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。

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。

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。

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。

有限元法构建退行性脊柱侧弯模型:病因与治疗中的生物力学分析

背景:退行性脊柱侧弯是指发生在成年之后,脊柱冠状面Cobb角度>10°伴有矢状面畸形和旋转脱位,常常产生脊髓、神经受压症状,如腰疼、下肢疼痛、麻木、无力、神经源性跛行等。有限元法是一种计算机建模的力学分析技术,通过建立数字化网格模型,能真实还原人类脊柱模型并可进行脊柱力学研究。目的:综述有限元法在退行性脊柱侧弯病因及治疗中的应用。方法:在文献数据库中国知网、PubMed、Web of Science中检索2023年10月之前发表的有关有限元分析法在退行性脊柱侧弯中应用的文献,英文检索词为finite element anaysis,biomechanics,stress analysis,degenerative scoliosis,adult spinal deformity,中文检索词为有限元分析法、生物力学、应力分析、退变性脊柱侧凸、成年性脊柱侧凸。最终纳入文献54篇。结果与结论:①运用有限元法构建的退行性脊柱侧弯模型得出的生物力学研究结果,与体内试验研究结果相同,证明有限元法在退行性脊柱侧弯中具有较高的实用价值;②通过有限元法对退行性脊柱侧弯的病因与治疗进行研究,有利于预防其发生、减缓其进展、制定出更合适的治疗方案、减少手术并发症出现、促进患者术后康复等;③有限元法从材料单一的骨性结构逐渐发展到纳入肌肉韧带等软组织的阶段,且小样本含量越来越无法满足研究需要;④有限元法在退行性脊柱侧弯领域有较大的发展空间。

个性化GYROID结构髁突假体:设计及有限元分析

背景:目前国内外制作的颞下颌关节假体在置换过程中需要依靠螺钉固定假体中的髁突部分,通过预留固位孔方便术中进行操作,但由于缺少个性化的颌骨设计,可能存在固位板与颌骨不贴合导致螺钉松动、脱位。因此,个性化髁突假体置换在修复颞下颌关节中具有重要的应用价值。目的:设计一种内部为GYROID结构的个性化髁突假体,用于下颌骨髁突的修复重建。方法:在Rhinoceros 7软件中选择GYROID结构,单胞为6 mm,设置壁厚分别为0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm,利用有限元分析GYROID结构的力学性能。3D打印不同壁厚(0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm)的GYROID结构实验试件,通过室温压缩实验检测试件的力学性能。通过有限元分析与室温压缩实验结果筛选符合下颌骨力学性能范围的一个壁厚值,对1名成年男性下颌骨CT数据进行逆向建模,设计内部为GYROID结构的髁突假体,采用有限元分析模拟髁突假体置换后牙尖交错颌位与对刃颌位的运动。结果与结论:(1)有限元分析与室温压缩实验结果显示,随着壁厚的增大,GYROID结构的弹性模量增大,其中壁厚0.5-0.7 mm GYROID结构的弹性模量位于下颌骨的弹性模量(1.5-4.0 GPa)范围内,因此选取壁厚值0.6 mm的6 mm单胞GYROID结构模型进行髁突假体的设计;(2)有限元分析结果显示,下颌骨模型的应力分布呈左右对称,两种咬合时的应力分布大致相同,应力峰值无较大差距,应力集中于髁突假体颈部,置换侧受力较健侧略大;内固定模型整体的最大等效应力为269.34 MPa,螺钉的最大等效应力为20.14 MPa,牙尖交错颌位时假体的等效应力和等效应变值均大于对刃颌位时,牙尖交错颌位时螺钉的等效应力和等效应变值均小于对刃颌位时;(3)结果显示个性化GYROID结构髁突假体的设计与固位效果良好,符合下颌骨力学传导。

