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基于压电叠堆的砧骨激励式人工中耳低功耗结构设计
目的 设计一种具有位移放大结构的压电振子改进方案,用于降低现有砧骨激励式人工中耳压电叠堆振子的功耗.方法 首先,基于人耳解剖结构,设计带有位移放大结构和仅仅由压电叠堆构成的两种压电振子,并建立相应压电振子与中耳的耦合力学模型.通过对比该两种耦合力学模型的计算结果,分析引入位移放大结构前后的人工中耳听力补偿性能及功耗.结果 引入位移放大结构后,压电振子在10.5 V有效电压驱动下,在1 kHz频率处的等效声压级由之前的100 dB增大至113 dB.此外,由压电叠堆直接激振时,振子在1、2和4 kHz处的功耗分别为6.42、1.56和0.28 mW;引入位移放大结构后,压电振子对应上述3个频率点的功耗分别降低至0.39、0.09和0.01 mW.结论 所设计的带有位移放大结构的压电振子能够提高砧骨激励式人工中耳的听力补偿能力,有效降低压电振子的功耗.研究结果将有助于人工中耳结构设计的进一步完善,从而达到更好的听力补偿效果.
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颅脑组织材料参数对儿童头部冲击响应的影响
目的 针对目前对儿童颅脑组织材料参数的不确定性,研究直接冲击载荷条件下颅脑组织材料参数对儿童头部冲击响应的影响.方法 应用已验证的3岁儿童头部有限元模型进行冲击仿真实验,采用正交实验设计和方差分析对儿童颅脑组织材料进行参数分析.结果 颅骨弹性模量对儿童头部冲击响应具有显著性影响,随着颅骨弹性模量的增加,头部撞击侧颅内压力显著减小(P=0.000),对撞侧颅内压力显著增大(P=0.000),颅骨大Von Mises应力显著增大(P=0.000).脑组织的线性黏弹性材料参数对儿童头部冲击响应同样具有显著性影响,随着脑组织短效剪切模量的增加,脑组织大主应变显著减小(P=0.000),脑组织大剪应力则显著增加(P =0.000).结论 参数分析结果可为今后儿童头部有限元模型的材料选取提供参考依据,进而提升模型在预测临床上无法通过脑CT影像确诊的脑震荡等脑损伤时的准确性.
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6岁儿童全颈有限元模型的构建及验证
目的 利用6岁儿童颈部有限元模型预测不同载荷下颈部损伤的力学响应.方法 基于CT图像构建具有真实肌肉的6岁儿童颈部有限元模型,应用该模型通过分别重构儿童颈椎不同节段的动态拉伸实验、全颈椎拉伸实验和儿童志愿者低速碰撞实验验证其有效性.结果 不同椎段拉伸仿真试验和全颈椎拉伸仿真试验中的力-位移曲线能够较好吻合实验曲线;儿童志愿者仿真试验的头部角速度-时间历程曲线位于实验数据通道内,吻合较好.结论 该模型有效性得到验证,可用于研究儿童颈部不同载荷条件下的生物力学响应及损伤机制.
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颅脑有限元模型演化规律及其生物力学研究进展
交通事故中头颈部损伤因其较高的致命性,已成为严重的损伤类型.有限元模型在创伤性脑损伤生物力学机理研究中得到日益广泛应用.回顾头颈部有限元模型的生物力学研究历史和现状,并阐述车辆碰撞交通事故中人体颅脑典型交通伤演化规律和生物力学研究进展,探索头颈部损伤安全防护的方法,以期为车辆碰撞事故中人体颅脑损伤生物力学研究和相应的汽车安全防护装置研制提供理论依据.
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可实现特殊网格划分的个性化动脉瘤实体模型的构建
目的 通过建立一个可以用于有限元分析,可进行分区域网格划分的个性化主动脉弓动脉瘤实体模型,探索一种能满足特殊网格划分要求的个性化实体模型的建立方法.方法 采用逆向工程的思想方法,借助Geomagic和Pro/E软件,以原始STL格式的表面模型为依据,建立了一个个性化主动脉弓动脉瘤实体模型,并加入理想化支架模型,导入ANSYS有限元分析软件终完成实体模型的建立和分块.结果 建立的有限元模型,可进行针对边界层和支架的分区域网格划分,并完成了一个血流动力学模拟仿真.结论 建立的模型基本满足对特定区域网格细划分的需要,可以为支架介入治疗动脉瘤的血流动力学仿真提供基础.所建模型的方法是可行的,可以为将来建立其他类似模型提供参考.
