不同年龄阶段膝关节有限元计算模型的材料特性分析

背景:有限元计算模型作为一种重要的工程分析技术已被广泛应用于生物工程研究的各个领域,然而,很少有文献介绍不同年龄阶段膝关节有限元计算模型每个解剖结构的材料性能,以满足不同的研究目的。目的:在前人膝关节有限元研究的基础上,总结不同年龄阶段膝关节有限元计算模型的材料特性。方法:英文检索词为“Knee,finite element,material selection,ligament injury,osteoarthritis,elderly,children,young people”等,中文检索词为“膝关节,有限元,材料选择,韧带损伤,骨关节炎,老年人,儿童,年轻人”等,分别检索中国知网、PubMed数据库,文献检索时限为1950-2024年,就纳入与排除标准,最终纳入108篇文献进行归纳总结。结果与结论:儿童膝关节骨密度会随着年龄的增长而增加,在成年后达到峰值。中年到老年阶段,膝关节股骨、胫骨、腓骨、髌骨的弹性模量会随着年龄的增加而降低,进而回归到儿童时期的弹性模量。儿童与成年人软骨的弹性模量基本一致,而老年人的软骨弹性模量增大。随着年龄的增长,膝关节韧带的弹性模量会出现一定程度降低,但年轻人与老年人膝关节韧带的弹性模量无显著差异。随着年龄的增长,膝关节半月板机械完整性的丧失会损害组织的生物力学功能,扰乱组织有效承载和传递的各向异性生物力学响应。膝关节有限元建模可以深入了解膝关节的生物力学特性,开发新的植入材料、预测膝关节疾病、改进手术技术,并指导患者康复锻炼。

复杂髋臼双柱骨折4种不同内固定方式的有限元分析

背景:髋臼双柱骨折类型复杂且常见,目前治疗髋臼双柱骨折多采用传统重建接骨板,其与骨面的不匹配性会加大手术难度。个性化接骨板能够实现接骨板与骨面贴合,但个性化接骨板与传统重建接骨板固定髋臼双柱骨折的生物力学对比研究较少,且模拟的体位姿态较为单一。目的:采用三维有限元方法分析复杂髋臼双柱骨折不同内固定方式在各种体位下的生物力学特性,为临床应用提供必要的生物力学依据。方法:建立累及方形区的复杂髋臼骨折中最具代表性的双柱骨折模型,在此基础上建立异形个性化钛板固定(A组)、前后柱双钛板固定(B组)、前柱重建钛板+后柱拉力螺钉固定(C组)和前柱重建钛板+髋臼下螺钉固定(D组)4种不同内固定方式固定复杂髋臼双柱骨折的三维有限元模型,分别模拟静坐、站立、患侧前伸、患侧外展以及患侧单腿站立体位下对4种复杂髋臼双柱骨折模型进行有限元分析,比较4种内固定方式的生物力学性能差异。结果与结论:①在各种体位下,骨折线上节点位移以及平均位移均表现为A组<B组<C组<D组,在患侧单腿站立体位下的位移值相较于其他体位最大,且A组内固定系统最大位移在4组模型中最小;各节点位移在站立和患侧单腿站立体位时,4组之间无统计学差异(P>0.05);在静坐、患侧前伸和患侧外展体位下,A组与B组、B组与C组、C组与D组无统计学差异(P>0.05),A组与C组、A组与D组、B组与D组之间差异有显著性意义(P<0.05);②A组各个骨折块所受最大应力相较于其他组更小,且骨折块所受应力分布更加均匀;内固定物应力主要集中于接骨板在骨折断端附近区域,其中A、B组内固定方式应力分布较为均匀,C、D组内固定方式应力集中较为明显,且A组相较于其他3组内固定物最大应力值减小了4.86%-54.61%;③在患侧前伸和患侧外展体位下,A、B组均具有较大的应力遮挡率,两组最大差值为5.67%;在患侧单腿站立体位下,A组内固定应力遮挡率最高,而D组应力遮挡率最小;④提示异形个性化钛板固定(A组)相较于其他3组传统重建接骨板固定具有更好的生物力学稳定性。