有限元分析不同程度冈上肌断裂对肩关节应力的影响

背景:目前研究冈上肌的精细解剖及各亚区域的生物力学表现的实验较多,但是对冈上肌不同区域的损伤所带来的肩关节应力的影响鲜有耳闻。很有必要了解不同区域的冈上肌损伤对关节软骨及关节盂的应力大小及分布的影响,从而给临床诊治提供一些理论支持。目的:探究在三维有限元软件中模拟不同程度的冈上肌断裂对肱骨软骨面、关节盂唇及关节盂软骨关节面的最大应力值。方法:获取正常健康的肩关节CT或MRI导入Mimics、Geomagic进行提取模型,再通过Soildworks对模型构建,再对各个模型的冈上肌进行不同程度的损伤,模拟出不同区域的断裂。最后导入机械软件Ansys,进行三维有限元生物力学分析,计算肱骨软骨面、关节盂唇及关节盂软骨关节面的应力数值。结果与结论:①随着冈上肌损伤程度的加重肩关节软骨面及盂唇的应力也会增加;②冈上肌前部在各区域中最为重要;③不同程度的冈上肌断裂对肩关节盂唇面的软骨应力大小有影响,而应力的分布区域无明显改变;④提示肩关节水平外展起始时,前部发挥着重要的作用,其次为后部深区;当冈上肌前部损伤时肩关节软组织应力增加明显,还容易引起关节盂唇顶部及关节盂软骨前下方的损伤。

后外侧胫骨平台骨折应用万向螺钉的有限元分析

背景:通过腓骨头上入路治疗后外侧胫骨平台骨折时,腓骨头与外侧平台间隙差无法满足所有患者行钢板后置。目的:有限元法分析腓骨头上入路治疗后外侧胫骨平台骨折过程中钢板横臂万向螺钉角度以及数量不同导致固定强度的差异。方法:选用一名30岁健康成年男性志愿者膝关节至踝关节的CT图像,建立有限元模型。根据外侧锁定加压钢板是否后置分为后置组和非后置组,后置组根据2枚万向螺钉的偏移角度分为A-D组(0°,5°,10°,15°);非后置组根据2枚万向螺钉的偏移角度分为E,F组(0°,15°)。采用有限元法评估250,500,750 N载荷下的von Mises应力分布、最大von Mises应力和压缩位移,探究各组之间的力学差异。结果与结论:①有限元分析结果显示:750 N载荷水平下,内固定装置的最大压缩位移趋势为D<B=C=F<A<E,最大von Mises应力趋势为B<C<A<D<F<E,骨的最大压缩位移趋势为C=D<B<A<F<E,最大von Mises应力趋势为B<C<A<F<D<E;6组模型在250-750 N的位移和应力趋势相似;②提示通过腓骨头上入路固定后外侧胫骨平台骨折,应尽量满足钢板后置2枚螺钉固定;当术中后置钢板仅满足1枚螺钉固定时,可使用万向螺钉在0°-15°范围内后偏,增加2枚螺钉的固定概率。

骨质疏松患者单髁置换过程中股骨假体置入位置优化的有限元分析

背景:骨质疏松患者行单髁置换过程中,股骨假体的合理置入范围尚未见研究,既往的相关研究常建立在正常骨质的单髁置换模型上,而对于非正常骨质模型的力学研究较少。单髁置换后的并发症已经被证实与骨质疏松高度相关。目的:采用有限元法分析Sled固定平台股骨假体冠状倾斜度对骨质疏松患者单髁置换后生物力学的影响,并且寻找骨质疏松与单髁置换后中远期并发症的相关性。方法:基于数字化影像技术获取膝关节和假体的数据,再通过Mimics、Geomagic studio等专用软件建立一个正常骨质膝关节模型。基于已验证的正常骨质膝关节模型,通过改变材料参数创建骨质疏松膝关节模型。以Sled固定平台股骨假体标准位置(0°)为基准,正常骨质组与骨质疏松组分别依次建立股骨假体内、外翻3°,6°,9°,共计14个单髁置换模型,计算并分析所有单髁置换模型中聚乙烯衬垫表面、胫骨假体下松质骨和皮质骨的应力变化。结果与结论:(1)在骨质疏松模型中,聚乙烯衬垫表面和胫骨假体下松质骨的高应力值随股骨假体倾斜角度的增加而增加,胫骨假体下皮质骨表面的高应力值随假体外翻角度的增加而增加,随内翻角度的增加而减小;(2)对于聚乙烯衬垫表面以及胫骨假体下皮质骨表面,骨质疏松组各倾斜角度模型的高应力值均大于正常骨质组中对应的模型;对于胫骨假体下松质骨表面,骨质疏松组各倾斜角度模型的高应力值均小于正常骨质组中对应的模型;(3)骨质疏松可能会引起单髁置换术后膝关节内部结构的生物力学异常,增加术后假体无菌性松动和假体周围骨折的潜在风险;骨质疏松性膝关节行Sled固定平台内侧单髁置换时应尽可能避免股骨假体在冠状面上内翻/外翻。

