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基于CT建立早期退变腰椎活动节段的三维有限元模型
目的:基于CT建立了脊柱L4-5活动节段早期退变的三维有限元模型,并对其进行力学性能测试.方法:选择1名39岁慢性下腰部疼痛的中国女性志愿者作为模拟对象,对其脊柱L4-5节段进行层厚0.75 mm的连续扫描,共获得CT断层图像138幅,获取用于建立三维模型的相关数据.将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过mimics 10.0软件建模形成L4-5运动节段的三维模型后,结合CAD软件CATIA对该活动节段进行数据优化,并形成实体模型.将模型数据导入有限元分析软件Patran转换成有限元模型.模拟中立位该节段的受力环境,将4个100N力以结点负荷形式分别施加于L4椎体旋转轴等距离的内前外后部椎体结点,以观察验证该模型的准确性.结果:建立了腰椎早期退变的L4-5节段的有限元模型,模型总节点数为27 130个,单元数113 834,其中包括Solid单元113 153个,Area 161个,Link单元520个,力学测试显示负荷在椎间盘分布不均,薄弱的纤维环后部受力增加.结论:通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以以自动化程度较高的方法建立腰椎早期退变活动节段的高精度三维有限元模型,用于脊柱生物力学的进一步研究.
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全膝关节置换术膝关节有限元模型的构建及其力学分析
目的 通过多模态CT和MRI影像数据构建复杂人体膝关节有限元模型的研究较少.文中旨在通过CT和MRI影像数据配准融合构建全膝关节置换术(TKA)膝关节有限元模型,进行有限元分析,为TKA膝关节生物力学仿真研究提供模型. 方法 采集连云港市第一人民医院关节外科2016年6月1例26岁正常成年男性左侧膝关节CT和MRI影像数据,导入至Mimics 软件构建膝关节骨性和非骨性结构三维模型.以外部参照点进行模型配准,融合成膝关节三维整体模型.仿真植入TKA假体组件,构建TKA 膝关节三维模型,进一步网格划分,构建TKA膝关节三维有限元模型.对其定义材料属性、确定边界条件和载荷后,进行有限元分析. 结果 通过CT和MRI影像配准融合构建出包含骨骼、韧带、假体、聚乙烯衬垫和骨水泥层的TKA膝关节有限元模型,模型保持了TKA膝关节内不同结构的空间位置关系.有限元分析结果显示了TKA膝关节内的应力分布特征.TKA膝关节内外侧间室股骨假体与聚乙烯衬垫发生接触,内外侧间室接触总面积为230mm2,内侧间室为124mm2,外侧间室为106mm2,内侧间室接触面积约为外侧间室的1.17倍.内侧间室聚乙烯上表面的压应力峰值为15.72MPa,外侧间室聚乙烯上表面的压应力峰值为14.45MPa,内侧间室压应力峰值是外侧间室的1.09倍. 结论 基于CT和MRI影像数据配准融合构建的TKA膝关节有限元模型为研究TKA膝关节生物力学行为提供了可靠工具.
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髋臼骨结核三维有限元模型建立及力学分析
目的:建立人体髋臼骨结核三维有限元模型,探讨其生物力学变化.方法:通过正常髋关节CT数据,利用Mimics软件和ANSYS有限元软件,建立正常髋关节及髋臼结核三维有限元模型,进行加载分析髋关节各主要部分峰值Von Mises应力变化.结果:通过加载分析结果显示,髋臼顶部、髋臼中心部、髋臼前部、髋臼后部骨结核与正常髋关节相比,髋臼软骨下骨峰值Von Mises应力依次增加84%、3%、21%、67%;髋臼软骨峰值Von Mises应力,依次增加31%、17%、20%、28%;股骨头软骨峰值Von Mises应力,依次增加30%、17%、6%、23%;股骨头软骨下峰值Von Mises应力,依次增加15%、7%、1%、11%.结论:髋臼骨结核可导致髋关节各部分生物应力分布改变.
