上颌窦内提升术最佳二期修复时间的有限元分析

背景:牙缺失区由于缺乏功能性加载产生的力学刺激,导致牙槽骨萎缩、骨质丢失,致使牙种植体不能有效埋入。因此种植修复时就需要植入骨粉,弥补牙槽骨高度不足对种植体稳定度的影响。目的:借助有限元分析法从生物力学角度得出种植体二期修复的最佳时间点,为临床缩短种植疗程选择正确二期修复时间点提供了生物力学基础。方法:采集1名女性健康志愿者颅面骨拍摄的锥形束CT,建立正常上颌骨模型、16缺失采用常规种植术(模型B)和16缺失采用上颌窦内提升术(模型A)后的上颌骨三维有限元模型。模型A在黏膜与上颌窦底之间以羟基磷灰石骨粉填充,模型B和正常上颌骨模型无需植骨。设置植骨愈合时间为术后的3-9个月,于术后3-5个月施加200 N的力在邻牙上,6-9个月直接施加在种植体上,模拟二期修复对种植体施加载荷。借助种植体及周围的软硬组织对3种模型进行生物力学分析。结果与结论:①种植体直接加载时,模型A上的应力在103 MPa左右、模型B上的应力在95 MPa左右。植骨后会增加种植体的应力值,而不做植骨则能降低种植体和整个系统的应力。随着骨粉强度的增加,牙槽骨上的应力值随之降低。②当愈合时间到术后6-9个月,在种植体或相应的第1磨牙牙位加载时,正常模型中的应力值最小,模型B次之,模型A最大;植入种植体后的上颌骨的应力大于正常上颌骨。③模型整体松质骨应力水平,在6-9个月模型A的松质骨应力略呈下降趋势,模型B应力水平显著低于正常下颌骨模型。④结论:利用原有的牙槽骨进行修复能提高种植体存活率;植骨后在获得足够的牙槽骨高度的情况下,可在6个月后考虑二期修复。临床应用时可根据患者的骨质、生活习惯、年龄等因素综合判定后,在此基础上适当调整二期修复时间。

人体脊柱动力学数值仿真分析模型建立及验证

目的建立T2~L5胸腰椎有限元模型并验证其有效性,为探究脊柱冲击载荷下的动态响应特性及损伤机制提供数值模型支撑。方法基于CT扫描图像数据建立T2~L5胸腰椎三维有限元模型;仿真分析施加不同力矩下(屈伸、旋转和侧弯工况)T12~L1段载荷-转角曲线,并与文献报道的数据进行对比;对T2~6、T7~11和T12~L53段脊柱有限元模型施加不同高度下的自由落体载荷并进行仿真分析,获得轴向力峰值和弯矩,并与文献报道的数据进行对比分析。结果T12~L1段脊柱有限元模型受不同方向力矩发生最大转角在-2.24°~1.55°,与文献数据吻合良好。在不同跌落高度下,T2~6、T7~11和T12~L53段脊柱有限元模型的轴向峰值力分别为1.7~5.3、1.3~5.5、1.3~7.5 kN,均处于文献数据误差范围内;脊柱与椎间盘应力云图显示,椎体由外缘最先受力,椎间盘由髓核承受主要载荷,符合实际脊柱损伤发生机制。结论所建立的T2~L5脊柱模型能够正确模拟不同工况下脊柱的生物力学行为特性,分析结果具有有效性。

基于EDEMpy的枸杞离散元仿真参数标定与试验

为探究枸杞离散元仿真边界参数的最优组合,提高离散单元仿真方法研究枸杞与采收机械作用机理的准确性,提升后续枸杞机械采收设备的研发效率及机械作业性能,选取EDEM中“Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts”凝聚力接触模型,通过物理试验测量枸杞堆积角、枸杞-钢板静摩擦因数、枸杞-钢板碰撞恢复系数。在物理试验的基础上,采用基于EDEMpy的仿真试验方法对枸杞的接触参数进行试验研究,以枸杞颗粒的静摩擦因数、滚动摩擦因数、碰撞恢复系数、表面能JKR为影响因素,以堆积角为目标进行多因素试验,并建立回归模型。试验结果表明:对枸杞仿真堆积角影响显著的参数为枸杞-枸杞静摩擦因数、枸杞-枸杞滚动摩擦因数、表面能JKR。以实际堆积角为目标值,对回归模型进行优化分析,得到显著性参数最优组合值分别为:枸杞-枸杞静摩擦因数0.506,枸杞-枸杞滚动摩擦因数0.064,表面能JKR0.048,该组合下的仿真堆积角平均值为28.82°,与实际堆积角的偏差小于4%,边界参数标定结果可靠。研究结果可为枸杞离散元模型边界参数的选取提供参考。