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基于冷冻切片的人体腰椎三维有限元模型
目的 利用上海交通大学生命质量与机械工程研究所自主开发的冷冻切片处理软件CryoSegmentation提取人体骨骼的边缘,利用逆向工程软件Imageware建立骨骼的面模型,在ANSYS中建立人体腰椎的三维有限元模型.方法 利用第三军医大学的第一例男性冷冻切片数据进行图像处理,截面轮廓线信息处理.结果 准确快速地建立了完全符合人体解剖特征的腰椎三维有限元模型.结论 利用该研究所自主开发的冷冻切片软件和一些现有的商用软件可以准确、快速地建立人体腰椎的三维面模型、体模型及有限元模型,为航空、车辆、船舶、生物医学工程等不同的领域进行数值模拟计算和动力学仿真提供完全符合人体解剖学特征的原始模型.
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利用有限元研究骨中显微损伤发展
目的 研究骨组织中矿物晶体与胶原纤维的相互作用对显微损伤扩展方式的影响.方法 在有限元模型的基础之上引入黏性单元,用拉伸-分离理论来模拟离子键、氢键、范德华力等的作用.结合随机场理论以及概率损伤分析方法,研究上述各种相互作用机制对骨组织中显微损伤扩展方式的影响.结果 当矿物晶体与胶原纤维通过离子键相结合时,他们之间的界面难以分离,因此骨组织中容易形成线性裂纹.而对于通过范德华力相结合的骨组织,其界面结合不稳定,因此显微损伤容易向着弥散损伤的方式发展.当矿物晶体与胶原纤维之间是通过氢键而相互作用时,发现在显微损伤积累的初始阶段,其发展方式倾向于线性裂纹,而随着显微损伤的逐渐积累,矿物晶体与胶原纤维之间的作用越来约弱,从而整个显微损伤的发展转变为了扩展损伤.结论 本研究的结果有助于理解骨组织中不同成分间的相互作用机制对骨后屈服变形中能量耗散过程的影响,从而进一步探索骨质疏松症以及老年性骨折的机理.
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三种三维有限元建模方法在跟骨模型建立中的应用和比较
目的 分析和比较不同三维有限元建模方法在生物组织模型建立过程中的应用.方法 基于同组的序列CT图像,使用直接法、间接法和两种方法相结合的思路分别建立跟骨的三维有限元模型,并对3种模型在相同条件下进行简单加载计算.结果 直接建模法生成的跟骨三维有限元模型具有31 386个节点,115 646个单元,间接法生成的跟骨三维有限元模型具有22 832个节点和15 403个单元.直接与间接结合的方法所得模型包括13 050个节点和46 654个单元.3个模型计算结果表现为应力分布规律基本相同,局部有差异,并在应力大小上有较大差异.结论 模型表面的粗糙程度和材质赋予的形式对模型的计算结果有较大影响.不同建模方法具有不同的适用领域,为满足医学研究需求,认为两种方法的相互借鉴将推动计算生物力学的发展.
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一种新型骶髂关节内固定装置的三维仿真与对比验证
目的 采用三维有限元方法对一种新型的棒-板内固定装置固定骶髂关节骨折脱位的力学性能进行分析,并与骶髂关节螺钉和前路植入钢板两种同定方法进行比较.方法 根据CT扫描数据建立完整骨盆的三维有限元模型.去除模型一侧的骶髂关节韧带群模拟骨折脱位,然后使用棒-板内固定装置,骶髂关节螺钉和前路植入钢板进行模拟固定.对各模型施加同样的载荷来确定每种固定的力学性能.结果 与骶髂关节螺钉和前路植入钢板相比,棒-板内固定装置可使骶髂关节的大位移分别下降40%和42%.与对照组相比,棒-板内固定装置可使主要承载区的大应力明显下降.此外,使用棒-板内固定装置固定可使髋部软骨和皮质骨的大应力显著低于骶髂关节螺钉和前路植入钢板固定.结论 由于棒-板内固定装置具有较好的力学性能,其可为骨盆骨折提供较稳定的固定方式.
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基于MRI的全膝有限元模型建立与前交叉韧带重建术模拟方案
目的 建立完整的人体膝关节三维有限元模型,并在此基础上建立了用于前交叉韧带重建模拟的胫股骨隧道和人工韧带模型,为进一步分析打下基础.方法 以MRI图像作为数据源,运用逆向工程软件Geomagic及有限元分析软件ANSYS 9.0,参考大量有关实验测试数据的文献报道,建立所需三维有限元模型.结果 建立的膝关节三维有限元模型包括胫腓骨上段、股骨下段、胫股骨软骨层、胫股骨隧道、内外侧半月板、后交义韧带、内外侧副韧带和髌韧带,几何形状良好.胫腓骨隧道和人工韧带的模拟巧妙简便,基本可以满足有限元分析的需要.结论 采用MRI图像建立膝关节三维有限元模型切实可靠,能很好地模拟膝关节内部的真实解剖结构及前交叉韧带重建术中的胫股骨隧道.
