Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型及胸椎钉道导靶3D模型的建立

背景：有研究表明后路矫形内固定及前路矫形内固定对于治疗成人特发性脊柱侧凸均可获得良好的临床效果,但哪一种方法对于Lenke3型成人特发性脊柱侧凸临床效果更佳,椎弓根螺钉发生断裂的风险更小,同时远期疗效更可靠尚无报道。目的：利用有限元分析软件建立Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型,同时建立胸椎钉道导靶3D模型,为其生物力学分析及科学置钉提供科学依据。方法：将1例28岁Lenke3型成人特发性脊柱侧凸志愿者从T₁至骶骨的CT图像以Dicom格式导入Mimics 16.0软件中,通过几何清理建立完整的脊柱侧凸三维模型,于椎体模型上利用Mimics 16.0软件中设计模块建立胸椎钉道导靶。将三维模型点云格式导入Geomagic Studio 11.0软件中,对模型进行一系列图像处理,最后将三维模型导入ANSYS 14.0有限元分软件中建立具有生物性能的有限元模型。结果与结论：成功建立了完整的Lenke3型成人特发性脊柱侧凸三维有限元模型,包括四面体单元440 975个和杆单元 580个,共计441 555个单元,1 077 318个节点。成功建立了12个胸椎的钉道导靶模型包括四面体单元4 682个,7 390个节点,试验建立了外形逼真的Lenke3型成人特发性脊柱侧凸三维有限元模型及其胸椎钉道导靶模型。结果证实,建立的Lenke3型成人特发性脊柱侧凸三维有限元模型,为进一步的生物力学实验提供科学依据,胸椎钉道导靶模型的建立为胸椎椎弓根螺钉置钉提供一种新的科学方法。  中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

脊柱侧凸三维有限元模型的建立及其意义

目的建立胸腰段脊柱侧凸的三维有限元模型。方法螺旋CT扫描脊柱侧凸患者T6椎体上缘至L1椎体下缘,所得图片经Photoshop处理后导入Simpleware软件,采用实体建模方法构建出每一椎体及椎间盘的实体模型,经过逆向工程软件Geomagic光滑、组装后导入有限元分析软件ABAQUS,进行网格划分建成脊柱侧凸的有限元模型。结果所建模型共划分了232315个单元,356830个节点,模型结构完整,单元划分精细,外观逼真,几何相似性好,能精确测量一定载荷下的应力和位移分布。结论本研究所建有限元模型有助于脊柱侧凸的生物力学研究,对于脊柱侧凸的治疗及个性化矫形支具的设计具有指导意义。     

青少年特发性脊柱侧凸腰主弯患者腰椎-骨盆的生物力学分析

文题释义： 青少年特发性脊柱侧凸：为脊柱三维平面上的畸形,会导致青少年脊柱结构发生明显的改变,结构的改变会导致椎骨及椎间盘应力发生相应的改变,且腰椎、骨盆在人体中的力学作用极为重要,青少年时期为人体脊柱生长发育的高峰期,脊柱结构及应力的改变在该时期的进展尤为明显。 背景：青少年特发性脊柱侧凸导致脊柱结构和应力发生改变,腰椎在脊柱中承受的载荷最大,骨盆也起着传导重力的作用,故青少年特发性脊柱侧凸腰主弯患者腰椎骨盆的生物力学分析尤为重要。 目的：建立青少年特发性脊柱侧凸腰主弯腰椎-骨盆三维数字化模型并进行有限元分析。 方法：根据1例13岁女性特发性脊柱侧凸腰主弯患者的腰椎-骨盆CT薄层数据,应用Mimics 15.0软件重建三维数字化模型,以Pro/E 5.0软件建立初步几何模型并导入Hypermesh 13.0进行网格划分,最终通过Abaqus 6.14软件对该模型进行有限元分析。分析有限元模型在6种载荷条件下的位移、应力变化及该模型各椎体及椎间盘的应力变化。患者家属对试验方案知情同意,且得到医院伦理委员会批准。 结果与结论：①建立了青少年特发性脊柱侧凸腰主弯患者的腰椎-骨盆的三维有限元模型;②模型在6种载荷条件下,L₁椎体上部在左、右侧屈时位移变化最大,骶骨下端在前屈时位移最大;③椎间盘右缘在右侧屈运动条件下所受应力最大;前屈位时,腰椎间盘所受应力为前缘最大,左缘所受应力最小;后伸位时后缘所受应力最大,而右缘所受应力最小;侧屈位及旋转位时,右缘所受应力最大,前缘所受应力最小;④L₅在6种运动中应力均最大,其中应力集中于上下关节突及椎弓根,尤其以右侧最为集中;⑤提示青少年特发性脊柱侧凸不同载荷会引起椎体或椎间盘不同位置受力及位移有相应变化,研究结果对脊柱侧凸的治疗和预防具有重要意义。 ORCID: 0000-0001-5810-6674(张聪) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