基于种植牙愈合过程模拟上颌后牙种植体选择的生物力学分析

背景:临床试验表明种植体的直径、形状等都会影响种植效果,但是种植体的长度对不同种植类型的影响目前仍然存在争议。目的:从愈合过程模拟角度出发,采用有限元方法分析种植后不同种植体的力学差异。方法:采用CAD软件建立3种种植体(常规种植体、短种植体及超短种植体)及骨粉几何模型,模拟上颌16牙(第一磨牙)缺失,建立上颌窦内提升术模型,划分网格、施加边界条件后建立有限元模型。术后3-5个月在邻牙加载,6-9个月在种植体加载,求解后对植体及其周围的软硬组织进行生物力学分析,以寻求最佳种植体。结果与结论:①施加垂直载荷时,3种种植体的位移均小于100μm,最大位移均出现在种植体颈部;常规种植体在整个愈合周期内的位移变化最小,在邻牙加载时,短种植体和超短种植体的最大位移值近似,在种植体加载时二者位移值差距增大;②施加舌侧载荷时,3种种植体的位移均超过了100μm,最大位移均出现舌侧,在邻牙加载时,常规种植体位移值最大;在种植体加载时,超短种植体位移远超过常规种植体和短种植体;③施加远中载荷时,3种种植体的最大位移均出现在种植体颈部,并且种植体的位移均大于施加垂直、舌侧载荷时的位移,在邻牙加载时,常规种植体的位移大于短种植体、超短种植体;在种植体加载时,3种种植体间的位移差异明显减小,最大位移均出现在种植体颈部;④对在种植体施加舌侧与远中侧载荷时,超短种植体组牙槽骨上的应力分别为81.62,73.35 MPa,其余组牙槽骨应力均小于53 MPa;⑤结果显示,在种植修复时应首选常规种植体,其次是短种植体,最后是超短种植体,倾斜载荷比垂直载荷更容易造成种植失败。

骨折愈合进程下髁突囊内骨折内固定的有限元分析

为重建由于髁突囊内骨折引起的颞下颌关节结构的不连续,需选择合适的内固定方式,采用有限元方法将B型髁突骨折的四种固定方式置于骨折愈合进程中进行模拟,以获得最适宜的长效内固定方式。基于CT图像构建了下颌骨模型,在右侧髁突模拟骨折裂隙与微型钛板,加载边界条件获取有限元结果并分析受力、位移。考察术后当天及4、8、12周骨折愈合进程中4种固定方式即:一个直板、两个平行直板、一个直板+一个L板以及两个L板的力学行为,得出两平行平板的力学特性最好(采用最大等效应力比较,两平行平板的最大应力术后稳定在443MPa,且其上应力变化平稳),一个直板+一个L板的稳定性最好(采用固定端与游离端的位移和转角作为度量标准,其最大相对位移0.045 mm,最大相对转角基本稳定在0.0378度,为系统提供可靠的稳定性。临床可根据适应症选择双板固定治疗髁突囊内骨折,不建议采用单板固定,且双板固定考虑两平行直板或一个直板+一个L板。

髋关节假体专家系统中力学评价方法的实现

髋关节重建术中假体的选择与手术效果直接相关,为更好地利用专家的经验,提高选择假体的准确性,开发了髋关节假体优选专家系统,并引入生物力学的快速评价方法作为选择假体的力学准则.基于患者X光片的数据信息,用Matlab和VB语言进行专家库系统的整体模块开发,对力学评价模块采用Matlab与ANSYS中的APDL语言开发.经过力学仿真及分析,得到了几何相似性和力学相似性较高的有限元模型,分析结果与文献结果较为吻合,并据此提出了在专家库系统中选择假体的评价准则.