不同骨质条件下超短种植体应用于下颌后牙区的有限元分析

背景:有研究利用三维有限元方法分析了种植体在不同皮质骨厚度中的应力情况,得出皮质骨厚度影响种植体-骨界面位移值、等效应力值及种植体各部件等效应力值的结果。目前超短种植体在不同下颌骨骨质中的临床应用还存在不确定性。目的:利用三维有限元法分析超短种植体在下颌骨不同骨质中的应力分布及骨组织的应力分布情况。方法:选取1名下颌第1磨牙缺失患者的CT影像资料,利用Mimics软件创建下颌骨第1磨牙区域的模型,根据超短种植体奥齿泰系统中5 mm×5 mm TSⅢ型号绘制出所需要的植体及上部修复体模型,使用Geomagic Studio的偏置命令获取下颌4类不同骨质的模型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类),将所有模型整合并交叉组合,给予不同方向载荷,分析各类模型受力后的范氏等效应力分布。结果与结论:(1)垂直载荷时:皮质骨最大应力在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类骨质中相对于Ⅳ类骨更趋向于稳定,力也从分散于种植体周围到Ⅳ类骨时逐渐集中至种植体颈部与皮质骨连接处;Ⅰ类骨中最大等效应力峰值在中央螺丝区域,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类骨中最大应力峰值则统一在种植体颈部与基台连接处。(2)侧向载荷时:皮质骨最大应力随着骨质条件的减弱呈逐渐增大的趋势;Ⅰ-Ⅳ类骨质中,最大应力峰值都集中在种植体与基台连接处,Ⅰ-Ⅲ类骨中种植体本身所受应力随着骨质的减弱表现出逐渐增大的趋势,到Ⅳ类骨时应力有所减小,此规律同样适用于修复体基台以及松质骨所受应力。(3)各类骨质中侧向载荷时所受到的最大应力值比垂直向载荷更大。

三种内固定方式治疗AO/OTA A3型股骨远端骨折的有限元分析

背景:股骨远端骨折的患者年龄呈双峰分布,多见于高能量损伤的青壮年和低能量损伤的老年人。对于复杂的股骨远端骨折,单一的股骨远端外侧微创内固定系统或股骨逆行髓内钉的固定方式可能无法实现骨折愈合的稳定环境,因此常常需要联合固定。目的:设计了一款针对股骨远端A3型骨折的新型联合内固定方式(微创内固定系统+胫骨逆行髓内钉),使用有限元方法与2种常用联合固定方式——双钢板(微创内固定系统+锁定加压钢板)和钉板联合(微创内固定系统+股骨逆行髓内钉)固定的生物力学性能进行对比分析,为股骨远端型骨折临床内固定的选择提供理论依据。方法:选择一名23岁健康男性志愿者的股骨CT图像,基于Mimics与Geomagic Studio软件重建股骨三维模型,并与其他文献所做体外有限元分析数据比较,验证此次制作股骨三维模型的有效性。使用Creo 5.0软件建立股骨远端A3型骨折模型与内固定三维模型,对股骨骨折模型与3种联合内固定方式(微创内固定系统+胫骨逆行髓内钉、微创内固定系统+锁定加压钢板、微创内固定系统+股骨逆行髓内钉)进行装配并行布尔运算,建立3组有限元模型。随后导入Abaqus有限元分析软件中赋予材料属性,施加相同的边界条件与3种载荷(正常站立、缓慢行走、下楼梯)提交计算,分析3组模型受力后内固定应力分布、股骨整体与局部变形情况,评估新型联合内固定方式(微创内固定系统+胫骨逆行髓内钉)的失效风险与抗变形能力。结果与结论:①微创内固定系统+胫骨逆行髓内钉抗变形能力虽然低于微创内固定系统+锁定加压钢板10%左右,但与微创内固定系统+股骨逆行髓内钉相当,具备良好的抗变形能力;②3种联合内固定方式的股骨刚度基本不随步态发生变化;随着载荷的增加,股骨位移量基本呈线性增加,稳定性较高;③微创内固定系统+胫骨逆行髓内钉内固定的失效风险低于其他两种方案,相比微创内固定系统+锁定加压钢板失效风险降低2.94%;④新型联合固定方式在抗变形能力与安全有效性方面均具备一定的优势,为进一步的临床推广应用奠定了理论基础。

