基于CT的股骨有限元模型的建立及髋关节中空多孔假体植入后受力分布的初步研究

利用有限元分析的方法,对髋关节中空多孔假体植入后的受力分布改变进行研究,为改进中空多孔人工关节假体的设计提供依据.建立了股骨和假体三维有限元模型,应用有限元分析软件Ansys5.7模拟单腿负重状态,考察应力分布并进行比较.使用SPSS Statistics 17.0软件进行分析处理,绘制折线图.结果表明:a.开孔后张力侧最大压应力有所减小,开孔部位的应力水平变化不明显.b.与周围骨质形成连接后孔缘局部应力增加,张力侧受力改变不明显.c.短柄假体受力模式仍为远端应力集中;张力侧应力减小,开孔部位应力明显增加.d.下孔受力均大于上孔,受力方向基本一致.     

人工半骨盆假体置换联合腰椎椎弓根螺钉固定术后生物力学的有限元分析

目的:建立人工半骨盆假体置换与联合腰椎椎弓根螺钉固定后的三维有限元模型,评价腰骶段生物力学改变后半骨盆假体力学结构的特点。方法:采用CT薄层扫描采集原始数据,分别建立正常骨盆、半骨盆假体置换术后以及半骨盆假体置换联合腰椎椎弓根螺钉固定术后骨盆的三维有限元模型,分别在第4腰椎上终板平面施以500 N的垂直纵向载荷,分析不同骨盆模型的应力分布特点。结果:与正常骨盆有限元模型相比,半骨盆假体置换术后健侧骨盆应力分布以骶髂关节、髋臼窝及耻骨为主,置换侧半骨盆假体以耻骨连接棒、髋臼杯及髂骨座为主,最大应力出现在耻骨连接棒,应力峰值为65.62 MPa。联合腰椎椎弓根螺钉固定后健侧应力相对减小,置换侧髂骨固定座与骶骨固定处应力相对减小,应力分布以腰椎椎弓根钉棒、耻骨连接棒及髋臼杯为主,最大应力出现在椎弓根螺钉,应力峰值为107 MPa。结论:半骨盆假体置换联合腰椎椎弓根螺钉固定后钉棒分担了半骨盆置换后健侧骨盆及置换侧髂骨固定座与骶骨固定处附近的部分应力,缓解应力集中现象,降低术后骨盆破坏风险,一定程度上增加了半骨盆置换后骨盆的稳定性。     

人工椎间盘的拓扑优化探讨--正压条件下人工椎间盘有限元优化分析

目的：研究人工椎间盘力学结构特点,探讨改进设计优化结构的依据。方法：在用有限元法进行正压下力学分析的基础上,对模型不同构件进行拓扑优化分析。结果：获得正压下假体模型主应力,作用力及支座反力的特点;指明拓扑优化的几何区域。结论：人工椎间盘的设计改进要在相关力学分析的基础上进行;通过优化分析既指明了假体结构上的重要区域,也显示出模型不同空间位置的可优化程度,为改进设计提供初步参考依据。有限元优化设计是假体研究,设计中经济有效的辅助方法。     

半月板三维有限元模型的建立

目的:建立膝关节半月板三维有限元模型。方法:拍摄健康成人膝关节CT图像,使用Materialise Interactive Medical ImageControl System 10.0(Mimics10.0)、Freeform Modeling System 10(FMS10)、ANSYS12.0等软件建立半月板三维有限元模型并进行初步生物力学分析验证模型的有效性。结果:建立的半月板三维有限元模型几何形态与实体解剖标本相似性高。初步生物力学分析结果显示模型能准确反映半月板的生物力学特性。结论:采用CT扫描图像建立膝关节半月板三维有限元模型是切实可行的。     