基于有限元的端板式组合剪力墙-钢梁节点抗震性能研究

为研究端板式双钢板组合剪力墙-钢梁节点抗震性能,文章通过改变端板厚度设计3个足尺节点试件,开展低周往复加载试验,利用ABAQUS软件对节点进行等效塑性应变损伤准则的有限元分析模拟,探究钢材种类、梁端盖板、轴压比及设置加劲肋等对节点抗震性能的影响。结果表明:节点试件具有良好的抗震性能,且模拟分析结果与试验结果吻合度较好;通过提升钢材屈服强度、改用全截面梁上盖板、增加盖板厚度及设置梁端加劲肋等方式可有效提升节点的承载力和刚度;最后依据基于塑性极限分析法推导结果提出了该类型节点的端板厚度设计方法。

新型承插型盘扣式钢管格构支架有限元分析及相关计算理论对比

针对某工程中得到应用的新型承插型盘扣式钢管格构支架,基于有侧移半刚性钢框架计算理论,建立了考虑节点半刚性以及广义初始缺陷的有限元模型,进行数值分析。对于不同文献、规范中现有的几种计算理论进行了对比计算,根据所得结果的不同,分析了各计算理论的局限性与可参考性。通过数值分析与理论计算结果的对比,得到了计算模型最贴近实际、并与数值分析结果最为接近的一种计算理论,以供在实际工程应用中作为设计参考。

新型预应力混凝土钢管桁架外挂墙板平面外受弯性 能有限元分析

为研究一种新型预应力混凝土钢管桁架外挂墙板在风荷载作用下的受力性能,设计了8个试件,采用ABAQUS有限元软件,分析其在风荷载下的破坏机理,研究钢管间距、配筋率和钢管壁厚对外挂墙板受力性能的影响。研究结果表明:新型外挂墙板在风荷载作用下可满足承载能力极限状态和正常使用性能要求。提高配筋率,可提高墙板的极限承载力,但是对墙板的刚度提升不明显。减小钢管间距更有利于提高墙板刚度,设计时可根据抗裂要求和挠度限值调整钢管间距,使墙板不开裂。适当增加钢管壁厚能提升墙板的刚度、开裂荷载和承载力,但增加到一定程度时,钢管壁厚对墙板的受力性能影响较小。新型外挂墙板经过合理设计可实现自重轻、刚度大、抗裂性能好,而且便于运输和安装,具有良好的推广价值。

基于VDI 2230标准与有限元分析螺栓连接柔度分析

基于VDI 2230标准及有限元分析技术,对同心夹紧螺栓连接结构的柔度进行了深入分析计算。通过构建Ⅳ级螺栓模型结构,并考虑螺栓与被夹紧件的局部变形,得到与VDI 2230标准相符的有限元螺栓连接柔度计算结果。研究进一步证实,利用有限元技术建立刚体模型并控制变量,是计算复杂多螺栓连接结构柔度的有效方法。

三种内固定方式治疗髌骨下极骨折生物力学特征的有限元分析

背景:髌骨下极对伸膝装置完整性和稳定性以及保持良好的膝关节功能非常重要。目前临床治疗髌骨下极骨折尚没有统一的手术方法,但有效的内固定应该具备对抗股四头肌和髌韧带的拉应力与股骨髁的屈曲应力以及骨折断端分离移位的能力。目的:通过有限元法建立髌骨下极骨折三维模型,对比克氏针张力带、克氏针张力带结合环抱、克氏针张力带结合纵向捆绑3种固定方式的生物力学稳定性,进而为髌骨下极骨折的治疗提供一种可靠的术式选择。方法:选择一名健康的女性志愿者进行膝关节CT扫描,利用有限元软件构建髌骨下极骨折模型。根据不同内固定方式设定为A、B、C组:A组为克氏针张力带固定,B组为克氏针张力带结合环抱固定,C组为克氏针张力带结合纵向捆绑固定。在相同的支撑和约束条件下,运用有限元分析软件评估3种内固定模型的生物力学特性。结果与结论:有限元分析结果表明,在45°合力方向上施加不同大小载荷的条件下,C组相比于A、B两组整体模型、髌骨骨折端及内固定物的位移最小,模型及内固定物的应力最小。提示相较于克氏针张力带和克氏针张力带结合环抱这两种内固定方式,克氏针张力带结合纵向捆绑技术呈现出更小的位移和应力,具备更出色的生物力学强度及更为可靠的内固定强度,从理论上来讲可以很好地满足患者术后早期进行功能锻炼的需求。

