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经颅磁刺激中大鼠真实头模型感应电场分布的研究
经颅磁刺激是一种利用时变磁场产生的感应电流刺激大脑的技术,现在已经广泛地应用于精神疾病的治疗及脑功能的研究.本文建立了经颅磁刺激中大鼠真实头模型,并利用有限元方法计算了模型中感应电场的空间分布情况.该模型可用于动物实验方案的设计和实验结果的解释.
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生理曲度变直与正常的颈椎有限元建模与分析
建立生理曲度变直和曲度正常的颈椎全节段有限元模型,进行对比与分析.选取颈椎曲度变直患者采集CT数据,采用专用生物力学有限元软件构建高质量颈椎全节段模型,然后采用基于离散微分属性的体网格变形技术,将变直模型映射生成曲度正常模型,在进行有限元模型的验证后,用相同边界条件进行对比分析.结果表明,曲度变直模型活动度范围比正常范围减少16％～28％,应力增加4％～90％,C3-C4和C4-C5小关节、钩突关节、椎间盘容易出现应力集中,表明容易出现损伤和退化.通过使用新型建模软件和体网格变形技术,能方便构建生理曲度变直和正常模型,分析结果对临床诊断有指导意义.
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复杂性腰椎管狭窄症减压和椎间融合的有限元分析
精确建立复杂性腰椎管狭窄症LSS的退变腰椎有限元模型,进而分析减压手术结合椎弓根内固定、椎体间盘融合的效果.选取复杂性LSS患者采集CT数据,采用专用生物力学软件建立退变腰椎全节段模型,自适应划分网格并交互生成附属组织结构,同时构建正常腰椎模型和三种手术治疗模型,用相同边界条件进行对比分析.复杂性LSS模型活动度比正常模型减少20％左右；而单纯减压模型出现不稳,活动范围增加近40％；结合椎弓根内固定稳定性部分提高、活动范围只增加25％,而进一步结合椎体间盘融合后腰椎弯曲刚度超过正常模型.在应力方面,单纯减压的应力出现较大增加、达到1.7倍左右,结合椎弓根内固定和椎体间盘融合有比较明显的减压作用.显示单纯的减压手术虽然可以缓减神经疼痛,但可能进一步造成腰椎稳定性的破坏,结合椎弓根内固定不能提供全面的稳定性,进一步结合椎体间盘融合的治疗效果比较稳定.
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非机械效应作用下受损牙齿结构数值分析
考虑填充材料特性对受损牙齿结构性能有着非常大的影响,研究聚合收缩和吸湿膨胀耦合作用下牙齿结构的力学特性,为临床医学合理地选择材料提供技术支撑.设计了一个理想化的受损牙齿模型,模型中包括牙釉质、牙本质、充填材料和界面耦合剂,并通过引入损伤变量的方式,来处理牙齿复合材料中颗粒和高分子树脂之间的界面脱落问题,使用通用有限元程序软件包ABAQUS编写用户子程序对材料的损伤行为进行仿真分析,得出在考虑损伤条件下充填材料和界面的刚度对应力和位移的影响结果.分别检测在有损伤和无损伤条件下吸湿作用对聚合固化的补偿效应,并对超吸水性、等吸水性和次吸水性进行比较.通过仿真分析可预测,在应力集中区域会发生界面破坏和牙尖平移.这些损伤作用导致填充物聚合树脂膨胀,因而降低其刚度并产生位移.当考虑收缩和吸湿耦合作用时,充填材料的刚度与应力成反比.受损牙齿界面应力的作用和发展对牙齿修复物使用寿命造成不利影响.
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角质层渗透性质的有限元数值模拟计算
角质层是皮肤屏障作用的主要部分,它决定可外界物质对皮肤的渗透情况.本研究在假设角质层细胞为一种三维的十四面体(物理学经典的Tetrakaidecahedron体)下,进行对角质层渗透性质的数值模拟工作.为此,首先完成了对角质层空间结构的网格拆分,拆分过程分两步进行:首先对角蛋白细胞的网格拆分;然后对角蛋白细胞周围的网状脂质体的网格拆分.在数值模拟过程中,则用有限元法得到方程的离散格式,用多重网格算法降低高频误差,提高计算精度.后,给出了数值模拟结果的可视化效果图.
