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股骨及髋臼纵向撞击伤的计算机模拟生物力学研究
目的 建立具有生物力学特性的股骨及大部分骨盆三维有限元模型,探讨股骨远端发生撞击时响应过程及股骨各部和髋臼损伤的生物力学基础.方法 采用GE多层螺旋CT对1例健康志愿者进行从骨盆上缘到胫骨平台部的CT扫描,三维影像重建,数据转换,运用自编程序与vtk软件相结合的方法,模仿刚体撞击股骨远端.分析在撞击时股骨干、股骨转子部、股骨颈和髋臼等部位的应力改变.结果 当着力点位于股骨远端时,应力沿股骨干、股骨转子部、股骨颈向髋臼传导,并产生不同强度.前三部位应力达到峰值时间接近,髋臼应力发生延迟.结论 股骨及髋臼纵向撞击伤的三维有限元模型可研究现实中难以反复再现的撞击状态;撞击中骨横截面积的变化和应力传导方向的改变会产生应力集中和梯度差,这可能是撞击伤的生物力学机制之一.
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骨质疏松椎体增强后对相邻椎体生物力学影响的有限元研究
目的 利用骨质疏松腰椎三维有限元模型,探讨椎体成形术中骨水泥的量、不同分布及骨水泥向椎间隙渗漏等对邻近椎体生物力学的影响.方法 选取老年男性正常人体脊柱标本一具,范围为L4,5,建立L4,5的三维脊柱功能单位的有限元模型.模拟骨水泥在椎体内的不同分布特点,观察不同压力方向时,相邻椎体终板的应力变化.结果 不同骨水泥的量对邻近椎体生物力学的影响不大,但骨水泥分布不均匀和骨水泥在椎间隙的渗漏可导致邻近椎体的终板应力增加.结论 椎体成形术后骨水泥分布不均匀和骨水泥渗漏到椎间隙可引起邻近椎体终板应力的集中,这可能是邻近椎体骨折的原因.进行椎体成形手术时建议骨水泥均匀分布,并避免渗漏到椎间隙.
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上颌前牙高强纤维束带牙周夹板的三维有限元模型的建立
目的 建立带牙列上颌骨及高强纤维束带牙周夹板的三维有限元模型,为牙周病夹板治疗的生物力学研究提供基础.方法 分别应用Mimics、Freeform、Ansys等软件建立终形成带牙周膜的上颌前牙及牙槽骨三维数字化模型,以模拟伢典everStick PERIO高强纤维束带牙周夹板固定后的牙周膜状态.并通过对网格划分后模型进行应力加载,初步验证该模型准确性.结果 建成后模型具有较好的几何相似性.实验共生成113437个单元,186869个节点,与实体尺寸相一致.加载后的应力云图可见等效应力和第一主应力主要集中在牙根唇侧区域,与临床实际情况相符,表明该有限元模型的有效性.结论 利用数字图像技术和三维有限元的方法 相结合,建立的高强纤维束带牙周夹板的三维有限元模型较真实地模拟了临床实际情况,可为后续的不同夹板固定高度及牙槽骨吸收水平的生物力学研究提供有效平台.
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腰椎单、双Cage置入加椎弓根钉内固定的三维有限元分析比较
目的:对腰椎单、双Cage置入加椎弓根钉内固定两种手术方法的生物力学进行比较,判断上述两种手术方法在生物力学上的优劣.方法:选取正常青壮年男性新鲜尸体的L4/5脊柱标本一具,进行横切扫描,利用三维重建软件Mimics建立椎弓根钉内固定有限元模型(模型1),单融合器置入加椎弓根螺钉内固定有限元模型(模型2)和双枚融合器植入加椎弓根螺钉内固定有限元模型(模型3);然后在模型上施加压缩、前屈、后伸载荷并测定在各种情况下螺钉和融合器上的应力,结果在excel软件上进行统计分析.结果:在所测的运动状态中,模型1的螺钉应力明显高于模型2和模型3(P＜0.05),而模型2与模型3的螺钉应力的差异没有统计学意义(P＞0.05);模型2的融合器压力高于模型3,其中在前屈及压缩状态下两者的差别有统计学意义(P＜0.05),而后伸状态下差别无统计学意义(P＞0.05).结论:在所测的运动状态下,上述两种手术方法在生物力学上差异无显著性,应用椎弓根螺钉内固定加后路单枚椎间融合器斜行置入进行腰椎内固定融合的手术方法是可行的.