青少年特发性脊柱侧凸有限元模型建立与验证的研究现状及进展

背景：青少年特发性脊柱侧凸在中国发病率高,且病情复杂,对青少年的身心健康具有显著危害。基于患者医学影像建立有限元模型可有效分析脊柱应力,模拟不同治疗方法的恢复效果,为患者治疗方式的选择提供科学依据。但目前有限元模型的建立方式种类繁多,尚未形成统一标准,模型质量参差不齐,验证方法也有待完善。目的：从软件选择、关键结构建模(椎体、椎间盘、韧带和躯干模型)及材料赋值等方面综述近年来青少年特发性脊柱侧凸模型建立的研究现状,从几何形态、已有文献对比、实验验证等角度概述模型验证的研究进展,总结分析有限元模型的不足与发展方向。方法：第一作者于2021年12月应用计算机在Web of Science和中国知网数据库检索2010年1月至今发表的相关文献,以“Adolescent idiopathic scoliosis,Finite Element,Biomechanical”为英文检索词,以“青少年特发性脊柱侧凸、有限元、生物力学”为中文检索词,追溯高引用权威参考文献,最终纳入83篇文献进行综述分析。结果与结论：(1)有限元法能够重建脊柱的三维模型,通过生物力学分析模拟脊柱的生理状态,为青少年特发性脊...     

三维数字化手术设计在青少年特发性脊柱侧凸个性化手术中应用

目的　探讨青少年特发性脊柱侧凸数字化虚拟手术设计系统建立的方法及其在临床应用中的价值。 方法 选取1例青少年特发性脊柱侧凸患者,经16排螺旋CT扫描获取影像数据。采用Mimics 16.01软件对脊柱侧凸影像数据进行三维重建,并对三维重建模型进行数字化三维测量及置钉手术模拟。测量固定内植物的长度、横径及方向,模拟手术经过并在临床应用中使用术前模拟数据。 结果 重建出青少年特发性脊柱侧凸的三维数字化虚拟可视模型,配准虚拟螺钉和椎弓根-肋骨复合体的位置,使虚拟螺钉不穿透椎弓根内侧皮质及椎体前缘,设定完整的手术方案。利用术前规划方案进行手术,手术置钉效果满意,无螺钉穿透椎体前缘皮质和椎管皮质。 结论 验证了特发性脊柱侧凸手术术前三维数字化手术设计并制定手术方案,可以显著提高手术成功率。     

青少年特发性脊柱侧凸有限元模型的建立及其意义

本研究的目的是建立青少年特发性脊柱侧凸（AIS）患者脊柱的三维有限元模型，用于进一步研究AIS的支具治疗、手术治疗、病因和病理等领域的生物力学。为此，我们采用螺旋CT扫描AIS患者的T1上缘至骶尾骨末端，获得图像的DICOM格式文件，用Dieomworks软件将其转化为BMP格式的图像，经GETL＇T软件处理，获得点云的T）（T格式文件后，转入IMAGEWARE软件，将各层的点云连线后，输出保存为IGS文件格式，再转入通用有限元分析ANSYS8．0软件，利用软件的前处理工具进行蒙面，建立三维立体几何模型，继而赋予材料物理属性，进行网格划分，建成了三维有限元分析模型。结果显示所建模型外观逼真，与该AIS患者的脊柱几何形态相似性好。我们认为通过CT扫描获得准确的AIS患者脊柱的几何构型数据，并在此基础上可以建立高仿真个体化侧凸脊柱的有限元模型。     

Lenke 1型青少年特发性脊柱侧凸与正常脊柱有限元模型建立与分析

目的：建立青少年正常与Lenke 1 型侧凸脊柱三维模型,利用有限元方法分析脊柱受力情况,观察并分析 侧凸脊柱生物力学分布规律,用于评估脊柱侧凸的潜在发生机制。方法：收集内蒙古地区青少年正常胸腰CT资料, 选择13 岁正常青少年和15 岁脊柱侧凸（ 胸主弯,Lenke 1 型）青少年各一例,利用Mimics 及Ansys 软件分别对 脊柱三维模型进行重建并进行有限元分析,测量胸腰段脊柱各部位应力集中部位及比较其差异。结果：正常脊柱 应力、应变主要集中在中柱和后柱,侧凸脊柱应力应变主要集中在凹侧,椎间盘亦是如此。青少年正常脊柱应力 主要集中在中柱和后柱部分,应变主要集中在椎间盘部分。青少年特发性脊柱侧凸（AIS）的应力集中在椎体弯 曲的凹侧。纵观整个脊柱,从上端椎以上至下端椎以下,应力和应变的分布水平面移动,说明AIS 患者在发展过 程中存在椎体旋转,椎体旋转改变了应力与应变分布。 结论：AIS 的应力集中在脊柱弯曲的凹侧,应变主要集中 在椎间盘部分,应力与应变在弯曲的凹侧最明显,且顶椎最明显。椎骨和椎间盘上的不对称载荷可能是导致侧凸 起源和进展的原因之一。     

