基于三点力原理对足内翻矫形器矫正效果的有限元分析

背景:三点力学是踝足矫形器矫正与预防足部各类疾病的有效方法,目前关于3D打印踝足矫形器的临床应用研究已普遍存在,但其涉及三点力学矫正的数值模拟与有限元分析报道相对较少,缺乏相关生物力学实验验证。目的:通过有限元法对踝足矫形器与足部复合模型进行三点力加载分析,观察在三点力干预下佩戴踝足矫形器的足部矫正效果,验证三点力的有效性及踝足矫形器的可靠性。方法:基于医学图像处理软件Mimics构建1例健康志愿者足踝三维模型,采用Rodin 4D与Geomagic逆向工程软件对各模型进行优化处理,设计个性化踝足矫形器模型。利用Solidworks软件对足踝模型进行内侧翻转10°以模拟足内翻病态,通过ANSYS软件结合三点力学原理对足部施力区进行静力加载,在满足人体足部痛阈时分析足踝各组织形变与应力变化,利用显示动力学进一步验证踝足矫形器施加三点力的有效性。结果与结论:(1)设计的个性化踝足矫形器具有预防足踝内翻和固定作用,在未穿戴踝足矫形器时,受到1 N·m内翻载荷后足踝内翻1.81mm,而穿戴踝足矫形器后仅为0.44mm,变形率降低75.7%,预防内翻效果明显增强;(2)仅冠状面矫正时,跟骨力系过小会加剧患者前足内翻,调整足跟内侧与内踝上方矫正力后,前足内翻角与跟骨位得到改善,但足部内侧趾骨区仍有不同程度内收移位,会加剧患者前足内收畸形;(3)冠状面、水平面两组三点力系统联合作用矫正效果优于单冠状面,表现为在足跟内侧、第一跖骨干内侧、外踝下方与内踝上方的力(25,10,10,20 N)作用下,前足内侧趾骨无内收移位,前足内翻角减小,并沿X轴外翻矫正1.395 mm,跟骨外翻矫正1.227mm,在变形比例放大云图下跟骨内翻角由10.21°矫正至7.25°,内翻角改善28.9%;(4)两平面三点力作用下,足底外侧跖骨负荷减小,内侧跖骨负荷增加,矫正后足底骨骼应力显著得到改善,进一步验证了三点力原理的可靠性,该研究为临床患者穿戴踝足矫形器治疗足内翻提供了重要理论支撑。

有限元网格划分对零件热力学分析的影响研究

网格划分在零件热力学模拟中是重要前处理环节,文中针对塑料模具型芯零件,采用了不同的网格划分方式,比对该模型有限元计算结果,讨论网格划分方式及网格密度对零件热力学分析产生的影响。

流体动力学网格划分技术在骨骼有限元建模中的应用

目的研究一种高质量、高效率的骨骼分网方式。方法结合骨结构的特点,将流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)的分网方法引入到骨生物力学的网格划分中,用六面体单元模拟皮质骨,四面体单元模拟松质骨。结果采用CFD网格划分技术能够划分出高质量的六面体单元,并且较好地模拟骨骼的结构特征,可以实现计算机自动分网,分网花费时间约为传统分网方法的1/5,有限元模型计算结果基本符合尸体实验测量值。结论CFD网格划分技术可应用于骨生物力学领域中,为复杂人体骨骼的重构探索了一条有效途径。

个性化头部生物力学模型的开发及验证

本文提出了一种个性化头部生物力学模型建模方法,并对所生成模型进行了有效性验证。该方法以图斯特50th百分位头部生物力学模型为基础,基于目标模型头部CT数据,采用三维点云配准和自由网格变形法,实现具有详实脑组织结构的个性化头部生物力学模型的快速建模。通过重构经典尸体试验,发现该方法构建的个性化头部生物力学模型在运动学和生物力学响应方面与尸体试验结果高度一致,且与通过逆向工程方法开发的头部生物力学模型并无明显差异,验证了本文方法所开发模型的有效性。因此,本文方法可用于快速构建具有详细解剖学结构的个性化头部生物力学模型,为损伤生物力学、临床医学和法医鉴定等领域的数字化需求提供基础计算分析工具。