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下颌前牙固定桥基牙及其支持组织的三维有限元模型的建立
目的:建立下颌前牙双端固定桥的三维有限元模型,为分析下颌前牙固定桥的生物力学特征提供数字模型.方法:采用正常人的下颌骨标本,进行CT断层扫描得到包含下颌前牙的35幅图像,通过计算机图形转换软件和3D建模软件获取图像的边界信息,应用ANSYS有限元建模模块处理,建立了包括牙齿、牙周膜和牙槽骨固定桥修复前及修复后的几何模型和三维有限元模型.结果:固定桥修复后,有限元模型包括牙体、牙槽骨、牙周膜在内共41 648个节点,27 269个单元.结论:CT辅助有限元建模技术能精确建立下颌前牙及其支持组织的三维有限元模型.
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人体退变下颈椎三维有限元模型建立
目的:建立符合人体解剖结构的退变下颈椎三维有限元模型,以用于人体颈椎及其相关疾病生物力学分析.方法:用正常成人颈椎薄层CT图像建立下颈椎(C4～7)三维有限元模型,并验证其有效性.通过改变椎间盘材料属性及高度,建立退变下颈椎(C4～7)三维有限元模型.结果:建立了较精细的退交下颈椎(C4～7)三维有限元模型.结论:该模型有较高的生物逼真度,可用于颈椎生物力学研究.
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临床研究基于参数化联合建模法建立膝关节单髁置换三维有限元模型的研究
目的 为膝关节单髁置换有限元分析提供一种参数化联合建模方法.方法 获取1例成年男性膝关节炎患者的膝部CT扫描,利用Mimics 13.1软件重建出膝部三维骨性模型,通过参数化软件Pro/Engineer 5.0设计与骨性模型相匹配的单髁假体,导入Mimics 13.1建立膝关节单髁置换三维模型,然后通过Ansys 12.1建立膝关节单髁置换三维有限元模型并进行有限元分析.结果 参数化联合建模法效率高,所建模型形态逼真,精确度高.结论 参数化联合建模法为膝关节单髁置换的生物力学研究提供了模型基础和新的实验思路,在单髁置换治疗膝关节病的临床和科研中将有广泛的应用前景.
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人类胸腰椎椎体骨折模型的研究进展
在美国，每年因外伤所致脊柱骨折约有20万人，而胸腰椎椎体骨折占了其中的3／4［1－2］。另外，随着人口老龄化问题的加剧，骨质疏松症等病理性因素并发胸腰椎椎体骨折的患者也日渐增多。同样在美国，每年胸腰椎病理性骨折的患者就有70万人［3］。其除引起剧烈疼痛外，还会严重影响患者的生活质量甚至导致残疾，并且增加个人或社会的经济负担［4］。胸腰椎骨折发病率较高、危害性较大，现已得到脊柱外科医生和科研学者的重点关注。在实施研究时，建立有效的骨折模型是开展研究的前提要求，但是，由于受伦理学和法律的限制，人类活体实验难以开展。既往大量的骨折模型研究集中在动物上，但是研究者发现动物模型与人类存在一定的差异，因此，人类尸体模型及计算机有限元模型快速发展，并应用于各种研究。本文主要收集近15年国内外关于人类椎体骨折模型建模方法的文献，并对其建模方法及特点进行总结和评价。
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上颌中切牙三维有限元模型的锥形束CT扫描建模
目的 探讨一种高效的三维有限元建模方法, 为上颌中切牙的修复提供生物力学仿真基础. 方法 对一颗标准离体上颌中切牙进行锥形束CT扫描, 将获取的数据在Mimics软件中进行三维重建和面网格划分, 所得的文件导入Ansys软件完成体网格划分并导出, 再将所得的文件导入Mimics软件进行材料赋值, 后导入Ansys软件生成上颌中切牙三维有限元模型. 结果 建立了完整的上颌中切牙三维有限元模型, 共生成19 249个单元和55 202个节点, 根据CT灰度值为牙齿定义了10种材料属性. 结论 高效精确地建立了上颌中切牙三维有限元模型.
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寰椎骨折机制的有限元分析
目的 建立寰椎的三维有限元模型,研究各型骨折的可能机制.方法 选取一例自愿参与实验研究的健康青年,无颈部疾病以及外伤史,排除枕寰区的各类疾患.对其进行CT薄层扫描获得原始DICOM图像数据,采用Mimics软件对原始DICOM图像数据进行处理及三维重建,建立一个有限元模型,继而对其进行仿真生物力学实验,比较该方法对研究寰椎骨折的机制是否有效.结果 构建的寰椎有限元模型符合人体寰椎形态.各项运作状态较佳并且有限元模型中C0～C1、C1～C2、C2～C3三个阶段的三维运动范围均在体外生物力学实验平均值的一个标准差范围之内.结论 根据CT数据图像,所建立起来的三维有限元模型与实体有很大程度上的相似,能较好地模拟枕颈部生物力学实验,能反映出比较实际的生物体生理以及病理反应和变化.无论头部是位于屈曲位、中立位或者后伸位,当受到纵向力作用后,寰椎前弓所受到的应力大,其次是后弓与侧块的交界处.