轻度青少年特发性脊柱侧凸有限元模型构建及分析

目的　构建轻度青少年特发性脊柱侧凸患者的有限元模型,验证该模型的有效性,并进行有限元分析。 方法　建立1例轻度青少年特发性脊柱侧凸患者第6颈椎至第5腰椎的有限元模型,从几何形态及力学两方面对该模型进行有效性验证。分析该有限元模型在模拟前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6种运动状态下,各椎体的应力变化。 结果　成功构建了轻度青少年特发性脊柱侧凸患者的有限元模型,模型总节点数为2561811个,总单元数为1547806个,并验证了该模型有效。模拟后伸、旋转活动时,畸形最明显处的椎体应力变化趋势与静态时相反。 结论　本实验所构建的轻度青少年特发性脊柱侧凸有限元模型有效,可进一步用于该疾病的相关研究。     

脊柱侧凸治疗进展中的有限元分析

背景：脊柱侧凸是一种包括椎体水平面旋转的复杂病理特点的三维脊柱畸形。有限元分析法可取代传统的生物力学实验法进行重复实验分析以及数字化仿真模拟,在脊柱侧凸的生物力学研究中的运用日益深入。目的：旨在强调运用有限元分析法对脊柱侧凸的支具和手术治疗方面进行简要的阐述。方法：以“脊柱侧凸;有限元”为检索词,检索PubMed数据库以及万方数据库1986年1月至2013年5月文献。选择文章主要内容与脊柱侧凸治疗的有限元分析直接相关的、代表性好、相关领域权威杂志的文章共38篇进行讨论。结果与结论：如何设计出更加符合脊柱侧凸生物力学特征的个体化支具已成为研究热点。利用多重影像学技术将肋骨、胸骨以及骨盆等引入有限元模型中,分析研究脊柱侧凸施加三维矫形力的最佳方式。研究发现施加载荷最佳的方式是在脊柱侧凸的凸侧区域。有限元分析法可预测和评估患者的矫形过程及效果,进而制定出合理的矫形治疗方案。有限元分析法模拟分析内固定器械与脊柱之间的应力分布情况,更有效的预防治疗后并发症的发生。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

脊柱侧凸有限元模型的建立和参数优化

脊柱侧凸种类繁多,为了建立特定患者脊柱的三维有限元模型,并进行生物力学相关的侧凸治疗、病因和病理等研究,参数优化是一个重要的步骤.本文采用螺旋CT扫描收集脊柱侧凸患者的几何学数据,通过系列的图像处理软件和有限元分析软件,建成脊柱侧凸的三维有限元分析模型.该模型初始的材料属性和皮质骨厚度来自文献.其后赋予模型不同材料属性和皮质骨厚度,模拟左、右侧曲试验.首先将计算的结果与临床试验对照,应用SPSS软件进行正交设计数据处理,实现模型材料性质和皮质骨厚度的参数优化.然后再利用优化后模型模拟侧屈和牵引实验,计算结果和临床实验进行对照.结果显示材料性质和皮质骨厚度优化后的模型,其生物力学行为和临床一致.因此,在初步建立的脊柱侧凸的有限元模型的基础上,进行参数优化后的模型有助于深入了解个体的侧凸脊柱的生物力学特征.     

构建上颌第一磨牙及牙周支持组织的有限元模型

背景：有研究表明有限元方法可较好的模拟结构复杂、形状不规则物体的生物力学分析,其中有限元模型的相似性对研究结果具有重要影响,但理想模型的建立却是有限元研究中最耗时且最复杂的内容。 目的：建立上颌第一磨牙及牙周支持组织有限元模型,为上颌第一磨牙进行生物力学研究提供基础。 方法：选取一位上下颌牙列完整、牙周组织健康的志愿者。拍摄锥形束CT,图像保存为DICOM格式。将图像导入医学建模软件Mimics中,建立上颌第一磨牙及牙槽骨平面模型;再将该模型导入有限元前后处理软件GiD中进行处理,建立出完整的上颌第一磨牙及牙周支持组织三维有限元模型。 结果与结论：建立包括双侧上颌第一磨牙及其牙周膜和上颌牙槽骨有限元模型,共896 035个节点,4 881 067个单元。此模型还原了受试者上颌第一磨牙及其牙周支持组织的几何外形和解剖结构。结果显示,实验成功构建了上颌第一磨牙及牙周支持组织有限元模型,可以作为各种临床正畸力作用下对上颌第一磨牙及其牙周支持组织生物力学分析研究的基础。     