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颈肌与颈椎病关系浅析
随着社会经济、文化的发展,人们工作方式和生活方式的改变,颈椎病的发病呈现出普遍化、年轻化的趋势,越来越受到广大医务工作者的重视[1],真正意识到是该向颈椎病挑战的时代了[2].但由于颈肌无创测控技术落后,至今尚无客观可靠的指标反映颈肌的在体生物力学特性[3].在基础研究、实验研究中,目前只能运用模拟半在体的脊柱功能单位[4],或建立虚拟的三维有限元模型[5],进行颈椎生物力学和发病机制的研究.剥去颈肌,不考虑颈肌在颈椎稳定性中所起的作用,其实验结果无疑是片面的.从某种意义上说,目前对颈椎病的认识仍是相当不足和模糊的.在临床上,有的过分强调颈椎正骨复位,运用颈椎旋转、侧扳手法过于随意、粗暴,忽视对颈肌等软组织的松解治疗,缺乏对颈肌的认识和保护.笔者认为,颈肌在颈椎病的发病机制和临床治疗的每一阶段、每一环节都发挥着重要的作用,应引起足够重视.在基础研究未能取得突破的情况下,广大临床工作者应加强临床经验的总结和摸索,不断完善和丰富对颈肌、颈椎病的认识.下面就颈肌的应用解剖、生理病理特性、临床表现、临床治疗等方面,笔者一些粗浅的思考和认识,与同道交流,以起抛砖引玉的作用.
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椎动脉型颈椎病患者狭窄椎动脉与正常椎动脉的血流动力学差异
目的 建立椎动脉型颈椎病患者狭窄血管与正常血管的有限元模型,分析血流动力学差异.方法 选取1名经临床证实为椎动脉型颈椎病患者,行螺旋CT扫描得到DICOM格式的CT断层图像,利用Mimics10.01,Geomagic Studio9和有限元分析软件ANSYS11.0对数据进行分析.结果 得到正常及狭窄椎动脉有限元模型,经血流动力学分析后得出:正常血管血流形式为层流,流量、剪切力随心脏博动规律分布,狭窄椎动脉缩窄区两端出现涡流及血液淤滞区,狭窄前区剪切力大,而在狭窄后区剪切力小,狭窄后流量减小.结论 椎动脉型颈椎病患者狭窄血管与正常血管的血流动力学方面存在巨大差异,血流动力学的研究为椎动脉型颈椎病治疗方案制定及预后评估提供了理论依据.
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膝关节有限元解剖模型的构建及其力学分析
目的 通过多模态CT和MRI影像数据融合构建膝关节有限元解剖模型,并进行有限元分析和验证,为膝关节力学仿真研究提供可靠的有限元模型. 方法 采集正常膝关节CT和MRI影像数据,导入到 Mimics软件中,构建膝关节骨骼、半月板、关节软骨、韧带等结构的三维模型. 以外部标记为参照点进行模型配准,融合成膝关节整体模型. 在Hypermesh软件中进行网格划分,构建膝关节有限元模型. 通过解剖观察和测量对有限元模型进行解剖真实度评估,对其设置材料属性、建立边界条件和施加载荷,进行有限元分析,并验证.结果 基于CT和MRI影像数据构建出包含骨骼、半月板、关节软骨、韧带等多种组织结构的膝关节有限元整体模型,模型保持了膝关节的解剖学特征,有限元分析结果与文献报道的结果一致,显示有限元模型可靠、有效. 结论 通过多模态CT和MRI影像数据融合可以构建符合解剖学特征的膝关节有限元整体模型,能为研究膝关节生物力学行为提供可靠、有效的有限元模型.
