无托槽隐形矫治器扩展上颌牙弓时附件差异对后牙位移的三维有限元分析

目的:利用全牙列精准扫描建模分析无托槽隐形矫治器扩展上颌牙弓时对后牙三维位移的影响。方法:选择2017年1月-2022年6月就诊于笔者医院口腔正畸科的86例成年患者为研究对象。所有患者均为安氏I类错牙合,矫治方案设计为仅通过邻面去釉的方式排齐上下前牙,在全牙列精准扫描建模的基础上,构建无托槽隐形矫治器进行上颌牙弓扩弓前以及扩弓后的后牙三维方向有限元模型的对比。结果:第5组位移量的最大值(3.315 17)与最小值(3.139 25)的比值均为所有组别中最小的。与其他组相比,第5组位移最小值与根尖的距离更近;第5组的第二前磨牙对应得到的等效应力值最小,应力的分布更为均匀。结论:施加附件作用时,对前磨牙的控根效果显著优于磨牙,其中优化后扩弓支持附件对后牙的控根效果更为优秀。

超短种植体配置下穿颧骨种植定位方案的三维有限元分析

目的:探究上颌窦沟槽(sinus slot,SS)技术和经上颌窦外(extra sinus,ES)技术结合超短种植体行穿颧种植修复后的生物力学分布特点,为功能性修复上颌骨重度萎缩提供理论基础。方法:通过患者的高分辨计算机断层扫描(computed tomography,CT)资料建立有限元分析模型,虚拟化穿颧种植体分别置于SS和ES模型,并结合使用2枚或4枚超短种植体。分析种植体von Mises应力值及牙槽骨中的主应力值。结果:配置2枚超短种植体+2枚ES穿颧种植体的von Mises应力最大(292 MPa);而4枚超短种植体+2枚SS穿颧种植体的最小(184 MPa)。配置2枚超短种植体+2枚SS穿颧种植体的最高主应力值最大(31 MPa);而4枚超短种植体+2枚ES穿颧种植体的最小(12 MPa)。配置4枚超短种植体+2枚SS穿颧种植体的最低主应力值最小(-58 MPa);而2枚超短种植体+2枚ES穿颧种植体的最大(-81 MPa)。结论:2枚SS穿颧种植体结合4枚超短种植体可能在生物力学方面更安全地用于修复重度萎缩的上颌骨。

基于Midas GTS的某近海深基坑开挖三维有限元数值模拟分析

为研究近海深基坑在桩锚支护体系下土体开挖变形规律,考虑水流渗透作用,运用Midas GTS对某深基坑开挖过程进行模拟,并结合已有资料进行分析。结果表明:该深基坑开挖后的第一步为最危险施工步,桩顶土体最大位移为13.97 mm,越往下开挖支护体系越完善,位移变化越小,实际监测最大位移值为15.36 mm;整个等效地连墙在钢腰梁与锚索位置处向基坑内部变形收缩程度最大,为6.6 mm,符合实际变形规律。Midas GTS能有针对性地指导现实施工阶段,可为基坑监测布置设置点提供参考价值。

穿颧骨种植上颌窦区种植体定位方案的三维有限元分析

目的:探究上颌窦沟槽(sinus slot,SS)技术和经上颌窦外(extra sinus,ES)技术结合常规种植体行穿颧种植修复后的生物力学分布特点,为功能性修复上颌骨重度萎缩提供理论基础。方法:通过患者的高分辨计算机断层扫描(computed tomography,CT)资料建立有限元分析(finite element analysis,FEA)模型,虚拟化穿颧种植体(zygomatic implant,ZI)分别置于SS和ES模型,并结合使用2枚或4枚常规种植体。分析种植体von Mises应力值及牙槽骨中的主应力值。结果:配置2枚常规种植体+2枚ES ZI的von Mises应力值最大(292 MPa);而4枚常规种植体+2枚SS ZI的最小(184 MPa)。配置2枚常规种植体+2枚SS ZI的最高主应力值最大(31 MPa);而4枚常规种植体+2枚ES ZI的最小(12 MPa)。配置4枚常规种植体+2枚SS ZI的最低主应力值最小(|-58|MPa);而2枚常规种植体+2枚ES ZI的最大(|-81|MPa)。结论:使用2枚SS ZI和4枚常规种植体联合修复重度萎缩的上颌骨,在生物力学方面安全性更高。

