸部正常血流在弯曲的虹吸部呈层流状态，但经过两个折角时血流发生旋动与湍流。血流经折角内弯区较快，外弯区较慢，速度越慢湍流越明显；折角处剪切力较小，同时折角外弯区剪切力较内弯区小。动脉狭窄后血流经狭窄区速度加快，狭窄下游形成湍流及低剪切力区；随狭窄程度增大，湍流、低剪切力区域扩大，中央性狭窄比偏心性狭窄影响大。结果证实，颈内动脉虹吸部弯曲、管腔狭窄直接影响湍流及低剪切力区形成，以外弯区及中央性狭窄影响明显。 -
大鼠高加速度离心加载装置:高加速度环境下动物的力学生物学响应
背景:载人航天器发射与返回、舰载机的起飞与降落,会使航天员、飞行员处在高加速度(超重)环境中,高加速度环境会对细胞、器官、动物体等产生重要影响.高加速度离心加载机是一种可以为动物个体及细胞提供高加速度力学环境的装置,在航空航天的力学生物学、组织工程研究中起基础平台作用,目前通常生物学实验室需要高加速度加载装置.目的:结合现有离心机,设计制作大鼠高加速度离心加载机,研究大鼠在高加速度力学环境下的力学生物学响应.方法:离心机设计制作流程:确定设计参数、选择动力源→设计离心机结构并验证→选择制作控制器→加工制作机器并调试.对大鼠进行水平和竖直放置方向的加载,每个方向设置了4 G组、8 G组、10 G组、20 G组4个小组和一个对照组,观察不同高加速度环境对大鼠身体和行走能力的影响.结果与结论:①经过结构设计加工、配件选型和安装调试研制出高加速度加载机,设备包括机械结构与控制系统两部分;该机运行平稳,噪声低,平稳实现0-40 G的高加速度加载,并且还可实现变加速度加载;②采用该机对大鼠进行不同高加速度环境加载后,表现出身体向一侧倾斜,不能直线行走的现象,并且伴随战栗、后肢充血等症状,高加速度值越大,大鼠所受的影响越大,经过一段时间休息,大鼠身体基本可以恢复;③实验结果验证了该离心加载机可以为动物实验提供相应的高加速度环境,可以用于研究高加速度环境下动物的力学生物学响应.
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针对细胞高加速度离心式加载机的研制
背景：随着科技和现代航空航天事业的发展，极端力学环境高加速度的力学生物学影响越来越受到重视，研究表明高加速度对细胞有一定的影响。目的：以离心机为基础，设计离心式加载机用于高加速度加载下细胞的力学生物学研究。方法：对于离心式加载机，培养板或/和培养瓶加入培养液进行恒加速度或变速度加载，探索实验可行性；另外，根据其转子结构和性能，利用 ANSYS 有限元分析软件建立其有限元模型，分别在平衡状态下和危险工况下的转子系统进行仿真计算，分析转子系统的应力和变形分布情况。对危险工况下的主轴进行强度校核，并将ANSYS 分析结果与强度校核结果进行对比。结果与结论：通过实验表明培养板或/和培养瓶可以用于(0-40)×g的恒加速度或变加速度加载；模拟对比分析证明了细胞离心式加载机的可靠性，该加载机实现了一般生物学实验室在高加速度下力学生物学的研究，也为未来细胞离心加载机广泛应用提供了基础。
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颞下颌关节有限元模型的生物力学特征
背景:颞下颌关节的结构存在形态不规整及复杂性,因此获取CT数据及三维建模存在困难问题,探求可靠的三维建模方法模拟仿真颞下颌关节,对颞下颌关节紊乱病症的研究有重要的临床意义.目的:基于螺旋CT扫描数据,建立颞下颌关节的软、硬整体组织三维模型.方法:选取面部骨性结构无异常、正常发育,且无错牙合畸形的成年男性个体1例.①获取颞下颌关节的CT扫描数据,通过影像提取法构建颞下颌关节三维有限元模型;②根据实际人体颞下颌关节的运动状况,设定模型的功能参数,从而进行有限元模拟分析.结果与结论:①通过数值模拟表明,当下颌侧方处于运动状态时,对侧关节盘与同侧关节盘的应力情况分布均不相同;同侧关节盘呈现较高的应力分布情况,主要集中在关节盘的侧方/后带部位;颞骨下壁遭受颞下颌关节盘的巨大压迫,因此使得同侧关节盘的髁状突侧方产生扭曲变形,所以其容易穿孔或受损;②在建立的模型上模拟分析颞下颌关节侧方功能运动情况,并进行有限元分析,获得应力分布图,进而为髁状突骨折及颞下颌关节置换等手术提供相应的理论依据.