有限元法在脊柱胸腰段骨折生物力学分析中的应用及发展方向

背景:脊柱骨折最高发部位是胸腰段,其症状为后背部疼痛、后凸畸形、活动受限,或伴脊髓神经损伤引发下肢疼痛、麻木甚至截瘫等并发症。有限元法是一种数字化的计算机建模技术,能真实模拟实物模型并进行受力分析。目的:综述有限元法在脊柱胸腰段骨折中的应用。方法:在中英文文献数据库PubMed、Web of Science、中国知网中检索2024年3月之前发表的有限元分析法在脊柱胸腰段骨折中应用的相关文献,中英文检索词为“有限元分析法(finite element analysis methods)”“生物力学(biomechanical phenomena)”“应力分析(stress analysis)”“胸腰椎骨折(thoracolumbar fractures)”“脊柱骨折(spinal fractures)”,最终纳入55篇文献。结果与结论:①通过有限元法对不同病因(骨质疏松性、创伤性、病理性)导致的胸腰椎骨折进行探索,有利于对各种类型胸腰椎骨折的生物力学特征有更加深刻的认识,完善对胸腰椎骨折的个性化和精细化治疗;②单一样本或数量较少样本的有限元分析具有偶然性,未来的有限元分析需要更大的样本数量来减少样本偶然性带来的误差;③仅骨骼的刚性结构不能满足实物的完整性所具有的生物力学工况,未来的有限元模型需要尽可能纳入实物的所有结构(例如肌肉、韧带等软组织);④有限元法在骨质疏松性和创伤性胸腰椎骨折方面的研究较多,未来需要进行更加深入的研究;病理性胸腰椎骨折领域的研究较少,未来研究范围较广。

股骨颈动力交叉钉联合空心钉治疗Pauwels Ⅱ型中青年股骨颈骨折的有限元分析

背景:股骨颈骨折是一种还未被解决的骨折,虽然涌现了空心螺钉、动力髋螺钉及股骨颈动力交叉钉等效果较好的植入物,但对于Pauwels角和剪切力较大的股骨颈骨折的最佳内固定方案尚无定论。目的:采用有限元分析法研究不同置钉位置的股骨颈动力交叉钉联合空心螺钉治疗PauwelsⅡ型中青年股骨颈骨折的生物力学特性。方法:根据提取的志愿者股骨CT数据建立Pauwels角为50°的股骨颈骨折模型,将股骨颈均分为3等分,构建4组模型:A组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈中间1/3;B组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈下1/3;C组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈下1/3+空心螺钉位于股骨颈上1/3;D组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈中间偏前内侧1/3+空心螺钉位于股骨颈中间偏后内侧1/3。在1200 N的载荷下测量4组股骨、内固定模型的应力分布及峰值、最大变形情况和骨折断面的应力分布。结果与结论:①通过有限元分析可知,C组的股骨及内固定模型的应力分布及峰值、最大变形情况和骨折断面的应力均小于其余3组;②B组相较于A组有着更小的股骨骨质、内固定物和骨折断面应力和位移,说明股骨颈动力交叉钉头钉放置于股骨颈下1/3比中1/3更稳定;③结果表明,股骨颈动力交叉钉头钉位于股骨颈下1/3联合股骨颈上1/3平行放置螺钉对青壮年PauwelsⅡ型股骨颈骨折具有更好的稳定性,是治疗该类型骨折的有效选择。