SMW工法桩施工过程中变形监测与三维有限元数值模型的建立

SMW工法桩是基坑工程中的一种组合支护形式,兼具挡土与止水的作用,具有造价低、施工便捷、对基坑周边影响较小等优势。依托广东江门某基坑工程,通过现场监测和建立三维有限元模型数值模拟的方法对SMW工法桩施工过程中的变形进行研究。结果表明:围护结构桩顶水平位移的模拟值与实测值两者之差在3 mm以内,桩顶竖向位移模拟值与实测值两者之差在1 mm以内;实测数据与数值模拟结果基本拟合,所建立的三维有限元数值模型与实际工程结构较为相符,在施工过程中将现场监测与数值模拟相结合,以确保工程施工的质量与安全。

严寒地区拱坝溢流表孔三维有限元数值模拟分析

溢流表孔作为拱坝重要的泄水建筑物,对大坝安全运行具有重要的作用。以某拱坝溢流表孔为例,该表孔地处高纬度严寒地区、结构复杂且地震烈度高,通过三维有限元法对表孔在不同工况下的静、动力应力进行计算分析,根据计算结果,对表孔结构进行配筋设计,确定受拉钢筋的布置方式及配筋量,使表孔结构钢筋布置满足承载力及正常使用要求。研究结果可为类似工程配筋设计提供参考依据。

透明矫治器压低下前牙力学机制的三维有限元研究

目的在透明矫治器压低下切牙的过程中,常发生牙根脱离牙槽骨的情况,导致严重并发症。本研究旨在从生物力学的角度探讨在使用透明矫治器压低下前牙过程中的潜在力学机制,为临床实践提供理论依据。方法建立包括透明矫治器及附件、下颌牙列、牙周膜的三维有限元模型。下切牙唇倾度(insicor mandibular plane angle,IMPA)设为90°、95°、100°、105°、110°,4个下切牙同步压低0.2 mm,尖牙为支抗牙,进行对比研究。获得下前牙及其牙周膜的应力分布、下前牙阻抗中心的受力情况和移动趋势。结果切牙的压应力主要集中在舌窝、切端和根尖。随着IMPA的增加,中切牙唇舌向力矩由根唇向力矩转变为冠唇向力矩,由根尖从唇侧穿出趋势转变为根颈部从唇侧穿出趋势,转折点在100°~105°之间,但其阻力中心(center of resistance,CR)始终受到舌向力和压低力。侧切牙冠唇向力矩和唇倾趋势均大于中切牙。尖牙受到冠远中旋转力矩、根唇向力矩和伸长力,切牙初始唇倾角度变化对尖牙受力情况无明显影响。结论随着初始IMPA的增加,下切牙唇舌向受力方向发生逆转。但下前牙牙根在旋转移动中始终有向唇侧移动的趋势,解释了透明矫治器压低下切牙中常发生唇侧牙槽骨开裂开窗现象。

透明矫治器辅助主动加力杆前导下颌的三维有限元研究

目的下颌加力杆(advanced mandibular spring,AMS)作为一种新型矫形器,能与透明矫治器联用,用于青少年Ⅱ类错合小下颌畸形的治疗。本研究旨在对其进行生物力学分析,并评估AMS产生的应力模式是否有助于促进下颌生长。方法利用CBCT和螺旋CT图像建立三维有限元模型,该模型由颅颌面骨、关节盘、盘后弹性纤维、咀嚼肌、牙、牙周膜、透明矫治器和AMS组成。在下颌姿势位、AMS前导下颌和仅用肌力前导下颌的3种模型中分析力学效应。结果AMS产生的应力分布在所有牙和牙周膜上,推动下颌牙向前和上颌牙向后。在颞下颌关节区,髁突顶部和后斜面的压力降低,符合促进髁突和下颌生长的应力模式;在髁突前斜面和关节盘的应力分布变得均匀,避免了应力集中点对髁突和关节盘的损伤;在关节窝后部产生明显的拉应力,符合关节窝重塑的应力模式。AMS产生的应力不会对组织造成额外负担。结论AMS为青少年小下颌畸形的治疗创造了良好的生物力学环境。