关键词： 角质层 Tetrakaidecahedron 网格拆分 有限元方法 -
生物组织粘弹性动力学分析的有限元新方法
应用线性粘弹性模型和电网络模型间的两个重要结论，以及滤波方法，推导得出一种适用于生物组织粘弹性动力学分析的有限元新方法。粘弹性材料的复杂性可简单地视为各向同性，亦可将其逐步趋于复杂而直至极端各向异性，描述生物组织力学特性的线性粘弹性模型可以是两种不同的元件和三种不同的基本模型的任意组合。多方法、多角度地证实本文推导得出了一般的、系统的和高精度的快速有限元分析法，该分析法可用于分析以线性粘弹性为模型的生物组织和工程材料的动力学响应。
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人体左心室复合材料有限元机械模型的建立
人体心脏通过电兴奋引起的心肌收缩实现泵血功能,而心肌的力学特性高度依赖于肌纤维旋向.根据肌纤维结构和复合材料理论建立了人体左心室的三维有限元机械模型,并讨论了心电兴奋力及后负荷的计算问题,后仿真研究了在正常心脏兴奋传播过程中左心室在载荷作用下的力学响应,并与磁标记的MR成像结果及其他有关模型进行了比较.研究结果表明该模型可用于探讨心脏的机械功能和生理病理机制,为建立具有电生理及力学性能的虚拟心脏奠定了基础.
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无限元方法及其在烤瓷熔附金属全冠应力分析中的应用
在对口腔修复临床常见的烤瓷熔附金属全冠有限元法分析基础上,将修复体唇侧颈缘出现应力集中区域采用无限元方法进行分析,有限元与无限元区域的数据连接采用区域分解法的D-N迭代法实现.结果显示:无限元方法能计算出模型中应力集中区域任意一点应力、应变值,准确描述修复体发生金-瓷结合破坏和崩瓷、瓷裂的可能,为临床金-瓷修复体的设计与制作和无限元方法在口腔生物力学中的应用提供理论依据.
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膝内翻引起胫骨平台内侧骨质增生的模拟
本研究首先采用非线性骨再造速率方程和有限元方法相结合,引入拓扑优化思想,从不确定外形出发,模拟了正常力学环境下的胫骨上端外部形状和内部结构.然后以得到的正常力学环境下的胫骨上端外部形状和内部结构为初始模型,根据骨质增生形成的过程,提出膝内翻时胫骨平台上所受压力的分布随内翻角度的变化以及骨质增生过程中平台上受力分布和骨刺上压力分布改变的假设.模拟了膝内翻引起胫骨平台内侧的骨质增生.在模拟的过程中,总结出了一种符合骨质增生生理过程的模拟方法.
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人工寰齿关节置换后各寰枢椎部件生物力学性能的有限元分析
目的 通过有限元分析方法评估人工寰齿关节置换后寰枢椎各部件的生物力学性能,以便对其结构优化提供理论依据.方法 对人体正常新鲜寰枢椎尸体标本和人工寰齿关节行薄层CT扫描,利用Mimics软件、Freeform Plus软件及Ansys软件,模拟临床前路减压术,将人工寰齿关节模型装配于寰枢椎模型上,构建人工寰齿关节置换后寰枢关节几何模型.对实体模型进行网格划分,并在网格模型基础上添加相关韧带结构,终建立人工寰齿关节置换后寰枢关节的有限元网格模型.给予模型分别施加前屈、后伸、侧屈、旋转4种生理载荷,计算分析不同载荷下人工寰齿关节置换后寰枢椎各部件的应力分布情况.结果 在前屈和后伸状态下,枢椎螺钉钉尾处表现高应力,而寰椎螺钉钉尾未出现高应力；在各种运动状态下,应力集中区分别为人工寰齿关节钢板钉孔处和两部件接触处,枢椎钢板与椎骨接触处也出现应力集中.结论 人工寰齿关节钢板钉孔处、枢椎螺钉钉尾和寰枢椎部件接触处容易出现应力集中,人工寰齿关节表面需要涂层处理及其材料硬度和耐磨性有待进一步优化.