有限元分析冠状动脉新型刻痕球囊的安全性及有效性

背景:目前临床上使用的冠状动脉介入预扩张球囊主要是传统的高压球囊、乳突球囊等,它们在病变血管中可能会出现滑脱进而擦伤血管的情况。目的:评估新型旋刻球囊在血管扩张中的安全性及有效性。方法:(1)有限元分析:通过采集相关人体组织数据建立血管三维有限元模型,随后建立乳突球囊植入血管三维有限元模型与旋刻球囊植入血管三维有限元模型,分析不同充气压下球囊扩张时的血管应力、血管位移、球囊应力、球囊位移。(2)动物实验:将8只新西兰大耳兔随机分成2组,在髂动脉中分别植入乳突球囊与旋刻球囊进行扩张,每组4只。球囊撤出后取材,苏木精-伊红染色与透射电镜观察血管损伤情况。结果与结论:(1)有限元分析:两种球囊的弹力性质无明显差异,在相同充气压下,乳突球囊组血管应力、血管位移、球囊应力、球囊位移均远远大于旋刻球囊组,并且各指标的均匀性优于旋刻球囊组;随着充气压的增加,乳突球囊组血管应力、血管位移、球囊应力、球囊位移增加幅度远远大于旋刻球囊组。(2)动物实验:苏木精-伊红染色与透射电镜观察显示,旋刻球囊扩张造成的血管损伤只局限在内膜,而乳突球囊扩张造成的血管损伤比较严重,内膜、中膜损伤严重,部分节段可以看到血肿形成,血管周围的炎性细胞较多,局部可见有巨噬细胞堆积。(3)结果表明:相较于乳突球囊扩张,旋刻球囊扩张造成血管闭塞以及夹层的风险较小,但有一定出现球囊弯曲的概率。

多层织物-空气-皮肤热传递模型有限元仿真

为了研究热防护服和皮肤在低辐射热载荷作用下的温度分布规律,进行织物层热分析,利用有限元软件搭建包含外层、防水透气层、隔热层、舒适层的4层织物和皮肤几何模型,并进行整体温度预测。首先根据织物参数,建立单层织物模型,并验证模型可靠性;参照人体真实情况建立皮肤模型,依托于皮肤各层温度分布情况验证模型准确性。最后建立热防护服多层织物-空气层-皮肤整体系统几何模型,研究织物-空气-皮肤的热量传递,预测织物、人体在不同环境温度下的温度情况。认为:模型能够较准确显示不同位置的温度分布,具有一定合理性。

一维有限元的EEP单元及其自适应分析

对m(>1)次单元,基于单元能量投影(element energy projection,简称EEP)法提出的简约格式位移解u∗具有比常规有限元解uh至少高一阶的精度,据此提出了EEP单元概念,并给出以EEP单元作为最终解的自适应有限元求解策略.通过编制相应的计算程序分析了一维非自伴随问题,计算结果与理论预期吻合较好,验证了自适应求解策略的有效性和可靠性.研究结果表明:该法可以给出按最大模度量、逐点满足误差限的解答,相较于常规单元,最终的求解单元数更少.

TVT与TVT-O不同位置治疗老年女性压力性尿失禁的有限元分析

目的用有限元分析的方法模拟老年女性压力性尿失禁(Stress urinary incontience,SUI)常见吊带手术:经耻骨后无张力尿道吊带(Tension-free vaginal tape,TVT)和经闭孔无张力尿道吊带(Tension-free vaginal tape-obturator,TVT-O),评估它们在尿道不同位置的治疗效果。方法根据一名无盆底疾病女性的磁共振(MRI)图像构建盆腔几何模型。将老年阴道组织薄弱认定为组织刚度降低,施加腹压模拟valsalva运动并分别在尿道近端、中远端、远端放置TVT与TVT-O,得出力学数据。结果尿道近端的吊带会导致α角与膀胱颈位移小于正常值。“漏斗”现象在吊带位于尿道近端与中远端时消失,位于尿道远端时依然存在;不同位置吊带与尿道之间的压强大小关系为:近端>中远端>远端。结论尿道近端(30%)的吊带容易导致尿道过紧,引起术后并发症;尿道远端(80%)的吊带治疗效果不佳;尿道中远端(60%)的吊带治疗效果好、术后并发症发生率低。尿道中远端放置TVT应该作为老年女性SUI手术的首选方法。