3D打印个性化正畸装置对单根牙垂直移动的三维有限元分析

背景:基于牙齿垂直移动原理,通过数字化设计结合3D打印制作个性化正畸装置,可使个性化正畸装置与单个切牙形成支抗系统。借助微种植体绝对支抗作用可对单根牙在三维方向上进行精准控制。目的:基于生物力学原理设计了牙位11、12、21、22压低移动与伸长移动的个性化正畸装置,通过三维有限元法分析个性化正畸装置的安全性与其对牙齿的移动作用。方法:应用Mimics、Geomagic Wrap、SolidWorks和Ansys Workbench软件分别建立了上颌前牙区(牙位11、12、21、22)牙槽骨-牙周膜-上颌切牙-个性化悬臂微种植体-连接板-个性化托槽的三维有限元模型,每个牙位分别设置个性化压低移动与伸长移动正畸装置,加载300 g拉力或推力,分析个性化正畸装置各部件应力水平,计算牙齿位移与牙周膜应力分布情况。结果与结论:①个性化压低移动正畸装置受到的最大等效应力为162.90 MPa,个性化伸长移动正畸装置受到的最大等效应力239.57 MPa,二者的最大等效应力均位于个性化托槽加力附件的垂直部分,个性化正畸装置各部件所受等效应力均在屈服强度内,均具有良好的安全性;②在个性化正畸装置作用下,牙齿初始位移呈现整体压低或伸长移动的趋势,垂直方向上的位移远远超过在水平方向和矢状方向上的位移;牙周膜根尖或颈部位置出现等效应力峰值,在根尖区牙周膜出现等效应力集中区域;③结果显示,个性化正畸装置可以使牙位11、12、21、22近似达到压低移动或伸长移动的目的,初步证实了个性化垂直移动正畸装置的有效性。

某抽水蓄能电站地下厂房洞室群三维有限元稳定性分析

为了了解抽水蓄能电站地下厂房洞室群开挖支护后围岩的稳定性,以某抽水蓄能电站地下厂房洞室群为例,采用隐式弹粘塑性本构关系,建立三维有限元模型,对比分析地下洞室群毛洞工况、锚杆+锚索+衬砌联合支护工况及支护参数优化后围岩的变形、应力场分布及D-P点安全系数。结果表明:采用锚杆+锚索+衬砌联合支护的方式可以有效减小地下洞室群围岩的位移量,提高D-P点安全系数,使应力分布更为均匀,围岩的稳定性更好。锚杆长度在6m~8m范围变化及锚索预应力变化对围岩的变形、应力以及D-P点安全系数的影响不显著,但是对围岩局部有一定的影响,施工过程中应动态优化调整。

脊柱胸腰段应力分布与骨折相关性的三维有限元分析

目的:观察脊柱胸腰段骨折与椎体骨性结构及韧带间应力分布的相关性,探索脊柱胸腰段椎体骨折的力学机制。方法:招募8名健康男性青年志愿者,行脊柱全长X线片和CT检查排除脊柱畸形、肿瘤及骨病,对脊柱各椎体及股骨行骨密度测定排除骨质疏松。均行自T11椎体上终板至L2椎体下缘CT薄层扫描,将8名志愿者CT图像参数导入ABAQUS 2016软件中进行标准化,并进行有限元网格化构建。应用MIMICS 17.0、GEOMAGICS 15.0和PRO/ENGINEER 5.0软件处理,建立脊柱胸腰段有限元模型,测量模型相关参数,并验证模型有效性。在T11椎体上终板上加载竖直轴向载荷500N、附加扭矩10N·m模拟垂直压缩、前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转7种运动状态,使用ABAQUS软件对有限元模型7种运动状态下的应力分布特点及变化规律进行分析,观察应力分布与脊柱胸腰段骨折的相关性。结果:建立的三维有限元模型共有309583个节点和428760个单元,包括4个椎体、3个椎间盘、前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、棘间韧带等结构。7种运动状态下的数据与文献报道的数据无明显偏差,模型有效。T11~L2椎体椎弓根截面积分别为135mm^(2)、154mm^(2)、105mm^(2)、139.2mm^(2)。应力云图结果显示各运动状态下高应力区存在于椎体的松质骨、椎弓根及其周围骨皮质。在垂直压缩状况下,T12椎体所受应力最大(617.4MPa),前屈状态下T11所受应力最大(200.7MPa),后伸、左右侧屈和左右旋转状态下L1椎体所受应力最大(314.2MPa、574.4MPa、626.2MPa、641.3MPa、527.1MPa),且前屈体位时椎体所能承受的应力最小,左旋转时所能承受的应力最大。垂直压缩状况下T12椎体发生骨折,前屈状态下T11发生骨折伴韧带损伤,后伸、左右侧屈和左右旋转状态下L1椎体发生骨折伴韧带损伤。骨折发生时,前纵韧带在后伸、左右侧屈状态下存在高应力区,后纵韧带在前屈状态下存在高应力区,横突间韧带和棘间韧带在前屈、左右侧屈、左右旋转状态下存在高应力区。结论:在构建包括重要韧带、椎间盘等软组织结构的脊柱胸腰段三维模型中,椎体松质骨、椎弓根及其周围骨皮质、韧带均存在高应力区,不同状态下所受应力最大椎体不同,发生骨折的椎体和韧带损伤也不同;L1椎弓根截面积最小,最易发生骨折。

