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颈椎C2～7三维有限元模型的建立与优角度牵引仿真研究
目的:建立颈椎C2 ～7三维有限元模型,探讨不同角度牵引对颈椎间盘的影响.方法:对一名30岁健康成年男性志愿者的颈椎进行CT扫描成像,应用Mimics 10.01、Geomagic Studio逆向工程软件生成颈椎间盘并建立实体CAD模型,然后导入Ansys Workbench 15.0软件得到颈椎C2 ～7三维有限元模型并进行有效性验证,在所建模型上添加载荷及约束,模拟人体平躺时0 ～ 20°变角度牵引,得出牵引治疗中各段颈椎间盘的优牵引角度.结果:成功建立了C2 ～7三维有限元模型.同一大小牵引力作用下,颈椎间盘C2～3、C3 ～4、C4 ～5、C5～6、C6 ～7的优牵引角度分别为2°、4°、8°、13°、17°.结论:建立了有效的颈椎C2～7三维有限元模型.
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腰椎有限元模型的建立与不同角度牵引条件下的仿真研究
目的：探讨不同角度牵引对腰椎间盘的影响。方法：基于医用CT图像建立人体腰椎L1～5、S1节段的三维有限元模型，模型共有148943个节点，91636个单元。对模型施加320 N的牵引力，模拟人体平躺时斜向上0°、5°、10°、15°、20°和25°牵引。结果：与其他几个牵引角度相比，当斜向上10°牵引时，椎间盘L4/5伸长量大，为2．42 mm；斜向上15°牵引时，椎间盘L3/4伸长量大，为2．44 mm；斜向上20°牵引时，椎间盘L2/3伸长量大，为2．43 mm；斜向上25°牵引时，椎间盘L1/2伸长量大，为2．46 mm。结论：通过调整牵引角度可以对病变的腰椎间盘进行有针对性的治疗。
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腰椎牵引角度有限元分析及优化?
目的：：探讨腰椎牵引过程中不同腰椎间盘对应的优牵引角度，为新型腰椎牵引设备的开发提供依据。方法：基于人体腰椎医用 CT 图像构建人体全腰椎三维有限元模型，利用 Ansys 软件，遵循优化设计的方法，定义牵引角度为设计变量，以各节段腰椎间盘伸长量大值为目标函数，以大许用应力为状态变量，求得牵引治疗中各节段腰椎间盘的优牵引角度。结果与结论：腰椎间盘 L5/ S1、L4/ L5、L3/ L4、L2/ L3、L1/ L2对应的优牵引角度分别为斜向上10°、15°、20°、23°和25°。该方法不仅可以指导腰椎间盘突出症的治疗，而且可以为脊柱牵引治疗系统的开发提供依据。
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基于CT图像建立可供动态力学模拟分析的股骨头坏死有限元模型
目的:建立股骨头坏死的有限元模型,分析股骨头坏死的内部应力分布及力学特征,为股骨头坏死塌陷的预防提供生物力学依据.方法:选取标准成年男性左侧股骨头坏死自愿者1例,采用16排螺旋CT对患者双髋关节进行扫描,获得DICOM3.0格式的股骨头图像原始数据,利用Amira软件、Geomagic Studio软件、Ansys软件,建立坏死股头与正常股骨头有限元模型,分析慢步走时坏死股骨头与正常股骨头不同部位及不同骨质的力学特征.结果:建立坏死股骨头和正常股骨头三维有限元模型,分别根据是否区分皮质骨和松质骨,划分其总体节点数和单元数,并针对不区分和区分松质骨及密质骨的两类模型,分别计算总网格数为4 513 322和3 132 783的加密网格模型,二者在等效应力分布上趋势一致,大等效应力相差4.3％.坏死股骨头模型大应力值均小于正常股骨头模型,尤其是在区分松、密质骨时更为明显,大应力值从52.110 3 MPa降低到30.106 9MPa;坏死股骨头模型的大位移值为1.006 9 mm,明显大于正常股骨头模型的0.583 6 mm.结论:建立了较好几何和物理相似性的、可重复应用、可供动态力学模拟分析的股骨头坏死有限元模型,相比正常股骨头建模,股骨头坏死模型建立时,将松质骨和皮质骨材料区分赋值更有必要.