三种内固定方法治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折伴前内侧骨缺损的有限元分析

背景:不稳定型股骨颈骨折伴前内侧骨缺损是非常少见且难以处理的,治疗此种骨折的最佳内固定方案一直是骨科医生中持续争论的话题。目的:通过有限元分析评估不同内固定方式治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折伴前内侧缺损的生物力学性能,以期为临床手术决策提供实验支撑。方法:利用Mimics 21.0、Geomagic和Solidworks软件构建伴有前内侧缺损且Pauwels角为70°的股骨颈骨折模型,模拟3种内固定方法:A组(3枚空心钉+内侧钢板)、B组(股骨颈动力交叉钉+1枚空心钉)和C组(4枚空心钉“菱形固定”)。在3倍体质量2100 N的载荷下分析3组模型股骨、内固定以及股骨头的应力和位移变化。结果与结论:①A组模型的股骨整体应力最小,且受力更加均匀且分散;B组内固定模型的应力较小,说明其具有更好的应力分散和抗剪切的作用;A组股骨应力侧的应力明显小于其余两组,且未发生应力集中现象;②A组无论是整体股骨模型、内固定或是股骨头的位移均小于其余两组,说明空心钉联合内侧钢板能够起到更好的稳定作用,可减少髋内翻的发生;③3枚螺钉联合内侧支撑钢板应用于垂直、不稳定且前内侧骨缺损的股骨颈骨折,可显著提高骨折的稳定性,提高对变形力的抵抗力,是治疗该类型骨折的不错选择。

青少年特发性脊柱侧弯的三维有限元模态分析

背景:青少年特发性脊柱侧弯是一种常见的脊柱畸形,严重影响患者的身心健康。模态分析将集中于解析胸椎的自然振动特性以及其在外部振动影响下的稳定性和响应,这一分析不仅有望增进对青少年特发性脊柱侧弯胸弯的理解,而且能为开发新的治疗策略、设计个性化支具和评估手术结果提供新的视角和方法。目的:建立三维有限元模型,评估青少年特发性脊柱侧弯患者全胸椎和椎间盘在不同振动频率下的响应模式,确定潜在的损伤风险频率范围。方法:研究于2023年6月至2024年6月在新疆医科大学第六附属医院和新疆大学博达校区机械工程学院共同完成。研究对象为1例重度青少年特发性脊柱侧弯胸弯患者,采用西门子双源螺旋CT机扫描获取CT图像,通过Mimics、Geomagic Studio、Solidworks和Hypermesh等软件建立精细的T_(1)-T_(12)全胸椎三维有限元模型。利用Abaqus软件对模型进行模态分析,获得全胸椎和椎间盘的前12阶模态最大振幅及其对应的振型。结果与结论:①模态分析结果显示,全胸椎和椎间盘在低阶模态下主要围绕X、Y轴发生弯曲及扭转,而在高阶模态中则增加了围绕Z轴的旋转;②T_(1)-T_(3)和T_(6)-T_(8)节段表现出最为显著的变形和较高的载荷负担,提示这些区域在脊柱侧弯发展中起关键作用;③当固有频率长期集中在98.832-121.97 cycles/s时,全胸椎和椎间盘的振动位移较大,可能导致脊柱损伤;④通过有限元模态分析,可为了解青少年特发性脊柱侧弯患者整个胸椎和椎间盘在不同振动频率下的响应提供科学依据,从而为临床治疗、预防,特别是与振动相关的防护策略提供了重要见解;此外,通过识别损伤风险的潜在频率范围,可为制定青少年特发性脊柱侧弯患者的振动防护措施和优化脊柱护理策略提供重要依据。