髓内与髓外固定股骨颈基底部骨折的有限元分析:PFNA与FNS

背景:股骨颈基底部骨折生物力学稳定性差,治疗方案与传统股骨颈骨折有所差别,目前临床上治疗青年股骨颈基底部骨折的手术方案仍未达成统一。目的:通过有限元分析比较股骨近端防旋髓内钉与股骨颈动力交叉钉治疗股骨颈基底部骨折的生物力学特征。方法:首先使用Mimics Medical 21.0软件提取健康青年女性志愿者右侧股骨CT数据建立初步模型;然后将该模型导入Geomagic Wrap 2021软件进一步光滑处理;利用SOLIDWORKS 2021软件建立股骨颈基底部骨折模型、股骨近端防旋髓内钉模型、股骨颈动力交叉钉模型并进行装配;最后将装配后的模型导入Workbench 2021 R1软件进行生物力学分析。结果与结论:(1)应力分布:股骨近端防旋髓内钉组股骨模型应力分布主要在骨折线附近及股骨内侧,应力峰值为151.90 MPa;股骨颈动力交叉钉组股骨模型应力分布主要在骨折线附近,应力峰值为290.74 MPa;股骨近端防旋髓内钉内固定应力主要分布在螺旋刀片及主钉近端,应力峰值为102.95 MPa;股骨颈动力交叉钉内固定应力分布主要由支撑棒向两边延伸,应力峰值为184.69 MPa;(2)总位移:股骨近端防旋髓内钉组股骨模型最大位移为4.032 3 mm,股骨颈动力交叉钉组股骨模型最大位移为4.648 9 mm,最大位移均位于股骨头;股骨近端防旋髓内钉组内固定与股骨颈动力交叉钉组内固定位移峰值分别为2.709 4 mm与3.130 3 mm,两组内固定位移均主要集中在内固定近端,逐渐向远端递减;(3)提示在股骨颈基底部骨折的模型中,无论是股骨模型还是内固定模型,股骨近端防旋髓内钉相较于股骨颈动力交叉钉应力分布更分散、应力峰值更低、股骨头位移更小,生物力学稳定性更优。

有限元分析不同内固定方式治疗肱骨近端骨折的力学差异

背景:目前临床中治疗肱骨近端骨折的钢板内固定方式仍无绝对标准,但重建内侧肱骨距并有效抵抗肱骨头内翻移位是实现肱骨近端骨折坚强固定的要点。目的:利用有限元分析技术获得3种内固定方式作用于肱骨近端骨折的力学差异,对比何种内固定方法可以提供更加稳定的固定支撑。方法:选择一名健康女性志愿者进行左肩关节的CT扫描,通过有限元分析软件构建肱骨近端骨折伴内侧柱支撑缺损模型。根据钢板内固定方式将模型划分为3组:A组仅在外侧应用Philos钢板固定;B组外侧应用Philos钢板联合内侧微型直行锁定加压板固定;C组外侧Philos钢板联合前内侧微型直行锁定加压板固定。在相同的固定支撑和约束条件下,采用ANSYS分析软件评估3组内固定模型的生物力学稳定性。结果与结论:①3组内固定模型的内固定物应力均未超过450 MPa;②不同载荷条件下,A组肱骨和内固定物的应力较高于B、C两组,而C组的肱骨和内固定物的应力均为最小值;③在屈曲载荷条件下,C组的相对位移对比A、B两组数值较小;④所有载荷条件下,B组的骨折端相对位移是最小的;在内收、外展以及轴向压缩的载荷条件下,B组的相对位移大约只有A组的一半;⑤C组与B组之间的相对位移并没有显著的差异,且C组的相对位移也均小于A组;⑥结果发现,相较于仅应用外侧Philos钢板,外侧Philos钢板与内侧微型直行锁定加压板的联合应用,以及外侧Philos钢板与前内侧微型直行锁定加压板的联合应用,均展现出显著的内固定系统稳定性,后两种组合在内固定系统稳定性上并未呈现出明显差异;综合考虑临床实践中的操作难易程度,外侧Philos钢板与前内侧微型直行锁定加压板的联合内固定方式治疗肱骨近端骨折可能更具优势。