国产新型腰椎棘突间撑开器体外生物力学测试及有限元分析

背景:腰椎棘突间撑开器非融合系统为腰椎退行性疾病提供了一种新的治疗选择。但目前国内临床对于腰椎棘突间撑开系统的应用及研究严重不足,对于适用于国人的国产化腰椎棘突间撑开器更是鲜有报道。目的:通过人体腰椎三维有限元分析技术和山羊腰椎体外生物力学实验分析国产新型棘突间撑开器生物力学特点,验证新型腰椎棘突间撑开器的科学性和有效性。方法:①国产新型腰椎棘突间撑开器有限元分析:通过正常成人腰椎CT资料建立L2-L5椎体三维模型,随后依次建立国产新型腰椎棘突间撑开器模型、国产新型腰椎棘突间撑开器腰椎非融合系统模型,赋予腰椎生理情况下的力学条件,对新型撑开器植入前后进行生物力学分析;②国产新型腰椎棘突间撑开器体外生物力学分析:获取24只成年雄性山羊腰椎(L1-L5),在L3-4棘突间植入国产新型腰椎棘突间撑开器,撑开器植入前后检测腰椎标本前屈、后伸、侧弯、旋转状态下的腰椎活动度与椎间盘压力。结果与结论:①在撑开器植入后,责任节段后伸时活动范围及椎间盘压力减小,相邻节段活动度和椎间盘压力几乎不受影响,从理论上验证了腰椎棘突间撑开器可以为腰椎退行性疾病的治疗提供了生物力学依据,为预防临椎病贡献了理论参考。②在后伸状态下,L3-4椎体植入撑开器后的椎体活动度明显小于植入前(P<0.05),L2-3、L4-5椎体植入撑开器后的椎体活动度与植入前比较差异无显著性意义(P>0.05);在前屈、侧弯、旋转状态下,L2-3、L3-4、L4-5椎体植入撑开器后的椎体活动度与植入前比较差异均无显著性意义(P>0.05)。在后伸状态下,L3-4椎体植入撑开器后的椎间盘压力明显小于植入前(P<0.05),L2-3、L4-5椎体植入撑开器后的椎间盘压力与植入前比较差异无显著性意义(P>0.05);在前屈、侧弯、旋转状态下,L2-3、L3-4、L4-5椎体植入撑开器后的椎间盘压力与植入前比较差异均无显著性意义(P>0.05)。③结果表明,国产新型腰椎棘突间撑开器的科学性和有效性均从三维有限元分析和体外动物腰椎标本实验得到了有力验证,为国产新型棘突间撑开器的活体动物实验、临床实验、临床应用以及临床生产提供了有力的依据。

定制式增材制造膝关节矫形器间室减荷效果的有限元分析

通过构建膝关节与定制式增材制造膝关节矫形器有限元模型,模拟膝骨关节炎(KOA)患者佩戴矫形器前后的膝关节生物力学变化,验证矫形器的间室减荷效果,针对矫形器治疗效果开展定量化研究,可用于膝关节矫形器的临床疗效评价.实验经过上海交通大学医学院附属第九人民医院伦理委员会审批通过,招募一名膝骨关节炎的女性,对其膝关节进行光学体表及CT扫描,根据单侧减荷原理设计定制式增材制造膝关节矫形器,通过网格划分、材料赋值、边界设置等步骤,利用ANSYS等软件构建包括膝关节与定制式增材制造膝关节矫形器有限元模型,沿下肢负重轴方向对膝关节施加1100 N的压缩载荷,进行仿真及应力分析,研究定制式增材制造膝关节矫形器对膝关节间室的减荷效果.针对KOA特性进行有限元分析,验证软骨、韧带及下肢皮肤对膝关节承载能力的影响.相较于未佩戴任何矫形器情况,佩戴定制式膝关节矫形器后,膝关节内翻角度减少、内侧压力向外侧转移且内侧间室压力明显降低.定制式增材制造膝关节矫形器可降低早中期内侧间室型膝骨关节炎患者在步行过程中膝关节内侧间室所产生的压力,减荷效果显著.