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基于MRI正常人肛管直肠环三维有限元建模的研究
目的 应用有限元建模方法,研究基于MRI正常人肛门括约肌复合体中重要肌群一肛管直肠环肌群的三维有限元建模.方法 应用3.0T MRI扫描正常人肛门括约肌复合体,并经处理获得肛管直肠环肌群DICOM格式断层图像,通过Minics软件转换为可导人仿真软件的三维几何模型,再使用ABAQUS有限元仿真软件三维仿真建立有限元模型.结果 应用MRI采集肛管直肠环肌群、并经过软件处理,可以成功建立肛门括约肌复合体中重要肌群一肛管直肠环肌群的三维有限元模型,该模型外观光滑、逼真,共有126371个节点,66892个单元,具有较高的准确性,可导出顶视图、前视图、侧视图及任意的剖面图.结论 该有限元模型能够客观模拟并评估肛瘘患者采用不同术式治疗后肛门控便功能,为从力学角度评估肛瘘术后肛管直肠环损伤程度提供新的技术支持.
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人体胸部有限元模型研究
目的 建立人体胸部的三维有限元模型,以用于单兵防护工程研究.方法 以CT的扫描数据为重建源图像,利用医学图像重建软件Mimics进行三维重建;在有限元前处理软件ANSYS ICEM CFD中进行单元网格划分,并为模型各部分指定相应的材料特性参数;在有限元软件ANSYS LS-DYNA中完成有限元模型建模,并参照既往尸体实验数据检验模型有效性.结果 建立了近似人体胸部解剖结构的有限元模型,模型的模拟计算结果和既往尸体实验结果基本相符.结论 利用人体断层数据和专业软件,能够完成有限元模型的重建,模型能够满足单兵防护工程研究中进行人体胸部冲击相关数值分析的需要.
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Forsus矫治力前导下颌有限元仿真及佳施力角度探讨
目的 研究在Forsus矫治力作用下下颌骨的应力分布情况和位移分布情况,探讨佳的施力角度,为临床设计新的矫治器提供生物力学基础.方法 选择临床恒牙(牙合)安氏Ⅱ类远中错(牙合)志愿者,运用螺旋CT扫描技术及三维影像技术完成初步重建,利用Abaqus软件建立下颌骨、牙列和弓丝托槽的三维有限元模型,并在此基础上模拟临床Forsus施力部位加载,并设计了 5种不同的计算工况.结果 在5种工况下,弓丝托槽和牙列上的Von Mises等效应力水平相对于下颌骨较高,大应力出现在弓丝托槽.下颌骨上的应力集中主要位于髁突颈和牙槽嵴部位,下颌骨上大的Von Mi-ses等效应力出现在髁突颈处,下颌骨大的位移都基本出现在颏部,髁突颈局部发生了塑性变形.结论 Forsus矫治力的加载角度好为0°～25°.
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正常人下颈椎C4～7节段三维有限元模型的建立与验证
本研究基于计算机断层扫描(CT)图像数据建立并验证正常人颈椎C4～7三维有限元模型,为研究中医手法治疗颈椎慢性疾病的生物力学机制提供模型平台.基于受试者颈部CT图像,依次运用Mimics 17.0、Geomagic12.0及Abaqus 6.13等软件创建正常人C4～7节段有限元模型.在模型上分别模拟前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转工况,计算椎体间相对动度(ROM),将计算的结果与文献结果进行对比分析,并观察模型在1 Nm载荷下6种工况下模型的主要应力分布情况.本研究成功建立了正常人颈椎C4-7三维有限元模型,共包含591 459单元、121 446节点,模拟了椎体、椎间盘、韧带、关节等几何结构与材料特性.模型在前后屈伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下的ROM与实验研究数据基本一致,在1 Nm扭矩或弯矩载荷下,模型主要应力分布基本反映了正常人颈椎生理活动时的主要应力分布情况.本研究建立的正常人颈椎C4～7三维有限元模型精确逼真,符合颈椎的生物力学特性,可用于研究中医手法治疗颈椎慢性疾病的生物力学分析.