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建立股骨远端C3型骨折有限元模型并提出股骨远端"双柱理论"
目的 用计算机软件建立C3型骨折有限元模型,在此基础上提出股骨远端内外侧"双柱理论",并以此指导C3型骨折的临床治疗.方法 通过股骨全长CT扫描获得数据,用MIMICS-HYPERMESH-Ls-Dyna软件模拟75 kg体重成人从6 m高空坠落,作用力缓冲时间300 ms,以机械轴为载荷方向建立C3型骨折有限元模型,明确内侧柱、外侧柱的分界线.结果 股骨远端C3型骨折有限元模型显示,主要骨折线分布在股骨远端内侧、内后侧区域,机械轴与股骨下端内侧皮质交界点附近,这个交界点在载荷下应力变形集中,所得出的结果与临床X线片表现一致.在股骨远端内外侧"双柱理论"指导下,对股骨远端C3型骨折进行内外侧双钢板固定,其疗效明显优于单钢板固定.结论 以机械轴与股骨下端内侧皮质交界点为基础,划分股骨远端内、外侧柱分界线,得出股骨远端内外侧"双柱理论"的概念是合理、可行的.临床治疗股骨远端C3型骨折,手术中需要重建内、外侧柱,尤其要重视内侧柱的稳定性.
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准确构建个体化膝关节有限元解剖模型的方法
目的 利用多模态影像数据融合和多种建模软件协同应用的方法准确构建膝关节有限元解剖模型,为研究膝关节生物力学行为奠定基础.方法 采集正常膝关节CT和MRI影像数据,导入Mimics软件,提取骨、软骨、韧带和半月板,分别构建三维工程化模型.以外部标记物为参照进行模型的配准融合.将膝关节工程化模型导入SC/Tetra和Hypermesh软件,分别进行干涉面删除、网格自定义划分、局部网格优化和体网格划分,构建包含多解剖结构的膝关节有限元模型.结果 基于CT和MRI影像数据构建出膝关节骨、软骨、韧带和半月板的三维工程化模型.以三维工程化模型为基础,多种建模软件协同应用构建的有限元模型充分保持了膝关节各结构的解剖学特征.结论 利用CT和MRI影像数据融合和多种建模软件协同应用的方法可以构建活体膝关节有限元模型,并保持膝关节各解剖结构的解剖真实性,为准确模拟膝关节生物力学特征提供前提.
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微植体支抗滑动法关闭间隙的三维有限元建模及实验验证
对志愿者头颅部进行螺旋CT扫描，利用Mimics软件进行实体模型的重建，优化后导入Ansys 软件中赋值及网格划分，建立左侧下颌第一磨牙缺失的包含微型种植体、直丝弓托槽、牙列、牙周膜、牙槽骨的下颌三维有限元模型，实验模拟与临床基本相符。
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基于步态分析建立膝关节三维有限元模型
目的:在静态三维有限元模型基础上结合下肢的三维步态数据,建立动态有限元模型,模拟人体在平地行走过程中下肢随着角度和地面反作用力的变化而出现膝关节内的应力改变.为后续研究提供生物力学客观结局指标.方法:拍摄男女各1名志愿者的膝关节MRI影像,使用Mimics、Geomagic、Ansys等软件建立2例双膝4个有限元模型.获取2名志愿者的三维步态数据,并导入静态有限元模型中建立膝关节动态有限元模型,进行验证后计算内外侧半月板体积及应力在行走中的变化.结果:股骨和胫骨为刚体结构,网格大小为2mm,单元数分别为6 349和4 020,节点数分别为18 945和11 966.半月板弹性模量为120 MPa,泊松比为0.45,网格划分大小为1 mm,内外侧半月板单元数和节点数分别为25 801和23 241及36 903和33 488.男性内外侧半月板体积均大于女性,但男女性双膝内外侧半月板体积比值接近,男性左右膝内、外侧半月板比值为0.99和0.97,女性为0.93和0.96.内侧半月板应力较外侧大,比值在1.11～1.43之间.女性半月板应力分布较男性更为不对称(1.22～1.27 vs 1.11～1.14).结论:结合步态数据建立的膝关节动态有限元模型能对膝关节的生物力学环境进行仿真模拟,反映出步行过程中不同事件下半月板应力的变化情况.
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软组织建模中的有限元模型
用求解弹性力学问题的经典方法-有限元方法进行物理建模,并根据人体软组织的生物力学特性,对有限元模型进行修改.实验结果表明:修改后的有限元模型在形变逼真的情况下稳定性更强.