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基于CT的脑动脉瘤三维重建的有限元模型
目的 建立脑动脉瘤三维重建的有元模型,为临床脑动脉瘤破裂力学机制分析捉供基础.方法 依据临床脑动脉瘤患者CT数据,结合MIMICS 8.1数字化医学影像处理软件,运用三维重建技术构造脑动脉瘤的实体结构,后导入ANSYS有限元通用软件完成脑动脉瘤的有限元建模与力学分析.结果 建立临床上适用于脑动脉瘤患者血流动力学分析的有限无模型.结论 模型具有数字化、个性化特征,可用于脑动脉瘤血流动力学性能计算,分析临床脑动脉瘤患者动脉瘤的破裂机制.
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人耳鼓膜病变数值分析
目的 研究鼓膜厚度和硬度对人耳传声的影响.方法 利用CT获取志愿者耳部结构临床资料,使用Matlab软件提取相关结构的边界,将边界文件导入ANSYS建立人耳结构数值有限元模型.结果 利用本文人耳数值模型,在外耳道口施加105dB声压,进行200～8000Hz频率范围的谐响应分析.以此研究在鼓膜病变情况下,鼓膜和镫骨底板位移幅值的变化规律.结论 用数值方法解释了鼓膜病变对传声的影响,为鼓膜修补提供了力学参考.
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基于有限元方法对钛板改制全听骨赝复物听骨传音特性的理论分析
目的 设计用钛板改制的低成本人工听骨,并对其进行传音特性的有限元分析.方法 首先裁剪一条钛板并折叠得到全听骨赝复物(TORP)人工听骨的初步几何形状;在中耳三维有限元模型中置入人工听骨模型替换原听骨链,得到置换听骨后的人中耳模型;利用此模型分析重建听骨后的传音效果,再根据响应的特征对人工听骨几何形状做出相应的调整.结果 经过数次分析与模型改进,终得到一个较为合理的简易人工听骨形状;置换该人工听骨后的镫骨足板位移曲线和镫骨足板振动模式与正常中耳模型曲线比较接近.结论 利用钛板合理地改制为低成本人工听骨可用于听骨重建手术;有限元模拟分析结果可为设计新型简易的钛板改制人工听骨提供参考依据.
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下颌骨正中牵引成骨系统有限元模型的建立
目的:建立使用3种不同牵引器(牙支持式、骨支持式和混合支持式)的下颌骨正中牵引成骨系统的有限元模型.方法:使用人体颌面部标准解剖模型,通过激光扫描,建立下颌骨、牙列和颞下颌关节盘的三维几何模型.描绘出颞下颌关节囊轮廓并生成关节囊几何模型.将下颌骨几何模型和3种牵引器简化几何模型导入有限元建模软件中,建立3种牵引器的下颌骨正中牵引成骨系统的有限元模型.结果:成功建立了使用3种牵引器下,颞下颌关节可自行旋转的下颌骨正中牵引成骨的有限元模型.结论:该模型仿真程度高,接近临床实际,为后续研究下颌骨正中牵引成骨对颞下颌关节的生物力学影响,提供了良好的实验平台.
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3D-Nurbs曲面建模法建立上颌前牙段及其牙周组织的有限元模型
目的:建立上颌前牙段及其牙周组织的高质量三维有限元模型.方法:应用薄层CT技术扫描得到的牙齿及牙周组织截面影像的DICOM数据,结合逆向工程软件Geomagic及CAD生成上颌前牙段及其牙周组织的iges曲面模型,利用Hypermesh划分网格并检查单元的质量,生成可分析的三维有限元实体模型.结果和结论:建立了上颌前牙段及其牙周组织(包括牙周膜、牙槽骨)的高质量三维有限元模型,包括640 396个单元,117 889个节点.这种新的建模方法简单易行,适合口腔牙体牙周等复杂组织的建模;所建模型相似性高,可供研究分析在各种不同正畸矫治力系统作用下,上颌前牙段单个牙齿或节段牙齿的生物力学规律.