半月板三维有限元模型的建立

目的：建立膝关节半月板三维有限元模型。方法：拍摄健康成人膝关节CT图像,使用Materialise Interactive Medical ImageControl System 10.0（Mimics10.0）、Freeform Modeling System 10（FMS10）、ANSYS12.0等软件建立半月板三维有限元模型并进行初步生物力学分析验证模型的有效性。结果：建立的半月板三维有限元模型几何形态与实体解剖标本相似性高。初步生物力学分析结果显示模型能准确反映半月板的生物力学特性。结论：采用CT扫描图像建立膝关节半月板三维有限元模型是切实可行的。     

等参变换在人体左心室三维有限元机械模型中的应用

基于人体左心室的纤维结构和可以真实反映心电兴奋传播过程的心脏电模型,建立了采用复合材料分析方法的左心室三维等参有限元机械模型,本文主要介绍了等参变换思想、方法在建模分析中的特色应用,如基于纤维结构的等参有限单元离散,考虑非均匀性的材料参数和等参变换、层和数值积分和考虑复杂边界条件及负载特性的逆变换等均是运用等参变换的思路来复杂的生理结构问题,最后给出了基于该方法的模型应用。     

微种植体支抗内收及压低上前牙的有限元研究

目的:探讨在利用微种植体支抗整体内收前牙过程中增加前牙区不同位置压低力对上颌前后牙的生物力学效应的影响。方法:采用螺旋CT扫描获取图像并结合MIMICS等软件进行三维重建,建立拔除上颌第一前磨牙整体内收前牙的三维有限元模型,分析利用第二前磨牙与第一磨牙间微种植体整体内收前牙过程中,增加前牙区不同位置压低力后前后牙的生物力学效应。结果:增加前牙区压低力后,前牙舌向倾斜移动明显减小,不同位置的垂直向力对前牙的影响不同,第一磨牙在整体内收过程中表现为远中倾斜移动。结论:1增加前牙区压低力能够实现对前牙转矩的有效控制;2增加前牙区的压低力使前牙更趋向于整体移动;3在微种植体支抗内收前牙过程实现了较好的垂直向控制。     

青年颈椎生理曲度变直全节段有限元建模与分析

目的建立青年颈椎生理曲度变直和正常的全节段有限元模型,进行对比与分析。方法采集青年颈椎曲度变直志愿者CT数据,利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,在相同边界条件进行下进行对比分析。结果在前屈、后伸、侧弯、和旋转工况下,生理曲度变直模型的活动度范围比正常值要小,并且出现再分配。在应力分布方面,C3-C4,C4-C5之间的小关节、钩突关节,和C3-C4之间的椎间盘出现应力集中。结论通过使用新型建模软件和体网格变形技术,能方便构建颈椎生理曲度变直和正常模型,分析结果对青年颈椎病的临床诊治有指导意义。     

CroweⅣ型髋关节脱位儿童髋臼有限元生物力学分析

目的:建立CroweW型发育性髋关节脱位儿童骨盆三维有限元模型,对发育性髋关节脱位儿童真性髋臼及假性髋臼的生物力学进行初步分析.方法:采用单侧发育性髋关节脱位儿童骨盆CT扫描DICOM数据,通过Mimics10.0对图像DICOM数据进行重建,经Geomagic Proe5.0进行网格优化,在Hepermesh 10.0中进行有限元网格划分后输入ANSYS12.0中,在ANSYS中根据解剖部位建立骨盆主要韧带,行单腿站立载荷加载,计算该加载方式下骨盆的应力及位移分布情况.结果:模拟患者单腿(患侧)站立状态下身体重心通过假关节的中心,骨盆极度倾斜约45°,给予生理载荷,应力主要集中在假髋臼和骶髂关节面之间,耻骨上肢内侧是应力集中区但是应力小于骶髂关节周围部分;患侧骨盆位移以髂骨翼前侧向后侧逐渐减弱.结论:建立的有限元模型在静载荷下特征部位的应力及位移能够反映CroweⅣ型髋关节脱位儿童骨盆的力学结构特性,模型的准确性高,可以成为CroweⅣ型髋关节脱位儿童骨生物力学研究的工具,满足临床研究需要.     