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颈椎生物力学模型的应力及进展
颈椎损伤时常累及颈髓,并由此带来严重的神经功能不全甚至死亡.如何避免这种损伤以及提高对这种损伤致伤机理的认识是脊柱外科所研讨的重要问题.目前,在众多的研究方法中,通过生物力学模型来研究脊柱疾患的发病机制是一种十分重要的手段.根据构成的特点和用途,Panjabi[1]将其分为离体模型、物理学模型、在体模型和计算机模型.近几年,计算机模拟数字化模型即三位有限元模型发展较快,国内外文献报道较多.现结合近几年文献综述如下.
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腰椎三角固定装置的三维有限元分析
[目的]研究三角固定装置的生物力学特性,并与常规椎弓根螺钉固定方法比较.[方法]建立L3～5 TLIF三维有限元模型,分别用双侧椎弓根螺钉固定(BPSF)、单侧椎弓根螺钉固定(UPSF)、三角固定装置固定(TCF).L3表面施加500 N预载荷,再施加10N·m的力距模拟腰椎前屈、后伸、左右侧屈、轴向旋转等生理活动,测试不同工况下L4～L5节段角位移,椎弓根螺钉或经椎板关节突螺钉、融合器应力分布情况.[结果] BPSF与TCF L4～L5节段角位移小于UPSF; UPSF的螺钉应力峰值明显高于BPSF、TCF; UPSF椎间融合器的应力峰值在各种工况下高于BPSF、TCF,BPSF与TCF基本相似.[结论]TCF生物力学稳定性优于UPSF,与BPSF相似.
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腰椎髓核摘除后小关节应力分析
[目的]研究L4、5正常腰椎节段、髓核摘除术后腰椎节段小关节的应力大小和分布情况.[方法]利用有限元软件Ansys,建立L4、5正常节段和髓核摘除术后三维有限元模型.固定模型L5椎体下终板,在L4椎体上终板施加400 N的轴向压缩载荷,并在L4椎体上终板分别向模型施加前屈、后伸和右旋转力,力矩大小均为6 Nm.分析各个状态下腰椎小关节的应力分布情况.[结果]建立了L4、5腰椎节段正常、髓核摘除术后的三维有限元模型.小关节处理为三维接触模型,线性、面接触单元,无摩擦,由上下关节突关节面及韧带结构组成.正常模型两侧小关节在右旋转时均产生较大应力,而以左侧小关节产生应力更大.髓核摘除模型在前屈、后伸、旋转时小关节的应力均增加.[结论]在腰椎不同的运动状态下,两侧小关节面各个部位的接触情况是不同的,应力大小和分布也是变化的.髓核摘除后腰椎前柱的承载功能减弱,小关节等后柱结构分担载荷增大.
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术前模拟力学研究在拟植入耳赝附体先天性外中耳畸形患者中的应用价值
目的 探讨术前模拟力学研究在拟植入耳赝附体先天性外中耳畸形患者中的应用价值.方法 选取20例已行外耳道成形术的先天性外中耳畸形患者(研究组),术后复查MSCT,另选取乳突发育良好的20例正常人群作为对照组,行耳颞骨MSCT.利用Mimics10.01软件建立研究对象颞骨CT图像的三维模型,并对其进行网格化处理,通过ANSYS14.5对研究对象耳赝附体植入前的三维定位及颞骨结构进行力学分析,应用球钻750 r/min.结果 术前薄层颞骨CT图像可实现快速三维化,耳赝附体术前植入位置定位精确.外中耳畸形患者距所开放的骨性外耳道周缘(2.07±0.05) mm距离较为安全,无外中耳畸形患者距骨性外耳道周缘(1.83±0.07) mm较为安全.结论 对于外中耳畸形已行听力重建拟行耳赝附体植入术患者,术前针对耳赝附体植入钛钉进行模拟力学研究有助于寻找合适的植入点及距外耳道的距离.