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正常人全颈椎(C0～T1)三维有限元模型的建立与验证
研究人体颈椎及相关疾病生物力学机制,创建一个解剖精细、非线性的正常人全颈椎(C0～T1)三维有限元模型.模型基于1例女性健康志愿者颈椎CT数据建立,采用MIMICS13.1、Hypermesh11.0、Abaqus 6.12-1等有限元软件依次创建、预处理、运算和分析.在生理静态载荷下分别模拟颈椎活动(前屈、后伸、侧弯和旋转),观察应力集中部位;测量相邻椎体相对活动度(ROM).本模型经文献中ROM结果验证可靠;预测生理载荷下枕骨大孔前部及侧部是上颈椎的应力集中点;中下段颈椎的应力集中点大部分为活动方向对侧的椎弓根和小关节突.全颈椎(C0～T1)非线性有限元模型的建立,可以为深入了解颈椎及其相关疾病的生物力学机制提供更理想的理论研究平台.
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颈椎C4-C6在前冲击载荷下的应力分析
为了验证汽车碰撞过程中人体颈部的损伤情况,建立了人体颈椎C4-C6部分有限元生物力学模型,模型组织包括皮质骨、松质骨、纤维环、髓核、韧带以及关节面,并在各组织接触部位设置了接触,以便更好地模拟模型在前冲击下的运动趋势.对模型施加前冲击载荷,研究各组织的应力及应变分布情况.经过验证,模型在前冲击过程中,其位移模拟数据基本在实验数据区间范围内,模拟了颈椎C4-C6部分在前冲击载荷下的运动趋势,具有较好的生物逼真度,基本反映了人体颈部冲击动力学响应.
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骨盆有限元模型在承受侧面不同冲击力时的响应
在汽车侧面碰撞中,骨盆是人体容易受损伤的部位之一.研究侧面碰撞中骨盆的损伤机理,可以了解骨盆损伤的生物行为,从而用来设计汽车被动安全装置,提高乘员的安全性.本研究是用单独骨盆的有限元模型研究在不同侧面冲击条件下骨盆的动态反应.分别对有限元模型右侧髋臼关节表面施加1000、2000、3000、4000和5000 N的侧面冲击力,建立它的损伤阈值.结果表明:侧面冲击力越小,峰值应力和该方向的大位移也越小.当侧面冲击力减小到大约3000 N时,峰值应力将不会超过皮质骨的平均屈服强度,从而得到失效阈值大约为3000N.因此合理的设计车门和臀部垫子,使车门对骨盆侧面冲击力降到大约3000 N,骨盆将不会损伤.
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蜗窗激励与外耳道激励产生的耳蜗压力差的比较分析
通过蜗窗激励耳蜗的听力装置研究日益受到重视.为模拟外耳道刺激声经听骨链、前庭窗传入内耳的正向传递和蜗窗机械激励下振动在耳蜗中逆向传递,采用包含外耳道、中耳和耳蜗的声场和结构耦合有限元模型分析比较两种激励下耳蜗内压力响应.以耳蜗正向和逆向激励下蜗底隔膜两侧压力差相等为条件,确定与外耳道激励等效的蜗窗激励力.理论计算获得的蜗窗等效激励力与相关文献根据实验数据预测结果相符.本文的理论结果可为蜗窗激励听力装置的应用和参数优化提供参考数据.
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人体膝关节有限元动力学分析模型的建立与验证
根据乘员碰撞事故中人体膝关节的生物力学响应特性,应用有限元(FE)方法和碰撞模拟技术,构建了一个人体膝关节模型.模型按人体解剖学结构构建,由股骨内、外侧髁,胫骨内、外侧髁,腓骨小头、髌骨、软骨、半月板以及主要韧带构成.通过比较模型仿真和尸体碰撞实验在轴向载荷条件下膝关节受刚性碰撞的响应结果,验证了模型的有效性.该模型为研究人体膝关节损伤机理提供了可靠的基础数据,并可应用于乘员损伤防护装置的设计和开发.
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老年健康女性盆底肛提肌有限元模型的建立及意义
为建立老年健康女性盆底肛提肌有限元模型(FEM),对一老年未孕女性健康志愿者进行骨盆CT及MRI薄层扫描,获得其骨盆及盆底肛提肌的原始图像数据,随后应用Mimics12.0及Geomagic9.0图像处理软件将骨盆诸骨、肛提肌及其相关肌肉进行三维重建和网格优化,在Ansys11.0软件平台上构建骨盆与肛提肌群的肌骨系统FEM,并终获得精确的老年健康女性盆底肛提肌及骨盆的FEM.结果表明:采用CT及MRI薄层扫描数据建立的FEM真实可靠,能逼真反应盆底肛提肌的空间立体解剖关系,避免了已往依赖于尸体标本解剖获得模型的缺点,所获得的模型数据更加接近于活体解剖,有利于后期的有限元分析.