隐形矫治器中尖牙移动设计的三维有限元分析

目的:研究隐形矫治器前牙内收过程中尖牙的最佳力学设计。方法:本研究选取1名成年患者的CBCT影像学数据构建出上颌牙列以及隐形矫治器的有限元仿真模型,并根据内收角度的差异从0°~90°分别设计出19组载荷,依照隐形矫治器的最大移动步幅将相应的力学分配设计加载到模型上,比较分析其力学结果的差异性。结果:尖牙牙体各部分在不同力学设计下冠根呈现不同的移动现象,并随着矢状向分力减小与垂直向分力的增加呈现不同平面上移动量的衰减或递增。结论:隐形矫治器前牙内收角度区间设计在40°~50°对于尖牙来说是最佳的力学分配设计,但在此基础上还需要添加额外设计来控制轴倾和转矩的表达。

隐形矫治器上前牙内收过程中侧切牙不同附件设计的三维有限元分析

目的:探讨隐形矫治器在上前牙内收过程中侧切牙上不同形状附件的生物力学表达,为改善临床设计提供思路。方法:通过三维有限元技术将CBCT数据进行体外仿真,分别在侧切牙上设计无附件(A1)、矩形附件(A2)、楔形附件(A3)和弯弧形附件(A4),利用Ansys计算相同载荷设计下侧切牙、牙列和隐形矫治器的三维变化及牙周膜等效应力(von Mises)分布。结果:侧切牙位移冠状向变化量A1>A4>A3>A2,矢状向变化量A3>A4>A1>A2,垂直向伸长量A4>A3>A1>A2;各组牙列整体位移呈现弓形趋势;隐形矫治器不同部位形变存在差异。A1与A2组牙周膜von Mises分布大致相似,A3组仅在根1/3舌侧区域出现应力集中,A4组牙颈部应力远大于A1组与A2组。结论:矩形附件与弯弧形附件在冠状向控制上具有优势,矩形附件在垂直向的控制效果最佳,附件受力面积与实际位移效率并不存在绝对关联,其受力面的形状会大幅度干扰具体力学表达效果。

基于三维有限元模型分析成年人后踝骨折对踝关节的生物力学影响

目的 利用三维有限元模型分析探讨成年人后踝骨折对踝关节的生物力学影响。方法 采用1例健康成年男性的踝关节CT扫描数据构建踝骨实体模型并导入Ansys 10.0有限元分析软件,建立踝关节三维有限元模型,并对模型的有效性进行验证。设定站立状态下踝关节载荷和条件,模拟后踝1/5、1/4、1/3、1/2范围骨折对比不同程度后踝骨折状态胫距关节软骨接触面积、最大米塞斯应力、最大接触应力和平均接触应力等参数。模拟腓骨外移、短缩、内旋和外旋状态,对比不同状态胫距关节接触应力峰值。结果 骨折范围增加后,胫骨软骨接触面积不断缩小,最大米塞斯应力及胫骨软骨最大接触应力和平均接触应力均不断增加。骨折范围> 1/3时,胫距关节接触面积显著缩小,关节位移显著增加。腓骨外旋、内旋、外移、短缩产生的胫距关节最大接触应力峰值变化差异分别为17.6%、17.7%、45.3%和10.3%。结论 三维有限元技术建立踝关节模型仿真度较高,当后踝骨折范围超过1/3时,会影响胫距关节的接触状态。骨折范围增加关节接触面积减小,接触应力增加,关节相对位移趋势增加,容易引起胫距关节软骨的退行性变,而不同腓骨移位状态会影响胫距关节面接触状态,为后踝骨折关节复位、创伤性关节炎的病情诊断提供重要理论依据。

三维有限元下后牙牙体缺损修复的研究现状

根管治疗后的牙齿脆性强、强度弱,在长期发挥咀嚼功能的过程中可能会造成牙体劈裂,磨牙最为明显,因此需要制作“冠类”修复体进行保护。随着修复材料及粘接技术的迭代更新,牙体缺损的修复方式日趋多样化、微创化。牙齿是行使咀嚼功能的受力器官,很多学者利用三维有限元分析法对牙体缺损的不同修复方式模拟受力分析,以期从材料力学角度对这些修复方式进行对比,为临床使用提供依据。本文就三维有限元分析法在牙体缺损修复所涉及的修复体种类、修复材料、粘接及垫底等方面的研究进行系统阐述。