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一种骨质疏松性椎体压缩性骨折有限元模型的建立方法
骨质疏松症是以骨量减少、骨组织显微结构改变和骨折危险频度增加为特征的一种全身性骨骼系统疾病,是中老年人的一种常见病、多发病.随着世界人口老龄化的来临,生活水平的提高,人口寿命的延长,中国的老年人口正急剧增多,每年均以高于3.2%的速度增长,目前中国人的老年人绝对数是世界第一位的,根据我国部分省市统计,60岁以上老年人骨质疏松症发病率约为59.87%[1].每年骨质疏松症并发骨折的发病率约为9.6%,并有逐年增高的趋势.,老年人口这样快速的增加和高龄化,使骨质疏松症及由其而引起的骨折越来越成为未来医疗和社会所关注的焦点,特别是为常见的椎体骨折.
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腰部推拿手法生物力学和有限元比较研究
目的应用生物力学方法和三维有限元模型,模拟不同腰部推拿手法,比较其腰椎内部结构的变化. 方法标本固定于生物力学材料实验机(MTS)应用计算机定量控制,同时使用ABAQUS 6.1有限元软件建立腰椎L4～5有限元模型,分别模拟斜扳手法、坐位旋转和牵扳手法. 结果生物力学模型显示斜扳手法和坐位旋转手法髓核内压力明显升高,牵扳手法髓核内压力降低或轻度升高;神经根与椎间盘之间有一位移;腰椎小关节内应力低于关节内骨折的限度.有限元模型模拟手法作用时,椎间盘的髓核内压力在坐位旋转手法时大;牵扳手法小且为负值.3种手法作用时,小关节合力均无明显差别.斜扳手法和坐位旋转手法外层纤维环应力大,牵扳手法内层纤维环应力大,3种手法均可造成椎间盘的后外侧与神经根之间有一位移. 结论模拟手法作用时椎间盘与相邻神经根之间有一相对位移,这可能是其治疗机制,有的手法作用时髓核内压升高,应注意其安全性.同时应用三维有限元模型可以很好的模拟各种腰部推拿手法,并得到与生物力学实验基本一致的结果.
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关于腰椎三维有限元模型的建模及有效性验证
目的 利用三维有限元原理,通过三维有限元软件创建正常人腰骶椎三维有限元模型,并对模型进行有效性考证.方法 选取一名健康成年男性志愿者,在平卧非承重条件下采用螺旋CT行薄层扫描,利用数字软件Simple ware2.0、Geo magic studio9.0、Hypermesh10.0、ANS YS9.0及Abaqus6.10-1等建立正常人腰骶椎(L3-S1)模型.对健康完整模型进行四种状态(前屈、后伸、侧屈和轴向旋转)的加载分析,并将L3/4在不同工况下的角位移与以往文献结果比较,来验证模型的有效性.结果 建立健康成年男性的L3-S1三维有限元模型,包括72158个节点,173035个单元;模型L3/4节段在前屈、后伸、侧屈及旋转运动时的角位移数值与其他实验数据对比相似性好,各椎间盘大Von Mises应力与文献结果一致.结论 通过有效性验证,可认为该基于正常人体L3-S1腰骶部的三维有限元模型在一定的条件下是有效的,可用于生物力学实验.