基于网格重划分功能的铅挤压阻尼器有限元分析

采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了铅挤压阻尼器的有限元模型,采用网格重划分功能模拟铅金属的塑性流动,解决了因单元变形过大出现负体积而终止计算的问题,计算得到了阻尼器的应力云图和力-位移滞回曲线。通过这种方法可以在阻尼器制作之前准确得到阻尼力的大小及力学性能,解决了实验方法研究成本高、开发周期长的问题,为类似阻尼器的数值仿真分析提供参考。

网格划分密度与有限元求解精度研究

本文通过对不同网格密度、不同单元类型的有限元力学模型计算结果与精确解的分析比较，探索研究单元网格划分与有限元求解精度的内在联系，为在保证有限元解满足工程实际精度要求的前提下．确定合理的网格密度，提高有限元分析效率进行了有益的探索。

基于CT和MRI膝关节有限元模型建立与不同载荷下生物力学特性分析

基于CT和MRI图像数据建立膝关节有限元模型,采用六面体网格对不同载荷系统下人体膝关节生物力学特性进行研究,并进行有效性验证。建立膝关节有限元模型包括:股骨、胫骨、髌骨、腓骨、股骨软骨、胫骨软骨、腓骨软骨、半月板、前后交叉韧带、内外侧副韧带、髌韧带和股四头肌腱等。对膝关节施加1 kN轴向压缩载荷、134 N后向抽屉力和5、10、15 N∙m内翻力矩和外翻力矩,分析膝关节内软骨和半月板的接触应力和接触面积,股骨内外翻倾角以及位移变化情况。在1 kN压缩载荷和134 N抽屉力作用下,股骨软骨、内外侧半月板和内外侧胫骨软骨的接触应力峰值分别为4.47、3.25、2.83、2.70、2.53 MPa,Von Mises应力峰值分别为2.22、2.44、2.25、2.07、1.64 MPa。股骨相对胫骨前向位移为4.19 mm。施加5、10、15 N∙m内翻和外翻力矩时,股骨内翻和外翻倾角分别为3.49°、4.48°、4.91°和3.22°、3.62°、4.01°。随着力矩的线性增大,膝关节各组成部分的应力呈非线性变化趋势。膝关节软骨、半月板和韧带的研究结果符合其生物力学特性,与前人数值分析和实验研究结果相一致,可为临床膝关节生理病理分析和治疗提供一定的理论依据。

隐形矫正器作用下牙颌组织的生物力学实验分析

目的研究分析牙颌组织在隐形矫治器作用下的生物力学特性,以及隐形矫正器的作用力系和作用效果。方法建立包括牙齿、牙周膜和牙槽骨在内的上颌三维有限元模型。根据正畸过程中牙齿的典型移动情况,设计多个矫正方案模拟。在此基础上分析在隐形矫治器作用下的牙颌组织的应力和应变情况。同时与传统固定矫治器的相关分析结果进行对比。结果隐形矫正器与传统的固定矫治器作用下牙颌组织的应力应变分布相近,且应力变化趋势相似。结论通过合理设计隐形矫治器,可以实现畸形的矫正及满足矫正过程中患者对美观的要求。

桡骨远端解剖型记忆聚合器治疗桡骨远端骨折三维有限元分析

目的:探讨桡骨远端解剖型记忆聚合器(anatomicdistalradiusNitinolmemoryconnector,DRMC)治疗桡骨远端骨折的记忆生物力学特性。方法:采用三维建模及有限元方法,分析计算DRMC固定桡骨远端骨折时在骨折断面及周围所产生的应力并构建记忆应力场。结果:桡骨远端DRMC持骨支产生轴向持骨力为14.66MPa,持骨支最大主应力值为40～70MPa,最小主应力值为3～7MPa,而加压支应力值相对较大,为20～40MPa。结论:DRMC在骨折线周围的应力分布合理,轴向持骨力有利于早期骨折稳定,加压支纵向加压及记忆效应的存在,可将被固定的废用段转化为生长段,促进骨折愈合。

桡骨远端解剖型记忆聚合器三维模型构建及记忆生物力学意义

目的:介绍桡骨远端解剖型记忆聚合器(anatomicdistalradiusmemorycompressionconnector,DRMC)三维模型的构建并进行三维有限元计算及分析,探讨相关的记忆生物力学临床意义。方法:采用大型有限元分析软件ANSYS7.0,建立DRMC三维模型。结果:所构建DRMC三维模型,客观反映DRMC的真实形态及生物力学行为,同时与桡骨远端三维模型有较高的帖服。结论:DRMC三维有限元模型的构建,可以为DRMC治疗桡骨远端骨折的力学行为以及DRMC相关力学基础研究提供精确模型。