基于有限元分析的大理、丽江地区穿斗式木结构山架抗震性能

通过实地调查,分析了大理、丽江地区木结构榫卯结构的配置情况以及二者结构上的差异。为了研究二者的抗震性能与受力特性,通过有限元软件对两个地区的典型穿斗式木结构山架进行低周往复荷载模拟。结果表明:丽江地区穿斗式木结构山架抗震性能优于大理地区,两地木结构的薄弱点均在横向构件与纵向构件的榫卯节点处,榫卯节点的薄弱点位于榫头末端,二者的抗侧刚度均不高,易在水平荷载下倾斜。

肌肉负荷对股骨干骨折早期愈合生物力学影响的有限元分析

背景:以往的研究多通过忽略肌肉负荷和采用简化股骨负荷的方式,进行骨折早期愈合的生物力学分析。然而,肌肉负荷对骨折早期愈合产生的生物力学影响尚不清楚。目的:构建不同的股骨负荷模型,研究肌肉负荷对骨折愈合的生物力学影响,帮助临床医生更好地理解骨折愈合的生物力学过程,优化治疗方案。方法:利用AnyBody Modeling System软件构建个性化的人体肌肉骨骼系统,通过仿真分析以获取体内的肌肉骨骼负荷模型。该模型和采用改进简化负荷方法、简化负荷方法构建的股骨负荷模型,分别作为有限元输入的边界条件,对站立状态下锁定加压钢板应力应变、骨折块应变进行分析。结果与结论:(1)与简化负荷方法相比,肌肉骨骼方法得到的锁定加压钢板应力、应变和骨折块应变分别小了31.9%;38.9%和19.5%;(2)肌肉骨骼方法与改进简化负荷方法对比发现,忽略肌肉负荷则会造成锁定加压钢板的应力、应变和骨折块应变分别高估16.8%,14.3%和19.5%,肌肉负荷对骨折块的剪切运动大小无明显影响,而对运动方向有明显的影响;(3)结果表明,简化股骨负荷和忽略肌肉负荷的方法与肌骨骨骼负荷情况存在一定的偏差,因此,在研究骨折愈合时需考虑肌肉负荷的生物力学影响。

不同厚度及刚性隐形矫治器内收上颌前牙的有限元分析

背景:隐形矫治器因其特殊的材料性能,在拔除上颌第一前磨牙内收前牙关闭间隙过程中更易发生“过山车效应”,牙齿倾斜移动,导致前牙覆牙合加深、后牙开牙合。是否可以通过改变矫治器厚度或刚性减轻“过山车效应”,更好地控制正畸牙移动,目前相关研究较少。目的:通过三维有限元分析不同厚度及刚性隐形矫治器内收上颌前牙时控制牙齿移动能力方面的差异。方法:将侧貌凸患者的锥形束CT数据导入Mimics等软件,模拟临床病例,构建去除第一前磨牙后包括上颌骨、牙齿、牙周膜的三维有限元模型,装配0.50,0.75 mm 2种厚度膜片的隐形矫治器,通过软件加载1000,2000 MPa 2种弹性模量的材料属性,总共构建4组模型工况。按照临床矫治方案设计关闭拔牙间隙,在Workbench 2023 R1软件中加载并计算,分析牙周膜应力分布、牙齿位移趋势及牙齿初始位移量。结果与结论:(1)4种模型工况下的牙周膜Von-Mises应力分布规律一致,牙周膜最大等效应力主要分布在牙颈部,并且矫治器膜片越厚牙周膜Von-Mises应力越大、矫治器膜片弹性模量越大牙周膜Von-Mises应力越大;(2)4种模型工况下的上颌牙列整体位移趋势为前牙冠舌向、根唇向的移动,后牙冠近中移动、根远中移动,牙齿的冠、根位移方向均相反,牙冠位移量大于牙根位移量;除尖牙外,其余牙齿均呈现矫治器膜片越厚R/C值(牙根移动量与冠移动量比值)越小、矫治器膜片弹性模量越大R/C值越小的趋势;(3)结果表明,利用隐形矫治器内收上颌前牙时,在不设计切牙转矩补偿的情况下牙齿表现为倾斜移动趋势,矫治器厚度和弹性模量越大时对牙齿控的制能力越强,牙齿倾斜移动趋势减小;尖牙则需通过其他辅助手段进行控制。