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构建下颌中性区全口义齿有限元模型的研究
目的 构建下颔中性区全口义齿有限元模型,为今后对该义齿的有限元分析奠定基础.方法 通过预实验确定显影剂的种类和添加的比例,制作出可显影的下颌全口义齿,并于2008年对我院佩戴该义齿志愿者的无牙颌下颌骨及全17义齿进行CT扫描,直接采集医学数字成像和通信标准(DICOM)数据,运用逆向工程原理建立全口义齿及无牙颌下颌骨的有限元模型.结果 采用上述方法制作的下颌全口义齿及无牙颌下颌骨的三维有限元模型几何相似性强,模型精度高.结论 可显影的全口义齿结合应用逆向工程原理能完全满足下颌中性区全口义齿有限元建模的需要.
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颈椎三维有限元模型的建立方法与评价
有限元分析法是用于结构分析的矩阵方法,将一个由无限个质点构成并且有限个自由度的连续体划分成有限个小单元所组成的集合体.应用有限元分析法可对颈椎在生理、病理以及不同治疗条件下的生物力学特性进行分析,本文详细阐述了建立颈椎有限元模型的四项基本原则(解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证)及其实现方法,展望了有限元法应用于颈椎生物力学研究的前景.
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下颌单侧游离端冠外精密附着体义齿三维有限元模型的建立
目的建立下颌单侧游离端冠外精密附着体三维有限元模型,为附着体义齿应力分析提供基础.方法采用CT扫描和I-DEAS软件,手工建模.结果建立了能够应用接触单元的下颌单侧游离端冠外精密附着体三维有限模型.结论采用Ⅰ-DEAS软件可建立游离端冠外精密附着体三维有限元模型,此模型能反映冠外精密附着体构件之间义齿的接触关系,提高模型的仿真性.
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自然牙根和种植体联合支持的覆盖义齿三维有限元模型的建立
目的 建立自然牙根和种植体联合支持的覆盖义齿的三维有限元模型,为分析相关的生物力学特征提供数字模型.方法 采用 CT技术、计算机图像处理系统及Solidworks有限元软件建模,建立了包括牙齿、牙周膜和牙槽骨、种植体、磁性附着体的三维有限元模型.结果 所建立的模型能重现牙颌组织的形态,能够进行三维显示及编辑,并可模拟不同工作状况下各节点的力学改变.结论 CT辅助有限元建模技术能精确建立自然牙根和种植体联合支持的覆盖义齿的三维有限元模型.
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自然牙根和种植体联合支持的磁性附着体覆盖义齿应力分析
目的：研究自然牙根和种植体联合支持的磁固位全口覆盖义齿不同受力状态下支持骨的应力分布，为临床修复设计提供参考。方法：采用CT技术、计算机图像处理系统及 Solidworks有限元软件，根据自然牙根与种植体不同位置，放置3对磁性附着体，建立3组下颌覆盖义齿的三维有限元模型，其中模型Ⅰ种植体在磨牙区，模型Ⅱ种植体在两侧，模型Ⅲ种植体在一侧。在不同的应力加载下对3组模型中自然牙和种植体颈部骨应力进行计算，对比和分析。结果：模型Ⅱ斜向加载下后牙区种植体周围骨应力较模型Ⅲ增加明显。斜向加载较垂直加载的支持骨应力均有增加，其中模型Ⅰ中的后牙区种植体周围骨应力增加约30％，模型Ⅱ增加约43％，模型Ⅲ增加约55％。结论：当口内仅余留1个自然牙根时，至少应增加2个种植体作为基牙，且这2个种植体应位于牙弓的两侧，即一侧前牙区和另一侧的后牙区。磁性附着体的结构比其他类型的附着体能更好地防止侧向力对基牙的损害。
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用于电流耦合型人体通信的有限元模型探究
目的:研究电流耦合型人体通信(Intra-Body Communication,IBC)的传输特性.方法:以人体通信中常使用到的部位-人体手臂为着眼点,合理抽象并得到手臂的等效数学模型,进而使用有限元方法探究人体中电流分布机理.另外,通过给模型施加不同形式下电信号,比较分析人体的信道特性.结果:①在安全阚值内,注入人体电流大小对信号衰减影响不大;②信号衰减随着发送电极尺寸的增大而减小:③收发电极间距离愈大,信号衰减愈大;④人体通信电流主要流经肌肉层,不过随频率增大,集肤效应明显,在骨中的比例很小,足以忽略.结论:本文提出的人体手臂等效有限元模型,可以对电流耦合型人体通信的通信机理展开分析.