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有限元方法在腰椎研究中的应用
有限元分析是当今大多数工程设计中一个关键的步骤.它作为一种高效的设计工具被广泛应用于各个领域的产品设计,从电气系统、家用器具到汽车、航空器以及大型土木工程建筑等.第一个真正的椎间盘椎体的三维有限元模型是由Lin等人建立的.从那以后,有限元方法常常用于对腰椎生物力学特点的研究.国内的研究者也使用有限元方法对脊柱进行了有益的探索,随着近10年计算机运算能力的飞跃增长,由腰椎构成的复杂功能系统已经可以进行分析研究.实验分析和临床实验也能提供此类信息,但是有限元模型具有前者无法比拟的优势,它能预测椎间盘和椎骨的压力值以及非常详细的动态数据.
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颈椎生物力学中的三维有限元分析
生物力学因素在脊柱疾患的发病机制中具有十分重要的意义.随着对脊柱疾病的认识不断深入,对其力学研究的要求也相应提高.有限元方法是目前应用较广泛的一种数学计算方法,是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用.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.
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上颈椎损伤及内固定治疗生物力学机制的有限元研究进展
上颈椎通常指C1、C2，即寰、枢椎，其上连头颅，下接下位颈椎，在脊柱中的力学作用非常复杂，超过50％的颈椎损伤发生在C1和C2[1、2]，而上颈椎损伤的生物力学机制又是临床治疗的基础。随着计算机技术的飞速发展，有限元方法作为一种新的生物力学研究方法，较之传统动物实验或尸体实验具有可动态反映外部载荷下实验模型内部应力/应变变化，以及通过改变参数可重复模拟实验进行持续性研究等方面的突出优点，目前已广泛应用于上颈椎生物力学研究。笔者对近年来有限元技术在上颈椎损伤机制、内固定治疗等方面的生物力学研究进展进行相关综述。
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神经导航术中脑组织变形线弹性模型的建立
目的 纠正神经导航手术中的脑组织变形,提高导航手术的精确性.方法 通过有限元方法,构建猪脑组织的线弹性模型.在开颅手术中,通过三维激光扫描获取脑皮层表面的变形,以此作为边界条件,驱动模型,模拟全脑变形情况.并以植入猪脑内的聚甲基内烯酸甲酯微粒为标志点,通过术中实时磁共振扫描获得的脑袋组织实际变形数据对该模型进行验证.结果 该模型的预测误差0.20～1.54mm,平均(0.97±0.44)mm;校正精度56.5%～90.0%,平均(68.0±9.6)%.其中对浅表标志点位移的校正精度高于对深部标志点位移的校正精度[(70.7±9.1)%:(65.4±10.8)%,P＜0.05].结论 模型校正技术是一种简便、快速、可靠的纠正术中脑变形的途径.
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中耳三维有限元模型的研究进展
有限元方法是一种与现代计算机技术相联系的计算应力分析方法,它是应用弹性理论来求解研究对象的计算应力分布值.该方法将研究对象看成一个连续的弹性体,并将它分割成一系列有限个体单位即有限元,再组成一个单元的集合体,以代替原来的连续体,通过逐一研究每个单元的性质,从而获得整个弹性体的性质.它主要用来解决一般方法难以解决的工作结构和固体力学应力-应变问题.自20世纪60年代以来,随着计算机技术的进步,有限元分析法已逐步发展成为工程中广泛应用的方法[1,2].