髁突矢状骨折单板与平行双板坚固内固定生物力学分析

目的以生物力学角度对比单板与平行双板法治疗髁突矢状骨折(Sagittal Fracture of the Mandibular Condyle,SFMC)两种坚固内固定方式,为治疗SFMC提供依据。方法以三维有限元法(finite element analysis,FEA)建立包含双侧髁突的下颌骨的有限元模型。设右侧髁突为骨折侧,用厚0.1mm的薄层模拟骨折裂隙,建立单板、平行双板坚固内固定三维有限元模型。计算不同接骨板固定方式固定后下颌骨整体的应力分布状况和骨折侧髁突表面的应力分布、骨折断端的位移、微型钛板的受力、应力遮挡的状况。结果 (1)右侧髁突的最大等效应力为97.176 MPa,最大总位移为0.342mm,最大总转角为0.031°。(2)单板固定方式中,钛板的髁突残端固定处受力达2297MPa;髁突总体位移为0.9123mm;髁突游离端下部最大应力达243MPa,最大位移与最大转角分别为0.8794mm与0.0375°。(3)平行双板固定方式中,髁突残端所受应力为525.475MPa;髁突产生总体位移为0.9022mm;髁突游离端最大等效应力4.425 MPa,最大总位移0.8827mm,最大总转角0.0199°,接骨板最大等效应力为530.324 MPa。结论 (1)单板法中,接骨板所产生的应力遮挡作用会导致髁突游离端明显移位,从而造成错位愈合,增加髁突改建程度。(2)平行双板法中,接骨板及髁突所承受的应力与正常髁突所承受的应力相似,接骨板的应力遮挡作用致髁突游离端移位程度也明显减小,减少术后错位愈合,减少相关并发症的发生。

生物力学型下颌骨假体的设计及生物力学评价

基于人体生物力学特性的研究成果,针对下颌骨大型节段型缺损,设计了符合人体下颌骨生物力学特性的植入式钛假体,该假体起到了恢复缺损下颌骨的连续性和生物力学的传导的作用,并采用有限元方法对假体进行了生物力学评价,下颌骨结果表明:假体的设计符合人体生物力学传导特性,研究结果对临床有一定的指导意义。

基于功能元法的压砂土石分离机方案设计及分析

压砂瓜作为宁夏特色农业与产业近年来受到政府关注与支持,但是压砂地经过3～5y后会出现砂土混合无法分离现象,降低了压砂作用与效果.为了解决砂土粘结问题,特进行压砂土石分离机的方案设计.以功能元法为指导,求解出功能元解后经过分析与筛选,制定出合理的土石分离机的方案,并进行运动分析.结果表明,利用功能元法可以实现土石分离的目的,通过分析验证了设计方案能够满足使用功率之技术要求,得出了采用功能元法进行机构的方案设计可满足机械设计的使用要求。

下颌骨体部缺损假体的设计及生物力学评价

目的:研究根据下颌骨受力状态设计下颌骨假体的可行性。方法:在RE、CAD软件中根据健康人下颌骨CT数据构建了下颌骨几何模型、模拟了体部3～7缺损状态,同时在天然下颌骨模型基础上构建了外形与下颌骨完全一致的体部缺损个性化假体并镂孔,在孔中模拟植入松质骨颗粒用以研究松质骨颗粒能否促进天然骨与假体的整合。将模型导入有限元软件ANSYS8.0后定义边界条件并进行力学计算,以综合研究假体和植入假体中的松质骨在人体复杂应力状态下的力学行为。结果:有限元分析结果显示:在下颌骨与假体上分别出现了两条应力轨迹线,与天然下颌骨上的应力分布规律相吻合,说明假体的植入没有改变天然下颌骨的应力分布状态,按下颌骨受力设计假体的思路符合下颌骨受力状态,设计思路可行;同时植入假体孔中的松质骨颗粒上受到的应力值也达到了促进骨细胞生长的应力阈值,说明在假体上镂孔并植入松质骨可以增加假体与骨的生物相容性。结论:根据下颌骨受力设计假体的方法是可行的,其中填充的松质骨可以加速骨与假体的整合。

基于三种常见下颌骨缺损假体的松质骨应力水平比较

目的在植入人体的下颌骨假体孔洞中填充松质骨颗粒,以考察松质骨在人体应力环境下是否能够达到骨细胞生长应力水平,使假体与人体骨能够长合。方法模拟下颌骨体部、跨中线和半侧缺损状态,设计了相应的修复假体并在其上打孔,在孔中填充松质骨颗粒,利用有限元软件(Ansys8.0)模拟分析了松质骨上的应力水平。结果考察了三种缺损假体孔洞中松质骨的应力水平,确定了松质骨骨细胞生长应力水平阈值。结论作用于假体松质骨上的应力可以达到骨细胞的生长水平,并为假体设计提供了力学参考。

FEA-SPH方法模拟骨盆骨折下的血管响应

目的研究骨盆在侧方钝性冲击下,不同冲击能量导致骨盆骨折与血管损伤的类型,为由于车祸、高坠等原因导致的骨盆骨折伴随大出血院前急救提供理论基础,深入揭示钝性冲击下骨盆和血管的损伤机理。方法构建骨盆复合体流固耦合模型,采用SPH-FEA联合仿真的方法研究血管下端封闭与开口两种模型下骨盆和血管及血液动态响应特性。结果下端开口血管模拟的血管壁及血液响应峰值均低于下端封闭血管的数值,并且下端开口血管的血液流速均匀。