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仿生种植牙三维有限元模型的建立
目的:建立成人上颌中切牙的仿生种植三维有限元模型,探讨仿生种植牙的生物力学特性.方法:以成人上颌中切牙为标本,通过螺旋CT扫描和计算机图像处理技术,获取中切牙各截面的轮廓坐标数据,再通过CAD技术进行单元网格的自动划分,形成SuperSAP模型数据文件,输入到SuperSAP93有限元专用分析软件后建模.结果:建立了有效的仿生种植牙三维有限元模型.结论:模型的几何相似性、生物力学相似性均佳,可用于仿生种植牙的生物力学研究.
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胸腰段骨质疏松性椎体压缩性骨折有限元模型的建立
目的 建立胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折的三维有限元模型,并验证其有效性.方法 采用64层螺旋CT机对1例女性L1椎体骨质疏松性压缩性骨折患者T11～L2椎体节段进行连续扫描,所得数据经Mimics 17.0、Geomagic Studio2013及SolidWorks2012等软件处理,采用实体建模的方法重建椎体三维图形,导入有限元软件ANSYS17.0进行设置材料属性、接触类型、模拟韧带、网格划分、边界条件和施加载荷等处理,构建胸腰段L1椎体骨质疏松性压缩性骨折有限元模型和无骨折的正常胸腰段椎体有限元模型.对无骨折的胸腰段骨质疏松性椎体有限元模型T11椎体垂直加载400 N直立载荷的同时,于T11椎体上表面施加方向分别是前屈、后伸、左侧弯和右旋转的力矩7.5 N/m,观察模型的角位移,验证模型的有效性.结果 成功构建胸腰段L1椎体骨质疏松性压缩性骨折有限元模型及无骨折的正常胸腰段椎体有限元模型,得到的模型与人体脊柱几何外形高度相似.无骨折的正常胸腰段椎体有限元模型T11椎体在前屈、后伸、左侧弯和右旋转4种载荷下的角位移分别为7.11°、5.09°、7.98°、3.77°,与既往报道相同边界条件和加载条件下的三维有限元分析实验和尸体生物力学实验中的角位移数据接近,与实际临床结果吻合.结论 成功构建了L1椎体骨质疏松性压缩性骨折有限元模型及无骨折的正常胸腰段椎体有限元模型,并验证了有限元模型的有效性.
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PKP 后骨折椎体及邻近椎体应力变化有限元分析
目的：利用有限元模型分析脊柱凸成形术（ PKP）治疗后骨折椎体及邻近椎体的应力变化，探讨PKP治疗后骨折椎体强度与邻近椎体骨折的关系。方法选择因L2椎体骨质疏松性骨折行PKP治疗、并随访1年半的患者1例，根据治疗前后患者的腰椎CT资料，构建椎体生物力学的有限元模型，对第L1～L3椎体在前后屈曲、左右侧屈及旋转状态下进行应力载荷实验，观察L2及邻近L1、L3椎体终板、椎体骨小梁、椎体骨水泥所承受的应力改变情况。结果术后L2椎体终板、椎体骨水泥在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈状态下的应力值均高于术前（ P＜0．05）。 PKP前后椎体骨小梁各种运动状态下的应力值差异无统计学意义。 L1、L3椎体PKP前后各种模拟状态下应力变化差异无统计学意义。结论 PKP治疗可以有效增强骨折椎体的强度，提高椎体的载荷，且邻近椎体不会出现应力变化，对邻近椎体不会造成不良影响。
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基于CT精细扫描构建人体胸腰段脊柱三维有限元模型的方法及意义
目的 探讨基于CT精细扫描构建人体胸腰段脊柱三维有限元模型的方法及临床意义.方法 将以各向同性分辨率0.625 mm薄层扫描所得的层厚0.65 mm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值赋值,再次导入Ansys添加韧带、关节约束后生成三维有限元模型.结果 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.结论 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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脊柱三维有限元分析模型的研究近况
有限元(finite element FE)概念于20世纪40年代早提出,50年代初即被用于结构设计,目前已广泛应用于工程技术各领域.其基本原理是把一个由无限个质点构成并且有无限个自由度的连续体划分为有限个小单元体组成的集合体,此过程称为有限元模型的离散化.