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膝关节周围韧带三维有限元模型的建立
目的 建立膝关节周围韧带的三维有限元模型,探讨膝关节韧带建模途径.方法 选取一无病理改变的膝关节节段标本作为研究对象.首先精细解剖出膝关节周围韧带,用金属线圈标记,止点采用钻孔标记,其中前、后交叉韧带按不同功能束分别解剖并标记;然后进行CT扫描,层厚0.625 mm,应用Mimics软件对数据进行三维重建;后将数据导入ANSYS有限元软件中,建立膝关节周围韧带三维有限元模型.结果 所选膝关节周围韧带三维有限元模型包括了股骨节段、胫骨节段、前交叉韧带两个功能束、后交叉韧带两个功能束、内侧副韧带和外侧副韧带, 总单元数235 879,总节点数69 997.结论 研究所建立的膝关节韧带有限元模型形态逼真,能真实反映膝关节骨外形和韧带三维结构,为进一步分析膝关节周围韧带损伤的发病机制奠定了基础.
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第一跖列负重变化对(足母)趾形态影响的有限元分析
目的建立正常足的三维有限元模型,并以此模型为工具,分析正常足负重后第一跖列的空间位置变化与(足母)趾外展外翻的关系.方法螺旋CT以层厚1.2 mm,间隔1.2 mm扫描正常成年男性右足,根据获得的CT图像,以Metlab,Surface、ANSYS软件为工具,在电脑工作站建立正常足三维有限元模型,予以一定量加载,分析第一跖列的形态学变化.结果结得到正常足的三维有限元模型,加载后可见第一跖列向内侧、跖侧移位并伴有内侧纵弓变长塌陷.近节(足母)趾相对于第一跖骨有外展趋势.结论有限元足部模型是分析足部生物力学的良好工具.负重后,第一跖列内收、跖屈,内侧纵弓塌陷,(足母)趾相对于第一跖骨有外展,反复负重的应力可能是导致(足母)趾外展外翻的因素之一.
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一种新型椎间融合器用于腰椎融合的有限元模型建立
目的 建立可被进一步作生物力学研究的部分可吸收型椎间融合器应用于腰椎融合的有限元模型.方法 应用Mimics 10.01、Geomagic、Ansys 12.0软件建立正常人体L3～L4节段的有限元模型.应用Ansys 12.0软件建立部分可吸收椎间融合器的有限元模型,并建立植入椎间融合器后的模型.施加400 N垂直压缩载荷和10 Nm扭矩载荷以模拟腰椎屈伸、侧弯及旋转运动,验证模型的有效性.模拟腰椎垂直压缩状态,提取模型应力图并做初步评估.结果 快速建立外形逼真的部分可吸收型椎间融合器用于腰椎融合的有限元模型.有限元模型在加载同样的载荷后,前屈、后伸的运动范围(ROM)值分别为5.76°、3.19°,左、右侧屈的ROM值分别为5.08°、5.01°,左、右旋转的ROM值分别为1.78°、1.73°.椎体及椎间融合器应力分布均匀合宜,局部未见明显应力集中.结论 所建模型可被进一步应用于相关生物力学研究.
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胸腰段脊柱有限元模型的建立及其生物力学分析
目的 通过建立贴近实际的胸腰段椎体三维有限元模型并对其进行生物力学分析,为进一步研究其损伤机制及评价不同治疗方法的效果提供方便.方法 将一名健康成年男性的胸腰段椎体CT图像以DICOM格式输出并保存,导入医学三维重建软件MIMICS10.01中进行处理,产生三维实体,并确定单元类型,赋予材料属性后进行网格划分,然后将实体模型导入ANSYS12.0有限元软件中生成胸腰椎三维有限元模型,验证模型有效性后,分析其在准静态条件下的应力分布规律.结果 建立了T12～L2的三维有限元模型,共包括52 502个节点和247 082个单元.本模型几何相似性好,与其他体外实验及动态冲击试验所得结果基本一致.结论 所建立的T12～ L2有限元模型,能够真实模拟实际情况,并能够进行生物力学分析,为下一步研究奠定基础.
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颈椎三维有限元模型的建立和验证
目的 建立具有详细解剖结构的颈椎三维有限元模型并验证其有效性.方法 对1 名健康成年男性进行颈椎的薄层CT 扫描,将CT 数据导入到Mimics10.0 中得到颈椎的三维图像数据,然后导入到Geomagic studio 9.0 中得到颈椎的几何模型,后在ANSYS 11.0 中建立颈椎的有限元模型.采用与文献中相同的条件,计算模型各节段的运动范围,与文献中数据进行对比以验证有效性.结果 建立了解剖结构详细的颈椎有限元模型,并通过有效性验证.结论 该模型具有良好的生物逼真度,可用于进一步的研究.