植入下颌修复体中的松质骨应力水平研究

下颌骨假体植入人体后,为了增加人体与假体的生物相容性,需在假体上镂孔并在孔中植入松质骨颗粒,松质骨能否与自体骨长合是医工界共同关心的问题。本文基于半侧下颌骨缺损修复体对此问题进行了仿真计算。确定了使松质骨骨细胞能够生长的应力刺激水平的阈值,评价了修复体上各个部位的应力水平。得出了作用在填充孔中的松质骨上的应力刺激水平达到了生长阈值的结论,对临床有积极指导意义。

基于矿质元素检测的杭白菊原产地溯源技术研究

为了探讨矿质元素技术在杭白菊原产地溯源中的可行性,利用电感耦合等离子体质谱仪(ICPMS)测定杭白菊中Cd、Pb、Cr、Zn、Ni、Co、Rb、Sr、Ba、Ga和V共11种矿质元素的含量,结合典则判别分析建立杭白菊产地判别模型。结果表明,用于建立杭白菊原产地判别模型的矿质元素为Pb、Sr、Ba、Ga和V,原始和交叉验证总体正确判别率分别为100%和97.1%。用于建立桐乡市三个种植区杭白菊判别模型的元素为Cd、Pb和Rb,原始和交叉验证总体正确判别率分别为76.7%和70.0%。因此,矿质元素指纹技术可以用于杭白菊的原产地保护以及原产地不同产区的溯源。

函数型数据的共同主成分分析探究及展望

函数型数据的主成分分析(FPCA)已经成功应用在许多领域,但它主要研究的是单样本问题。本文详细讨论了一种新近发展的函数型数据分析的理论——函数型共同主成分(CFPC)分析方法,它主要应用于检验两组函数型随机样本的分布情况。CFPC方法的理论基础是将两组函数型样本进行Karhunen-Loève(KL)展开,并用Bootstrap方法检验两组样本的均值函数、特征值和特征函数的一致性。最后,我们对CFPC的理论研究和应用前景进行了展望。

股骨柄假体的二维生物力学评价与优化选择(英文)

背景:人工髋关节置换术前选择假体时,不仅要考虑在几何学上达到与患者股骨髓腔的匹配,而且还要在生物力学性能上达到最优,这对提高全髋关节置换术后疗效,具有较现实的意义。目的:对4组与股骨匹配的股骨柄假体进行生物力学的评价,寻找与正常股骨力学分布最为接近的股骨柄假体。设计:对比观察。单位:同济大学附属东方医院骨科、解放军第二军医大学长海医院骨科、上海交通大学机械与动力工程学院。材料:实验于2004-12/2005-10在上海交通大学机械与动力工程学院生命质量与机械工程实验室完成。选用无髋部疾患、股骨近端形态正常志愿者(男性,40岁,身高175cm,体质量78kg)的股骨拍摄标准正位X射线片,并以DICOM格式存入存贮器中。志愿者签署知情同意书,同时报医学伦理委员会审批。模板:Ⅰ号假体:Zimmer versys Fiber Metal Taper11#;Ⅱ号假体:Plus APL 2#;Ⅲ号假体:Welink Ribbed system cementless01#;Ⅳ号假体:Lima F2L 1#。方法:在Matlab中导入股骨近端X射线正位片及4组股骨-股骨柄假体模板的bmp格式的图像文件,分别提取股骨、带假体模板的股骨二维轮廓数据,利用ANSYS软件建立股骨、股骨-股骨柄几何模型及二维非线性有限元模型,负荷加载后对股骨近端的应力分布进行分析、比较。主要观察指标:股骨近端的应力分布。结果:Ⅰ,Ⅳ号假体对所研究的股骨而言其应力大小及分布与正常股骨相近,但两者相比Ⅰ号更为接近,应为最佳选择。结论:通过基于X射线片与模板的股骨柄假体二维生物力学的分析比较,可对股骨柄假体的生物力学性能作出评价,为假体的优化选择提供依据。