中足载荷再分配的离体实验与有限元研究

罕有研究关注中足生物力学,这导致对足部生物力学的理解存在短板.本研究建立了一个足踝有限元模型,并用离体实验来对其进行验证,继而采用2种方法来研究中足生物力学.研究中,采用该模型和7具人体离体标本来模拟正常步态中的站立中期.模拟发现,中足骨骼结构的第一主应力峰值发生于舟骨,所有韧带中弹簧韧带的拉力最大.实验结果发现,中间楔骨为?26.2±10.8微应变,舟骨纵轴方向为?240.0±169.1微应变,横轴方向为65.1±25.8微应变.舟骨的解剖位置和弹簧韧带的作用对舟骨的力学环境影响至关重要,导致其剪切应力较大.力学载荷自踝关节分流至前足5个分支,在中足楔骨和骰骨发生了载荷的再分配.对其载荷再分配机制的研究在今后应该加强,将有助于对足部整体生物力学的理解和认识.     

股骨骨折术后1 年随访骨愈合模型的有限元分析

目的：对股骨骨折髓内钉术后1 年骨愈合模型快速建模,通过有限元分析研究对比术前术后模型,通过术前判定内固定取出后骨折断端是否断裂。方法：运用Mimics、Geomagic Studio、Abaqus等软件采用快速个体化建模方法对股骨骨折髓内钉术后1年内固定取出术前后的多层螺旋CT 数据进行快速建立模型,术前模型模拟剥除钢板后进行有限元分析,施加人体单腿站立时的静力载荷和约束,并将分析结果与术后模型进行对比,观察米塞斯应力分布情况、最大值及其所处部位。结果：按照材料属性进行区别显示米赛斯应力的最大值及最小值,在不同应力载荷下,手术前后各类型材料的米赛斯应力最大值及最小值部位相同,各类型材料中,最大值均没有位于骨折断端,不同方法的最大应力值部位相近,均在股骨中远端1/4 交界处,手术前后应力分布基本相同。结论：采用个体化建模方法可以对骨折内固定取出前的骨愈合模型进行运算分析,快速预判术后是否导致骨折断端断裂。     

3 种不同弹性模量钛合金股骨假体在羊股骨置换模型中应力分布的三维 有限元分析

目的:通过三维有限元分析方法来观察并比较3种不同弹性模量钛合金股骨假体在羊股骨置换模型中von-Mises应力分布的情况。方法:采用64排螺旋CT对一健康成年羊的下肢股骨进行全长的CT扫描,扫描层厚为0.5 mm,扫描所得的数据存储为DICOM文件。将得到的DICOM文件导入到CT图像分析软件Mimics 10.0,然后利用Mimics 10.0软件来生成股骨的骨质点云数据,再将生成的骨质点云数据导入到Simpleware分析软件,通过机械加工反求中的复杂曲面造型技术建立起精确的三维实体模型。对三维实体模型进行网格划分,确定了髓腔的形状,并根据羊下肢股骨髓腔的形状设计了作者实验用的羊股骨假体模型,然后在ANSYS 12.1软件中进行网格划分。给予加载缓慢行走载荷以及扭转载荷,分析并比较羊股骨以及3种不同弹性模量钛合金股骨假体在股骨置换模型中von-Mises应力分布的情况。结果:在缓慢行走载荷以及扭转载荷条件下,3种不同弹性模量钛合金股骨假体von-Mises应力分布变化趋势一致,假体的柄颈结合部以及假体柄上1/3为应力集中区域。3种不同弹性模量的最大应力集中点均位于柄颈结合部,60 GPa弹性模量的股骨假体植入后假体的最大应力最小(37.8 MPa、29.1 MPa),股骨的最大应力最大(12.6 MPa、24.5 MPa);80 GPa的次之,假体的最大应力(38.4 MPa、33.4 MPa),股骨的最大应力(12.5 MPa、24.5 MPa);110 GPa的股骨假体植入后假体的最大应力最大(38.9 MPa、38.1 MPa),股骨的最大应力最小(12.3 MPa、24.5 MPa)。60 GPa弹性模量的股骨假体植入后的假体最大位移和相对位移均最小(缓慢行走载荷下假体最大位移为0.551 mm、相对位移为0.008 mm,扭转载荷下假体最大位移为0.730 mm、相对位移为0.011 mm)。结论:较低弹性模量的钛合金股骨假体(60 GPa)由于其弹性模量更接近于骨组织的弹性模量,股骨假体与股骨间的"应力遮挡"效应较小,更有利于应力在股骨假体及股骨间的传递,增加了股骨假体的早期稳定性,延长了其临床寿命。     