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锤骨上韧带与锤骨前韧带固定对中耳传声的影响-有限元模型研究
目的:研究锤骨上韧带与锤骨前韧带固定对中耳传声的影响.方法:采用中耳结构正常成人颞骨显微CT扫描成像建立正常中耳有限元模型后,调整弹性模量建立锤骨上韧带与前韧带固定模型.计算锤骨上韧带与前韧带在固定与分离两种状态下对鼓膜与镫骨底板振动的影响,反应两种状态下对中耳传声的影响.结果:锤骨上韧带固定和锤骨上韧带与锤骨前韧带同时固定对鼓膜、镫骨底板位移振幅影响大,主要集中于中低频区.锤骨前韧带固定导致镫骨底板于1～2 kHz间位移振幅轻度增高达3 dB;锤骨上韧带固定、锤骨上韧带和锤骨前韧带同时固定对镫骨底板在0.5～1.0 kHz影响明显,分别大减小4 dB和6 dB;而锤骨上韧带和锤骨前韧带分离对镫骨底板振动基本无明显影响.结论:锤骨上韧带固定和锤骨前韧带固定对鼓膜和镫骨底板影响不同.锤骨上韧带固定对鼓膜、镫骨底板振动减小;锤骨上韧带、锤骨前韧带同时固定对镫骨底板影响大;而锤骨上韧带和锤骨前韧带分离对镫骨底板振动基本无明显影响.
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后牙全瓷桥三维有限元模型的建立及应力分析
目的:建立下颌后牙三单位全瓷桥三维有限元模型并进行应力分析.方法:利用结构光三维扫描仪(Three Dimentional Sensing System,3DSS)扫描获取所需的三维表层点云图像,再利用Geomagic软件对其进行实体化操作,获得三维实体模型;后在MSC.MARC软件中进行模型单元划分,获得三维有限元模型,进行有限元应力分析.结果:建立后牙全瓷桥三维有限元模型,总节点数为27974个,六面体总单元数为22964个.Von Mises等效应力的大值集中在桥体两端的连接体处.结论:利用3DSS辅助建模,提高了建模的精度、速度,为有限元生物力学分析研究提供了一种更为精确、简便的建模方法,TZP-CerS全瓷系统初步认为可用于后牙三单位全瓷桥.
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基于DICOM数据构建髋骨三维有限元模型
目的 探讨采用DICOM数据,结合交互式医学影像控制系统及CAE软件快速构建髋骨三维有限元模型的可行性及方法.方法 将CT扫描获得的髋骨原始DICOM数据输入Mimics软件重建三维实体模型,并经面网格优化后输入Ansys中分配单元属性、控制单元尺寸、划分体网格,并经赋材质后得到髋骨有限元模型.结果 有限元模型几何形态逼真,网格分布合理,疏密得当;终包含80 958个单元、124 369个节点,1种单元类型,2种材料属性.结论 采用DICOM数据,结合交互式医学影像控制系统及CAE软件能快速高效地构建髋骨三维有限元模型,该方法可重复性强,模型质量容易控制,可推广用于其他部位有限元模型的构建.
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主动脉夹层的血流动力学数值仿真
目的 建立基于CT的胸主动脉夹层有限元模型并进行血流动力学数值模拟,为分析胸主动脉夹层的血流动力学机理及其临床治疗提供理论依据.方法 依据胸主动脉夹层患者CT数据,用MIMICS 13.0数字化影像处理软件,获取胸主动脉夹层的优化表面模型,随后导入ANSYS 11.0进行胸主动脉夹层模型的有限元体网格划分.后在ANSYS CFX11.0中完成胸主动脉夹层的血流动力学分析.结果 成功建立了临床上适用于胸主动脉夹层患者血流动力学分析的有限元模型.获得了个性化胸主动脉夹层模型中血液流场的流线、速度矢量、血管壁面压力和血管壁面切应力的分布和变化.结论 模型具有数字化、个性化特征,可用于胸主动脉夹层血液动力学计算和临床胸主动脉夹层患者的破裂机理的研究.