一种新的并行自适应网格有限元算法

给出了一种新的适用于流体力学问题的并行自适应有限元算法。首先 ,基于初始稀网格上获得的事后误差估算值 ,应用反复谱对剖分方法对初网格进行划分 ,使各子域上总体误差近似相等 ,从而解决并行自适应计算中的负载平衡问题。然后在各处理器上独立地求解整体问题 ,并进行指定子域上的网格自适应处理。最后将各子域上的自适应网格组合成一个整体网格 ,应用基于粘接元技术的区域分裂法在该网格上获得最终解。

不同股骨止点对内侧髌股韧带重建后髌股关节应力影响的三维有限元分析

背景:髌股韧带重建有多种手术方式,其中股骨止点选取对手术实施影响较大,目前针对股骨止点的选取有多种方式,但无定论。目的:通过三维有限元软件分析膝关节不同屈曲状态下内侧髌股韧带(MPFL)股骨重建止点位置改变对髌股关节应力的影响,从而选择出合理准确的股骨重建止点。方法:获取成年人正常膝关节CT数据,导入Mimics、Geomagic及Soildworks软件进行提取模具、添加韧带,其中韧带的股骨止点选择分别为股骨内上髁与内收肌结节连线的中点、股骨内上髁、内收肌结节、股骨髁间窝顶部向内髁投射点和内收肌结节下10 mm,再将添加韧带后的模具导入机械软件Ansys,对不同股骨止点重建后髌股关节应力进行生物力学的有限元分析。结果与结论:(1)在膝关节屈曲0°和30°时,选取任一股骨止点产生的髌股关节应力大于其他屈曲角度(60°,90°,120°);无论采取哪种位点作为股骨端止点,当膝关节屈曲超过30°时,髌股关节间的接触应力大小基本无差别;(2)在膝关节屈曲0°和30°时,以内收肌结节为止点的髌股接触压力最大,以股骨内上髁与内收肌结节连线的中点为止点的接触力最小;在膝关节屈曲30°时,股骨内上髁与内收肌结节连线的中点及股骨髁间窝顶部向内髁投射点、内收肌结节下10 mm作为股骨端止点的髌股间的接触应力大小无明显差别;(3)结果显示,重建内侧髌股韧带时股骨侧止点最好选择在内收肌结节与内上髁连线的中点,能够有效恢复膝关节的稳定性,达到延缓关节及软骨退变的目的。

个性化全骨盆三维有限元建模及骶髂关节骨折脱位模拟

目的建立高度仿真的个性化的完整骨盆三维有限元模型,并在此基础上进行骶髂关节骨折脱位的模拟。方法从CT精确重建独立的左、右髋骨和骶骨实体模型,根据髋骨和骶骨的外形特征,利用专门的流线型生物力学有限元网格划分器生成规则的体网格模型,并进一步建立骶髂关节的终板、软骨、关节接触面,和骨盆上的主要韧带组织及耻骨间盘。在建立的完整模型上去掉一侧的骶髂关节韧带群进行骨折脱位模拟,并与正常的情况进行对比。结果建立了高精度的个性化全骨盆的三维有限元模型,包括左右髋骨和骶骨的皮质骨、松质骨,骶髂关节的终板、软骨和带摩擦的关节接触面,韧带包括骶髂骨间韧带、骶髂前韧带、骶髂后韧带、骶棘韧带、骶结节韧带、耻骨上韧带和耻骨弓状韧带,以及耻骨间盘。正常模型的加载模拟和骶髂关节骨折脱位模拟的预测结果均与文献试验生物力学结果相符合。结论利用专门的生物力学有限元建模工具能建立更复杂更精确的三维有限元模型,成为全骨盆生物力学分析研究的平台和基础。