股骨骨折术后1年随访骨愈合模型的有限元分析

目的：对股骨骨折髓内钉术后1年骨愈合模型快速建模,通过有限元分析研究对比术前术后模型,通过术前判定内固定取出后骨折断端是否断裂。方法：运用Mimics、Geomagic Studio、Abaqus等软件采用快速个体化建模方法对股骨骨折髓内钉术后1年内固定取出术前后的多层螺旋CT数据进行快速建立模型,术前模型模拟剥除钢板后进行有限元分析,施加人体单腿站立时的静力载荷和约束,并将分析结果与术后模型进行对比,观察米塞斯应力分布情况、最大值及其所处部位。结果：按照材料属性进行区别显示米赛斯应力的最大值及最小值,在不同应力载荷下,手术前后各类型材料的米赛斯应力最大值及最小值部位相同,各类型材料中,最大值均没有位于骨折断端,不同方法的最大应力值部位相近,均在股骨中远端1/4交界处,手术前后应力分布基本相同。结论：采用个体化建模方法可以对骨折内固定取出前的骨愈合模型进行运算分析,快速预判术后是否导致骨折断端断裂。     

心肌细胞的机械感受机制

心肌细胞的机械感受机制是心肌生物力学研究的重要内容之一。新近研究表明,其机制主要包括四个方面：⑴细胞膜直接感受;⑵细胞间质－细胞骨架拉动传递;⑶自分泌与旁分泌生长因子与前列腺素等;⑷氧自由基介导。     

微透析技术在骨科的应用

微透析是一种利用微透析探针在局部组织细胞外液中对生物分子取样的技术,广泛应用于药学、神经外科等学科,目前其在骨科的应用也涉及骨科各个专业,分别在骨科基础、慢性损伤、创伤骨科、关节外科、骨科感染、显微外科、脊柱外科、骨肿瘤方面,利用其微创、定位取样、多点监测、连续取样、多种检测手段的特点,通过对前列腺素E2、5-羟色胺、谷氨酸、P物质、肿瘤坏死因子α、去甲肾上腺素、钾离子等生理代谢物质,NSAID类、吗啡、头孢呋辛、马法兰等药物,骨碱性磷酸酶、1型C肽胶原蛋白、软骨寡聚基质蛋白、软骨蛋白多糖核心蛋白、葡萄糖-半乳糖化吡啶啉等特殊标志,在长骨干骺端、松质骨、皮质骨、骨骼肌、关节滑囊膜、游离皮瓣、脊髓内、肿瘤患肢主血管内进行检测,从而在分子水平取得结论。     

骨科假体表面涂层技术现状

由植入物界面处的相互作用可能引起无菌性松动和假体周围感染。而无菌性松动和假体周围感染仍然是一个难以治疗的问题,并且最终可能导致假体植入失败,引起严重后果。理想的植入物应能促进骨整合,防止细菌粘附,减少细菌感染。骨科植入技术主要基于生物材料的开发和使用,随着材料科学和细胞生物学的发展,已可以用新的植入物表面涂层的进展来解决这些问题。本文回顾总结了时下骨科常见的假体涂层设计和相关问题,以期为进一步研究提供借鉴。     

Patient-Specific Design and Biomechanical Evaluation of a Novel Bipolar Femoral Hemi-Knee Prosthesis