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基于CT图像全颈椎三维有限元模型的建立及验证
目的:建立全颈椎三维有限元模型并进行验证.方法:通过CT扫描机对中国人体50百分位健康成年男性志愿者颈椎进行扫描,获取颈椎骨骼坐标数据,利用Mimics软件将图像坐标数据转换成ASCII格式的点云数据,并利用CATIA软件对点云数据进行前处理,通过Geomagic曲面建模功能完成颈椎几何模型重构,并将几何模型导入到有限元前处理软件Hypermesh.采用映射网格划分法分别对颈椎皮质骨、松质骨、椎间盘以及各主要韧带等结构进行了网格划分和模拟.同时,利用现有的颈椎材料参数进行比例和功能缩放来定义稀缺的材料参数,终建立一个解剖结构描述准确、全面的全颈椎有限元模型.结果:整个模型共有22 512个实体单元,14 180个壳/膜单元.利用颈椎离体坠落实验对模型的有效性进行了验证.结论:模型具有良好的生物逼真度,可应用于研究颈椎在汽车碰撞事故中的动态响应和损伤机制.
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锁定钢板固定治疗Sanders Ⅱ型跟骨骨折有限元模型分析
目的:对锁定钢板治疗的SandersⅡ型跟骨骨折有限元模型行生物力学分析.方法:选取1名健康男性志愿者,对其行足踝部螺旋CT后将数据导入Mimics 14.0等软件后得到三维跟骨实体,经分割等操作后获得SandersⅡ型跟骨骨折模型.而后结合三维解剖数据,通过Solidworks2013软件制作相应的跟骨锁定钢板,模拟内置和外置2种锁定钢板固定模型,在等值应力下对两种模型行有限元分析,比较两者的生物力学指标.结果:在中立位载荷下两种固定方式骨折线的大移位均小于1 mm,低于跟骨关节内骨折手术标准;2种固定方式跟骨的主应力峰值均低于骨屈服强度(95 Mpa),且主要位于跟骨结节周围皮质骨,较为稳定;2种固定方式钢板的主应力峰值均小于内固定失效强度(225 MPa),且主要位于钢板中间部位,较为稳定.结论:对于SandersⅡ型跟骨骨折,锁定钢板内置和外置2种固定方式的生物力学性质均稳定.
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下腰椎融合术后路单、双侧椎弓根固定的有限元比较研究
目的：建立正常人L4~5节段椎间盘切除后单/双侧椎弓根螺钉固定椎间融合的有限元模型，对两者在不同运动载荷下的稳定性和应力分布进行比较研究。方法通过正常人L4~5节段CT扫描获取断层图像，然后利用mimics软件重建人体L4~5三维模型，再通过Ansys软件前处理功能建立有限元模型，并在此基础上分别建立椎间盘切除后单侧（A）、双侧（B）椎弓根螺钉固定+椎间Cage融合模型，对两组模型分别施加5N?m的前屈、后伸、左/右屈曲和左/右旋转载荷，比较分析椎体及植入物在不同工况下的位移及应力峰值。结果各种工况下，A组在固定侧侧屈时椎体间位移及椎弓根螺钉应力峰值大，在后伸时椎体应力峰值大。B组在后伸时椎体间位移峰值大，在旋转时螺钉及椎体应力峰值大。在后伸和固定侧侧屈工况下A组椎体间位移峰值、螺钉及椎体应力峰值较B组相差大。结论与双侧固定相比，单侧固定融合术后在固定侧侧屈及后伸工况下发生不稳及螺钉松动、断钉的潜在风险大。单侧固定融合术后的病人在椎间骨融合前应特别减少后伸及固定侧侧屈动作，以降低风险。
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人工椎间盘置换腰椎节段有限元模型的建立
目的:建立L4/L5节段正常及人工腰椎间盘置换的三维有限元模型,用于进一步的腰椎生物力学研究.方法:取新鲜成人腰椎标本,通过螺旋CT扫描、图像数字化处理、三维图像重建技术及自由造型系统进行图像表面光滑处理,再对表面图像矢量化,转入有限元软件,建立L4/L5腰椎节段和SMH人工腰椎间盘的有限元模型,模仿腰椎前路椎间盘摘除术,建立人工腰椎间盘置换的三维有限元模型,用不同的材料参数仿真腰椎和人工椎间盘各结构特性.结果:建立了L4/L5节段人工腰椎间盘置换的有限元模型,模型由皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带和人工椎间盘等结构组成.模型分为53 452个单元,86 329个结点,其中包括53 408个固体单元,44个缆绳单元.结论:通过CT扫描可以获得准确的腰椎几何构型数据,并可在此基础上建立高仿真脊柱节段有限元模型.