旋提手法治疗神经根型颈椎病的应力及椎间孔形态学特征:三维有限元分析

背景:颈椎旋提手法治疗神经根型颈椎病的临床疗效确切,安全性较好,已广泛应用于临床中,但其对各节段颈椎椎体、椎间盘的生物力学及椎间孔面积的影响尚未系统阐明。目的:基于三维有限元分析技术开展相关研究,为旋提手法治疗神经根型颈椎病的效应机制提供数字化证据。方法:选择1例颈背部无异常疾患的志愿者,将其颈椎旋转至生理极限体位状态下的CT影像资料作为有限元模型材料。分别通过Mimics19.0、Geomagic Studio 2013、Hypermash 14.0及ANSYS Workbench 2020 R2软件完成对有限元模型的初步构建,基于文献完成颈椎各组织结构的弹性模量、弹性系数赋值,基于团队前期工作基础在模型上加载旋提手法的力学工况,分析颈椎旋提手法对C3-T1节段各椎体、椎间盘的力学参数及其对颈椎旋颈对侧椎间孔面积的影响。结果与结论:(1)旋提手法实施时,骨性结构的应力明显高于椎间盘等软组织;(2)手法操作时各颈椎椎体顶部椎板处应力高,底部椎板处应力低,关节突关节处及横突处应力较低;而各椎间盘顶部髓核处应力较低,底部与椎板连接处应力较高,但椎间盘应力最高点在顶部外侧纤维环处;(3)另外,加载提扳力后较之加载前,C6/C7节段椎间孔投影面积明显增大;(4)提示旋提手法操作具有改变颈椎本身应力结构的力学特征,并能扩大患者旋颈对侧的C6/7椎间孔面积,实现治疗神经根型颈椎病的目的。

有限元分析技术在膝关节生物力学应用中的特点与优势

背景:有限元分析是一种先进的计算机工程技术,利用数学近似的方法对真实人体进行模拟,可以真实反映膝关节结构内部的生物力学特征,为理解膝关节疾病发病机制、优化手术方案以及开发新型植入材料提供了有效的工具。目的:对膝关节有限元模型的建立及其在膝关节疾病研究中的应用进行综述,并展望了未来的发展趋势。方法:第一作者于2024年4月以“Finite Element Analysis,FEA,knee joint,Finite Element Model,Knee Biomechanics,Knee Osteoarthritis,Knee Prosthesis,Knee Ligaments,Meniscus”为英文检索词在PubMed和EI数据库进行检索,以“有限元分析,有限元模型,膝关节,生物力学,骨关节炎,计算模型,膝关节假体,膝关节韧带,半月板”为中文检索词在中国知网和万方数据库进行检索,最终纳入75篇文献进行分析。结果与结论:①有限元分析法利用医学影像数据获得三维人体模型,将复杂的人体关节结构简化为有限且相互连接的单元,通过对模型施加外部载荷,直观地显示膝关节内部的应力分布。②研究者通过有限元分析深入研究膝关节在不同工况下的内部应力和应变分布,可发现膝关节内部载荷分配平衡改变时,关节软骨的过度载荷及部分区域的负荷下降,这种长期异常应力会引起软骨变形和磨损,最终缺失,对于理解生物力学因素如何引起膝关节退行性变至关重要。③有研究通过有限元分析评估膝骨关节炎患者采用太极拳、步态调整等物理治疗方法的效果,结果显示这些治疗方法减少了软骨的过度负荷,为临床治疗提供了科学理论依据。④临床医生通过有限元分析在手术前进行三维重建、数据测量和模拟手术,能够优化手术治疗策略;此外,还可以通过模拟不同假体的力学特征,改进假体的形状、材料和固定方式,减少患者的并发症,提高患者的治疗效果。⑤人工智能与有限元分析相结合使得有限元模型的构建更为精确和易于操作,极大提高了临床医生医疗实践的效率和患者的治疗效果。⑥有限元分析仅是数字化的模拟,与真实物理状态仍存在一定差异。