颈椎椎体次全切除与钛网植骨钢板固定三维有限元模型的建立

目的利用螺旋CT建立颈椎椎体次全切除减压植骨固定的三维有限元模型的高度数字化方法,为研究颈椎减压手术的生物力学实验提供标准模型。方法对健康成年男性志愿者进行CT扫描,获得C4～C7节段的断层图片,将数据保存为Dicom格式,导入Mimics9.1软件进行三维几何模型重建,形成三维图像,利用Freeform软件进行模型修改和表面划分,以IGES格式转入有限元软件Ansys9.0完成颈椎骨性模型的建立。利用有限元软件Ansys9.0,在颈椎骨性模型的基础上,补建终板、补充建立终板、椎间盘、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带等结构。然后模拟颈椎椎体次全切除,将C5椎体、前纵韧带、上下椎间盘切除,将建立的钛网、钢板实体模型添加到减压区。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行有限元网格划分。结果颈椎脊柱三维模型有限元网格划分结果:利用三维重建软件Mimics和有限元软件Ansys9.0,成功进行椎体次全切除减压钛网植骨钢板固定三维模型有限元网格划分。整个模型共有138995个节点和94039个单元,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。结论建立的椎体次全切除植骨固定手术三维有限元模型接近真实的生物力学标本,可以进行临床和实验研究。

医学图像三维有限元重建中的数据管理及T10～T12胸椎模型建立

在进行生物力学分析时 ,依靠序列医学图像进行三维有限元模型重建是一种必要的手段 ,但是此过程中图像的数据处理和网格划分等繁重的前处理工作 ,成为了有限元分析工作的瓶颈 ,尤其是形状和其医学图像的数据具有复杂性的胸椎的模型的建立。针对胸椎三维有限元模型建立所必需的数据 ,给出了基于 CT医学图像处理所必需的数据结构和类型 ,分析了数据获得和处理的方法。同时提出了基于分块建模思想的数据管理方法 ,结合MSC.Marc软件实现了网格划分 ,建立了 T10～ T12段胸椎的三维有限元模型 ,其形态特征基本保持了实际骨骼的外形特征 ,满足了生物力学研究分析的要求。针对医学序列图像处理和有限元模型的建立过程中的数据获得与管理 ,是非常有意义的重要工作之一 ,对于其他类似的基于医学图像 (CT、MRI等 )的人体组织的三维有限元重建工作 ,具有拓展意义和实际的指导意义。

建立足部三维有限元数字模型

背景:克服传统标本力学分析的不利因素,建立逼真的足部各结构有限元模型,是对足部进行有限元力学分析的重要基础。目的:建立足部的三维有限元数字模型,为正常足部及足部损伤情况下的有限元力学分析打基础。方法:对1名健康女性志愿者行双足螺旋CT扫描,将所得图像在Mimics软件中重建三维模型,在Geomagic软件中生成实体模型,最后在Ansys中建立足主要结构的三维有限元数字模型。结果与结论:实验建立了包括全部骨骼、主要软骨和韧带、皮肤及软组织在内的人足有限元数字模型。利用CT数据及Mimics、Geomagic、Ansys软件可以建立人足全部足骨的三维有限元数字模型,该模型与实际骨骼模型大小、形态一致,并且可以随意旋转,任意角度观看,进行各种测量,可将足部骨骼任意拆分或合并,适合进行生物力学分析。

足部有限元模型的构建与验证

背景:目前国内所建的足部模型大部分是采用自动划分网格的四面体有限元模型,虽然四面体网格自动剖分技术给三维实体的有限元网格自动剖分带来了极大的方便,但力学性能较差。目的:基于CT图片构建六面体网格足部有限元模型。方法:选取中国正常男性人体足部的CT数据,利用Mimics软件对足部几何模型进行重构,运用NURBS曲面的节点插入算法,对足部几何模型进行了细化,构建了具有较高生物仿真度的人体足部有限元模型,利用Pam-crash软件对模型进行了碰撞仿真分析。结果与结论:仿真结果与尸体实验结果基本一致,证明模型可信。实验基于CT图片构建的六面体网格足部有限元模型,添加了足底肌肉、肌腱、皮肤等结构,更真实的反映了足部解剖学结构特征,进而提高了有限元模型的质量,更能有效地研究足部损伤机制,从而为提高汽车安全性设计提供参考依据。

建立基于映射的个性化颌面部六面体有限元模型

目的为患者建立个性化口腔颌面部整颌整形手术的六面体有限元网格模型。方法首先使用半自动方法构建标准颌面部软组织的高质量六面体有限元网格模型,然后采用一种基于映射的实例学习方法生成个性化患者的颌面部六面体网格模型。结果能够方便地生成几何形状与患者形态高度一致的个性化六面体网格模型,并尽可能保持体网格单元的角度和形状质量。结论新的六面体网格建模方法能为生物力学分析提供高质量的六面体有限元网格输入,在口腔颌面外科等多个学科均有很好的推广应用前景。