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胸腰段椎体压缩性骨折三维有限元模型的建立及其意义
目的:建立胸腰段骨质疏松性椎体压缩性骨折的三维有限元模型.方法:螺旋CT扫描骨质疏松性椎体压缩性骨折患者的胸11椎体上缘-腰1椎体下缘,所得数据经Photoshop处理后转入Pro/Engineer软件,采用实体建模的方法重建出三维立体几何图像,再利用自由造型模型系统对图像进行修改,通过铺面形成椎体三维图形,转入有限元软件进行网格划分,建成三维有限元分析模型.结果:所建模型外观逼真,几何相似性好.结论:为脊柱胸腰段三维有限元模型的建立提供了一种简便,精确的方法,为分析和研究该模型在各种受力情况下的生物力学表现创造了条件.
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正畸镍钛弓丝有限元模型的动态可视化初步研究
目的:探讨形成镍钛弓丝有限元模型动态可视化应力云图的方法.方法:建立镍钛弓丝有限元模型,利用Windows界面下的VB语言中的RGB函数,把有限元模型的数值信息与彩色应力云图显示相关联,当前步变形后产生的静态云图覆盖上一步的云图,同时有限元模型也发生响应的位移,即形成动态可视化的镍钛弓丝变形时的应力云图.结果:把有限元模型得到的数值范围等分为12个值域,每个值域对应一种颜色,数值越大,颜色越暗.把得到的52幅镍钛弓丝有限元模型的瞬时应力云图连续显示就实现了场量变化的动态模拟.结论:利用计算机VB语言可以通过画面的连续显示的方式动态而直观地体现有限元模型计算结果,可以观测选取剖面上整个变形过程的应力云图,模拟真实的运动过程,从而方便地发现受力的危险点,为改进设计提供依据.
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镍钛记忆合金弹性弓计算机辅助设计的有限元法初步研究
目的:探讨一种用于计算机辅助设计的镍钛记忆合金(NTMA)弹性弓有限元模型的建立方法.方法:用Pro/E软件建立具有半个正弦波形状的镍钛记忆合金弹性弓的几何模型,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弹性弓有限元模型.结果:建立了用于计算机辅助设计的镍钛记忆合金弹性弓有限元模型,可以预测一定形状的弹性弓在变形过程中(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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构建颅骨凹陷骨折三维有限元模型的方法研究
目的 探讨颅骨凹陷骨折三维有限元模型的构建方法.方法 对志愿者进行螺旋CT扫描,在PC机上将CT扫描获得的完整头部数据导人MIMICS软件,生成颅骨的三维可视化模型,利用ANSYS 9.0制作凹陷骨折的有限元模型,并进行力学分析.结果 在PC机上可以快捷准确的生成可用于有限元分析的颅骨凹陷骨折的有限元模型,右顶部发生颅骨凹陷的临界载荷为429.548 MPa,得到凹陷后的应力分布云图.结论 应用相关软件可以在PC机上生成颅骨凹陷骨折的三维有限元模型.
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人体腰椎有限元建模及内固定的生物力学研究
随着电子计算机的发展,有限元迅速发展成为一种现代计算方法.它是20世纪50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法.1972年,Brekelmans等[1]首次将有限元分析法引入生物力学领域.有限元分析在脊柱结构与功能研究中作用凸显,利用计算机模拟建立腰椎内固定模型,施加边界条件,可明确不同材料和结构的载荷情况.特别是在复杂构件上利用有限元进行应力、应变分析方面效率较高,从而为内固定装置的设计应用提供支持.与其他生物力学研究方法相比,有限元分析法具有实验时间短、费用少、可重复性及力学性能测试全面等突出优点.本文就腰椎内固定有限元模型的研究状况加以概述,并探讨新型内固定装置研制的思路.