While total knee replacement is successful, hemiarthroplasty is necessary for some young, obese and active patients who are especially not suitable for unicompartmental or total knee prostheses. Hemiarthroplasty also provides an opportunity for children with bone tumors. The design ofhemiarthroplasty should be patient-specific to reduce contact stress and friction as well as instability, compared to conventional hemi-knee prosthesis. A novel bipolar hemi-knee prosthesis with two flexion stages was developed according to a healthy male＇s knee morphological profile. The motion mode of the bipolar hemi-knee prosthesis was observed through roentgenoscopy in vitro experiment. The biomechanical properties in one gait cycle were evaluated though finite element simulation. The bipolar hemi-knee prosthesis was found to produce knee flexion at two stages through X-ray images. The first stage is the motion from upright posture to a specified 60~ flexion, followed by the second stage of motion subsequently to deep flexion. The finite element simulation results also show that the designed hemi-knee prosthesis has the ability to reduce stresses on the joint contact surfaces. Therefore, it is possible for the bipolar hemi-knee prosthesis to provide better biotribological performances because it can reduce stresses and potentially wear on the opposing contacting surface during a gait cycle, orovidin~ a t~romisin~ treatment strate~v in future Joint renair znd renlneement     

3D打印技术在骨科临床应用中的感知研究

目的 了解医院骨科医师和管理者对3D打印技术在骨科应用的安全性、有效性、经济性和伦理性的感知。方法 对上海市4所三级综合性医院的所有骨科临床医师和相关管理部门的负责人或管理者进行问卷调查,并邀请4名骨科专家进行定性访谈。结果 3所被调查医院在骨科领域应用了3D打印技术,但使用量有限。被调查的医师和管理者认为：骨科3D打印主要优点是手术时间短、增加手术便利性和手术成功率高,主要缺点是费用高且价格昂贵、缺乏相关规范标准和整个过程相对复杂且耗时长。结论 3D打印技术在骨科临床应用的安全性和有效性需长期评价,骨科3D打印技术的临床应用需要规制。     

Dega骨盆截骨术后最佳中心边缘角的三维有限元分析

目的:应用三维有限元技术评估发育性髋关节脱位(developmental dysplasia of the hip,DDH)患儿在Dega骨盆截骨术后不同中心边缘角(center-edge angle,CEA)状态下髋臼的应力分布,为术前的手术规划提供有参考价值的生物力学结果。方法:使用已建立的DDH患者髋关节三维有限元模型,以术后CEA27°为中间值,每3°为一个变量,在Mimics誖10.0软件的模拟手术模块分别构建7组髋臼截骨术后的模型。在单腿站立和双腿站立状态下测量不同CEA状态下髋臼的应力分布。结果:单腿站立情况下,CEA为24°、27°、30°和33°的术后模型患侧髋臼的峰值应力接近正常侧。双腿站立情况下,CEA为24°时双侧髋臼的峰值应力最为接近。结论:对于该患者而言,在7组术后CEA中,24°时患侧髋臼的峰值应力与健侧最为接近,可以认为是最佳的术后CEA。有限元技术能够为Dega手术的术前规划提供个性化的指导方案。     

有限元分析方法在口腔临床中的应用进展

一、前言有限元法 (finiteelementmethod ,FEM )是一种实用有效的理论应力分析方法。该方法首先把连续的弹性体分割为有限个单元 ,以其结合体来代替原弹性体 ,然后借助计算机进行数据的处理及运算 ,对连续体离散成的有限个单元进行力学分析 ,并由此获得整个连续体的力学性质特征。有限元法由Turner等 195 6年首先提出 ,而后被逐渐广泛运用于工程技术的各个领域[1] 。上世纪七十年代初 ,Farah等将有限元法带入口腔医学领域 ,因其具有实验应力分析方法无可比拟的优越性而得到大量运用。近年来随着电子计算机技术的飞速发展和各种功能齐全的…