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建立下颌第一二磨牙缺失三基牙双端固定桥修复三维有限元模型
目的:建立下颌第一磨牙和第二磨牙缺失三基牙双端固定桥的三维有限元模型,为其力学分析提供数字模型.方法:采用螺旋CT扫描获得断层图像,用Mimics软件进行三维重建,导入Ansys软件中建立下颌第一磨牙和第二磨牙缺失三基牙双端固定桥的三维有限元模型.结果:建立的有限元模型包括牙齿、修复体、牙周膜和牙槽骨,共4260835个单元和739986个节点.结论:该模型有较好的力学和几何学相似性,可用来进行固定桥修复的生物力学研究.
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探讨人颞下颌关节三维有限元的实体建模方法
目的:探讨由活体直接获得人颞下颌关节(包括下颌骨、关节盘及关节结节)的三维影像以建立其三维有限元实体模型的方法.材料与方法:利用Auto-CAD软件及螺旋CT扫描技术与三维有限元分析方法相结合,将CT扫描图像转换为可用于有限元实体建模的数字图像.结果:三维有限元实体模型与螺旋CT三维重建影像比较,几何相似性与还原性良好,材料构造合理,并由此建立了理想的人颞下颌关节三维有限元模型.结论:在临床实践中,借助于螺旋CT扫描及Auto-CAD软件在活体建立人颞下颌关节三维有限元模型是切实可行的,结果是满意的.
关键词： 螺旋CT Auto-CAD技术 有限元方法 三维影像重建 三维有限元实体建模 -
体外除颤时胸腔电场分布的有限元集成仿真研究
目的 探讨求解体外除颤时胸腔电场分布的集成仿真分析方法,为生物电场理论的临床应用研究提供参考.方法 分析人体胸腔的生物电容积导体属性,给出描述心律失常的体外电除颤时胸腔电场的数理方程;进而采用SCIRun有限元分析工具对胸腔电场分布进行集成仿真求解.结果 通过数值计算求解,获得了放电过程中胸腔各处的电势、电压梯度线、等势面,及心脏区域电压梯度值等多种电场分布数据.结论 应用有限元集成求解方法分析体外除颤时人体胸腔复杂电场分布是可行的,对除颤技术的临床研究和方法改进具有一定的指导意义.
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颅脑钝性冲击损伤力学中有限元法的研究进展
颅脑损伤大部分由钝性冲击引起,对冲击引起颅脑损伤的生物力学机制研究,有助于汽车设计和制造、安全防护、临床救治和司法鉴定.有限元方法在这一问题的研究上体现了重要作用,在30多年间取得了长足发展.本文对近10余年的研究成果在模型精度、冲击类型和损伤机制有限元研究等问题进行综述.本文认为,现有的颅脑损伤判定标准是基于整体层次测量的,而有限元分析结果提供的是组织层次的应力应变和能量分布,是对整体层次的损伤标准的补充和完善或本质的揭示.颅脑损伤的标准也应该是发展的,逐步深入的.进一步在微观、细胞和分子层次的研究将成为未来该领域的发展趋势.
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腰椎节段形态对峡部、小关节应力及小关节接触力影响的有限元分析
目的:探讨腰椎形态结构变化对峡部裂性滑脱及小关节退变的作用和意义.方法:采用改良的"非种子区域分割方法"及非平行"佳切割平面"等一系列新型计算机辅助设计(CAD)方法精确建立包括椎间盘高度、腰椎小关节角、椎间盘前凸角改变的L4～L5活动节段有限元模型;在2700N轴向压缩载荷条件下,分别对各有限元模型的峡部、小关节应力、小关节接触力以及椎间盘负载进行测试.结果:压缩载荷下,腰椎活动节段峡部、小关节等效应力及小关节接触力随椎间盘高度的减小而减小,随小关节角的增大而增加,随椎间盘前凸角的增加而减小.结论:椎间盘高度、腰椎小关节角、椎间盘前凸角等形态结构变化对腰椎节段有限元模型的峡部、小关节应力及小关节接触力有明显的影响.提示腰椎峡部应力性骨折及小关节退变的发生与椎间盘高度、腰椎小关节角、椎间盘前凸角等解剖形态因素有关.