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者的下颌骨和颞下颌关节三维有限元模型的构建

目的建立阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea hypopnea symdrome,OSAHS)患者的下颌骨和颞下颌关节(并包含上气道及周围结构)的三维有限元模型,为治疗OSAHS从颞颌关节方面提供参考依据.方法对OSAHS患者颞颌关节及上气道行薄层CT扫描,获得OSAHS患者颞颌关节及上气道DICOM格式的图像信息,采用Mimics三维建模软件、Imageware逆向工程学软件、Ansys有限元分析软件建立的三维有限元模型.结果建立了OSAHS患者下颌骨和颞下颌关节(并包含上气道及周围结构)的三维有限元模型,共得到949 850个单元,932 932个节点.既能精确显示其三维空间结构和形态,又可以模拟下颌前移式口腔矫治器治疗OSAHS,为进一步研究此类方法治疗OSAHS从颞颌关节方面提供参考依据.结论建立准确、可行、灵活模拟操作的OSAHS患者下颌骨和颞下颌关节(并包含上气道及周围结构)三维有限元模型,为临床治疗OSAHS从颞颌关节方面奠定基础.

下颌逐步前伸对阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者舌咽部影响的三维有限元研究

目的通过下颌逐步前伸对阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(OSAHS)患者舌咽部三维有限元模型进行加载,观察OSAHS患者舌咽部生物力学和形态学改变。方法对OSAHS患者上气道行薄层CT扫描,获得OSAHS患者上气道DICOM格式的图像信息,采用Mimics 10.0、Imageware 10.0和Ansys 8.0软件建立上气道、下颌骨、舌骨及相关周围结构的三维有限元模型,然后通过逐步前伸下颌骨,观察舌咽部生物力学和形态的变化及规律。结果成功建立了OSAHS患者上气道及结构的三维有限元模型。通过逐步前伸下颌骨,舌咽部发生相应形态变化,其主要表现为:上气道舌咽部会厌尖横截面横径增加,而上气道舌咽部会厌尖横截面矢状径减小;S1主应力主要分布于上气道前壁区肌肉牵拉处,应力位置未发生明显改变,舌咽部主应力值随下颌前伸距离增加而不断增加。结论使用Mimics、Imageware和Ansys软件提高了建模效率和模型的精确性。通过对整体有限元模型的下颌逐步前伸加载,有效展示了下颌骨前伸与舌咽部两者之间的关系,研究方法可行。

健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型的构建

目的利用薄层CT扫描技术建立健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型,为研究OSAHS(阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征)奠定基础。方法对健康成人上气道进行薄层CT扫描及图像处理,通过Mimics13.0软件和ANSYS软件建立三维有限元模型。结果建立了健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型,共得到63032个单元,12149个节点。结论薄层CT扫描技术与Mimics和ANSYS软件相结合,建立健康成人上气道及周围结构的三维有限元模型,精度高、速度快,使用灵活,为后期OSAHS的研究奠定了基础。

髁突矢状骨折坚固内固定后骨折愈合进程的生物力学分析

目的 ：从生物力学角度分析髁突矢状骨折（sagittal fracture of the mandibular condyle,SFMC）坚固内固定术后的骨折愈合进程,为治疗SFMC提供依据。方法：以三维有限元法（three dimensional finite element analysis,3D-FEA）构建包含双侧髁突的下颌骨模型;设右侧髁突为骨折侧,模拟以4孔微型接骨板坚固内固定治疗法,设计术后0、4、8、12周为SFMC骨折愈合进程中的观测点,测算髁突应力分布变化,骨折断端位移、微接骨板受力、应力遮挡状况。结果：正常髁突最大等效应力位于髁颈部,分布于髁颈中1/3的片状区域。术后0周,患侧髁突最大等效应力为正常值的23倍,位于近骨折线中下1/3的髁突残端和近骨折线的螺钉固定处的接骨板上,呈点状分布;髁突及接骨板的其余部分几乎不受应力作用。术后4-12周,患侧髁突的最大等效应力趋于平稳,但仍为正常值的6倍左右。位于近髁突残端的镙钉固位处与髁颈中外1/3处的点状区域,其余部分几乎不受应力作用。髁突总位移及总转角在骨折愈合进程中增加0.57-0.75 mm及0.01-0.09°。髁突残端术后0周的最大等效应力是术后4-12周的5-6倍。髁突游离端在骨折愈合进程中的最大等效应力、总位移及总转角值均无显著变化。接骨板术后0周最大等效应力为术后4-12周的7-9倍。结论：SFMC愈合进程中,髁突承载应力及应变改变、接骨板的应力遮挡可能与髁突吸收、改建有关。内固定4周内,接骨板、髁突残端承载的最大等效应力、髁突总位移与总转角明显增大,可弹性颌间牵引,以减少髁突总位移及总转角;流质饮食可减少髁突等效应力,利于骨折愈合。内固定4周后,下颌骨及髁突已能承载正常负荷,可行康复训练,以尽早恢复TMJ的正常功能。