基于三维有限元技术解析颈椎斜扳手法作用机制

目的:通过三维有限元分析,探讨颈椎斜扳手法对神经根型颈椎病患者的生物力学作用特点,阐明颈椎斜扳手法的即时效应及安全性。方法:选取1名神经根型颈椎病志愿者的颈部影像学资料,以DICOM格式保存,应用MIMICS软件和ANYSY软件构建椎体、椎间盘、椎管等C_(3)~C_(7)颈椎有限元模型,模拟斜扳手法,观察椎间盘应力应变、椎管有效横截面积变化,探讨斜扳手法治疗神经根型颈椎病的生物力学效应。结果:给予C_(4)~C_(5)椎体向左侧斜扳力时,C_(4)~C_(5)椎间盘应力最大,为5.95×10^(-4)MPa至1.03×10^(2)MPa;C_(3-4)位移变化最明显,最大形变在椎间盘纤维环的左侧偏后位置,为2.43×10^(-1)mm,最小形变在椎间盘纤维环的前侧,为2.08×10^(-3)mm;C_(4)~C_(5)椎管有效横截面积变化最大,增加59.00 mm^(2)。随着模拟手法力学信息的加载,颈椎神经根右侧最大应变逐渐后移,左侧最小应变前移,呈顺时针方向改变。结论:颈椎斜扳手法向健侧的推力对椎间盘的影响最大;斜扳手法可增加椎管有效横截面积,减轻神经根周围组织的张力,缓解受压状况,从而改善神经根型颈椎病的临床症状。

三维有限元法在牙体缺损固定修复应力研究中的应用

贴面、嵌体、高嵌体、髓腔固位冠、全冠、桩核冠等临床常见的修复形式为牙体缺损提供了修复的多样性,在先进的材料学、修复工艺学的支撑下却仍出现修复体折裂、脱落、微渗漏,预备体劈裂等临床问题,究其根源应力研究作为一把钥匙解开了很多疑惑。三维有限元分析作为一种成熟高效的生物力学研究方法,在应力研究领域深受认可追捧。本文对三维有限元法在牙体缺损固定修复中的应力研究应用进行综述,以期为临床增加修复体及天然牙的使用期限提供参考。

基于三维有限元的DCM平面布置对边坡稳定的影响

在应用于边坡稳定问题时,DCM(深层水泥搅拌桩)的平面布置形式直接关系到其受力的合理性,进而影响边坡的稳定和安全。针对当前工程实践中采用不同DCM平面布置形式解决边坡稳定问题时,其受力机理仍存在一定程度的认识不足,基于三维有限元方法,结合不同的DCM平面布置形式(桩式、横墙壁式、纵墙壁式、格栅式),对加固后边坡从整体稳定、位移和应力等方面进行分析,探讨采用不同DCM平面布置形式加固边坡后的位移和应力分布规律及特点。研究表明:纵墙壁式和格栅式布置相对于桩式布置,边坡整体稳定安全系数显著提高,位移和应力明显减小且分布更为合理,其中纵墙壁式布置优势最为明显。

三维有限元在颞下颌关节中的应用进展

颞下颌关节紊乱病是由多因素引起的一组疾病,该病的临床症状常常表现为:张口受限、关节弹响、关节疼痛等。该病的治疗方法分为保守治疗及手术治疗。随着数字成像技术的发展,三维有限元法可以较真实的还原颞下颌关节的解剖形态并做全面的力学分析,有助于分析致病因素及制定治疗方案。本文就三维有限元在颞下颌关节中的应用进展作一综述。

新疆阜康抽水蓄能电站工程上水库渗流三维有限元分析

为分析各水位工况下阜康抽水蓄能电站上水库坝体及坝基渗流场,获得坝体和坝基的位势分布、库区渗透流量等要素,根据工程坝址区地质、地形条件,建立渗流三维有限元模型并进行计算。计算结果表明,由于全库盆混凝土面板防渗方案库盆四周均布置了混凝土面板,库周和库底混凝土面板底下分别设有透水性较强的无砂混凝土垫层和碎石垫层用以排水,库区地下水位低于库盆防渗面板及其底下垫层。因此,无砂混凝土垫层和碎石垫层及其库底回填区和上部岩体均处于非饱和状态,不会直接作用在防渗结构上,因此库周及库底混凝土面板的抗浮安全性可以得到保证,本方案技术上是合理的。