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基于CT图像下颈椎C4-C6节段三维有限元模型的建立及验证
选取下颈椎C4-C6活动节段的CT图像数据建立三维模型,其中包括颈椎C4-C6节段完整的各节椎体、椎间盘、终板、关节和5种韧带等结构模型.模拟前屈、后伸、左右侧弯、左右轴向旋转6种工况下的生物力学特性,经与离体实验和有限元结果对比分析证明,验证模型的可靠性.相同条件下,模型的关节活动度和应力分布特征与他人研究结果相似.该有限元模型可以分析颈椎生物力学特性,并为下颈椎临床诊断和植入物的力学性能研究奠定良好的基础.
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膜单元与弹簧单元模拟韧带损伤的生物力学响应
目的 对比分析膜单元与弹簧单元对颈部韧带生物力学响应的影响.方法 基于现有的6岁儿童颈部有限元模型,将其中的韧带分别用膜与弹簧两种单元类型模拟,进行儿童颈椎C4～5椎段动态拉伸实验和全颈椎拉伸实验.同时采用膜单元模型进行弯曲仿真试验,并分析仿真效果.结果 在C4～5椎段动态拉伸实验中,膜单元仿真与弹簧单元仿真终失效力分别为1 207、842 N,与尸体实验分别相差0.6％、30.6％;在全颈椎拉伸实验中,膜单元仿真峰值力与尸体实验相差1.8％,弹簧单元仿真峰值力为484 N,与尸体实验相差较大.膜单元弯曲试验仿真效果良好.结论 弹簧单元在模拟受力方面存在一定局限性,而膜单元具有较高的生物仿真度,更能体现韧带的生物力学响应.
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建立人体头颈动力学有限元模型和验证
目的 建立符合解剖结构的头颈三维动力学有限元模型,研究冲击力作用下头颈部动力学响应.方法 采用中国成年男性志愿者颈部CT扫描图像,获取颈椎三维点云数据,通过有限元前处理软件ICEM-CFD和HyperMesh建立颈部有限元模型.模型包括椎骨、椎间盘、小关节、韧带和软骨等组织,结合已建立并验证的头部有限元模型,装配成具有详细解剖结构的人体头颈部有限元模型.结果 模型参考公开发表的头颈部轴向冲击实验数据进行验证,其颈部变形、头部加速度、接触力曲线以及损伤部位与实验数据吻合较好.结论 动力学三维有限元模型可用于汽车安全、运动学损伤等领域人体头颈部的动态响应和损伤机制研究.
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流体动力学网格划分技术在骨骼有限元建模中的应用
目的 研究一种高质量、高效率的骨骼分网方式.方法 结合骨结构的特点,将流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)的分网方法引入到骨生物力学的网格划分中,用六面体单元模拟皮质骨,四面体单元模拟松质骨.结果 采用CFD网格划分技术能够划分出高质量的六面体单元,并且较好地模拟骨骼的结构特征,可以实现计算机自动分网,分网花费时间约为传统分网方法的1/5,有限元模型计算结果基本符合尸体实验测量值.结论 CFD网格划分技术可应用于骨生物力学领域中,为复杂人体骨骼的重构探索了一条有效途径.
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生长板材料属性对6岁儿童乘员膝关节损伤影响分析
目的 构建较高仿真度的6岁儿童乘员下肢有限元模型,验证6岁儿童乘员膝关节的有效性;分析在前碰撞载荷下生长板对儿童膝关节的生物力学响应及损伤机制.方法 基于儿童生理结构及CT影像构建包含生长板的6岁儿童乘员下肢有限元模型,赋予相应的材料属性;参照Kerrigan等及Haut等的生物力学实验,验证模型的有效性,分析不同生长板材料属性对膝关节损伤的影响.结果 通过模型仿真实验与生物力学实验曲线对比验证了模型的有效性;在膝关节区域,生长板的存在可以改变儿童乘员下肢骨折的损伤模式;不同生长板的材料属性,可以影响股骨轴向损伤力的阈值及达到损伤阈值而发生骨折的相对位置.结论 所建模型得到有效验证,可用于6儿童乘员膝关节损伤生物力学响应及损伤机制的相关研究及应用.