青少年颈椎间盘突出症有限元模型建立及应力分析

背景:颈椎间盘突出症可引起肩颈部疼痛、上肢放射性疼痛,发病率逐年上升并趋于年轻化,充分了解青少年颈椎生物力学特点,对于延缓青少年颈椎间盘突出症具有重要意义。目的:利用有限元分析技术重建正常青少年及青少年颈椎间盘突出症患者的颈椎模型,分析C_(1)-T_(1)颈椎椎体活动度和纤维环、髓核、终板及小关节软骨的生物力学特征。方法:选择正常青少年和青少年颈椎间盘突出症患者各1例,将连续扫描的颈椎CT原始影像数据以DICOM格式导入Mimics 21.0,分别重建C_(1)-T_(1);随后将建立好的模型导入3-Matic软件进行椎间盘重建,将完善的模型导入Hypermesh软件,对椎体、髓核、纤维环、韧带进行网格划分,生成有效的几何模型,赋予材料属性后将最终模型导入ABAQUS软件中。观察C_(1)-C_(7)各节段颈椎椎体在不同工况下的关节活动度,并分析各节段颈椎纤维环、髓核、终板及小关节软骨的生物力学特征。结果与结论:(1)正常青少年与颈椎间盘突出症青少年患者颈椎模型C1在6种工况下的关节活动度均高于其他椎体,且正常青少年各节段颈椎椎体活动度均大于颈椎间盘突出症青少年患者;(2)正常青少年颈椎模型纤维环及髓核应力最大值在C_(2-3)左侧屈工况(0.43 MPa,0.17 MPa),颈椎间盘突出症青少年患者颈椎模型应力最大值在C_(7)-T_(1)左侧屈工况(0.54 MPa,0.18 MPa);(3)正常青少年颈椎模型终板应力最大值在C_(3)上终板左侧屈工况(1.46 MPa),颈椎间盘突出症青少年患者模型终板应力最大值在C7下终板左侧屈工况(1.32 MPa);(4)正常青少年颈椎小关节软骨应力最大值在C_(2-3)左旋转工况(0.98 MPa),颈椎间盘突出青少年患者的小关节软骨在不同工况下以C_(1-2)应力增加最明显,应力最大在左侧屈(3.50 MPa);(5)提示与正常青少年相比,颈椎间盘突出症青少年患者颈椎曲度改变,颈椎整体关节活动度下降;颈椎间盘突出症青少年患者纤维环、髓核及终板在C_(7)-T_(1)节段应力明显增大;C_(1-2)左侧小关节软骨应力明显,颈椎曲度异常可能是引起应力改变的主要因素。

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。

生物可吸收板与微型钛板在不同骨质下颌骨骨折固定中的有限元分析

背景:下颌骨骨折在坚强内固定后的愈合受多种因素影响,包括接骨板的材料、骨折部位以及患者骨密度等,然而,目前对于不同骨质下下颌骨骨折固定稳定性关系的研究相对较少,并且缺乏科学的依据。目的:利用有限元法分析生物可吸收板和微型钛板固定不同骨质条件下颌骨骨折的稳定性。方法:根据ZARB和LEKHOLM提出的骨质分类方法,分别建立Ⅰ-Ⅳ类下颌骨骨折三维有限元模型,每类骨质条件下分别模拟下颌骨正中、体部和下颌角3个部位的骨折模型,采用生物可吸收板(或微型钛板)对上述骨折进行内固定,模拟健侧咬合状态,利用有限元分析骨折段的相对位移与内固定物应力分布情况。结果与结论:①随着骨质等级的增加,内固定物的最大应力值基本呈逐渐增加趋势,微型钛板组、生物可吸收板组下颌体部Ⅳ类骨质下的内固定物最大应力值最高,分别为382.74,96.11 MPa;在相同骨质条件下,钛板组各部位骨折模型的内固定物最大应力值均高于生物可吸收板组。②对于Ⅲ和Ⅳ类下颌骨正中部骨折,微型钛板组、可吸收板固定组骨折断端位移较大,超过了骨愈合极限值(大于150μm);对于Ⅳ类骨质下颌骨体部骨折,生物可吸收板组骨折断端位移超过了愈合极限值,微型钛板组骨折断端位移接近愈合极限值;在相同骨质条件与骨折部位下,微型钛板组骨折断端位移要小于生物可吸收板组。③结果显示,两种内固定物的强度和刚度均足以支持Ⅰ-Ⅳ类骨质下颌骨3种部位骨折的骨愈合,并且生物可吸收板的固定稳定性与微型钛板几乎相同,可以提供骨折早期的愈合条件。在治疗下颌骨骨折时应将下颌骨骨质类型纳入考虑因素,下颌骨骨质等级越高,骨折固定的稳定性越差,术后更易发生骨愈合不良等并发症。