仿真环境下医学器官的三维有限元建模方法

背景：通过医学影像图片数据进行三维重建的模型主要应用于医学临床分析,而采用激光扫描进行逆向重建时建立的模型主要用于生物力学分析。生物力学模型建立的精确程度,直接影响分析结果。 目的：分析采用医学影像图片数据和三维激光扫描重建医学器官模型的两种方法及意义。 方法：①通过人体CT断层扫描医学影像图片数据,并运用医学重建软件进行三维重建。②采用三维激光扫描仪对医学模型进行扫描得到点云数据,再利用逆向处理软件实现医学器官模型的逆向重建。 结果与结论：两种方法都可以建立符合人体解剖结构、可进行生物力学仿真计算的几何模型和有限元模型。医学影像CT/MRI数据重建的三维模型,能够真实再现被扫描对象的表面特征及内部结构,该模型为临床辅助诊断、手术规划、整形、假肢设计及解剖教学等方面提供了可靠的参考模型。三维激光扫描所得点云数据进行逆向重建,具有测量精度高、速度快,能够反映所测标本的表面形态,该模型可在交通运输、军事领域中因发生钝性冲击对人体内部器官造成的损伤进行计算机仿真分析。     

Mimics辅助快速建立颅上颌复合体的三维有限元模型

背景：颅颌面部是骨骼系统中结构最复杂、功能最多样的的结构之一,要进行颅上颌骨复合体生物力学分析,就必须建立一个精准的三维有限元模型。 目的：探索快速建立完整颅上颌复合体三维有限元模型的方法。 方法：以牙列完整、咬合关系正常、磨牙为中性关系、牙周组织健康的成年志愿者作为建模素材,进行多层螺旋CT扫描,利用Mimics软件和MSC.Patran软件建立颅上颌复合体三维有限元模型。 结果与结论：探索出一条快速建立颅上颌复合体三维有限元模型的新方法。建立了三维坐标系下的可以从任意角度观察的健康人颅上颌复合体三维重建生物医学模型和三维有限元模型,由76 035个节点和373 819个单元组成。该模型具有较好的几何相似性和力学相似性。     

腰椎L3-L5三维有限元模型的有效性验证

背景：建立精确的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,精确的腰椎有限元模型报道较少。 目的：采用正常人腰椎CT资料建立L3-L5三维有限元模型,并进行有效性验证。 方法：健康男性志愿者,39岁,身高175 cm,体质量65 kg,采用16排螺旋CT机对L₃-L₅节段进行扫描,得到1.25 mm层厚的 CT图片共101张,Geomagic9.0软件下建立几何实体模型,然后确定单元类型、划分有限元网格,建立有限元模型进行加载计算。 结果与结论：建立了正常人L₃-L₅三维有限元模型,整个模型共有213 736个节点和799 779个单元。该模型L₃-L₄,L₄-L₅节段活动范围与文献尸体标本生物力学测试结果一致,验证了模型的有效性,可用于实验研究。     

基于有限元仿真的数字化脊柱侧弯矫形研究

目的:对脊柱侧弯患者全脊柱进行数字化信息提取,研究矫形角度与矫形力的关系,并基于CT断层扫描数据信息对患者侧弯脊柱进行三维重建,验证矫形方案的可靠性,从而为患者提供最优的个体化脊柱侧弯矫形方案。方法:根据患者CT断层扫描数据,在Matlab软件中对患者侧弯脊柱进行数字化建模,以力学原理推导矫形力与矫形角度的关系式,从而确定脊柱侧弯矫形方案。利用Mimics19.0、3-Matic等医学三维软件,对患者脊柱侧弯部分进行完整三维重建并在AnsysWorkbench中进行有限元仿真,验证矫形方案效果。结果:重建出的脊柱三维模型能够准确反映患者实际脊柱侧弯情况,Matlab软件计算得到的最优化矫形方案能够在有限元仿真中得到验证。结论:基于数字化三维重建的脊柱侧弯矫形能够针对患者个体情况提供最优化的矫形方案,辅助临床医生选择满足患者实际需求的治疗方案。     

模拟腰部推拿手法建立“腰-盆-髋”有限元模型

背景：对局部椎体或整个脊柱进行推拿手法的有限元分析具有一定的局限性。 目的：通过建立“腰-盆-髋”有限元模型对腰部推拿手法进行相关生物力学分析。 方法：利用螺旋CT 数据通过Mimics 10.01 建立具有高度几何相似性的腰椎、骨盆和股骨近端复合体骨骼的面模型,利用geomagic9精修模型,在hypermesh10.0中划分网格,添加椎间盘和主要韧带。并对有限元模型各部件进行材料属性赋值。利用有限元分析软件模拟腰椎推拿手法三工况加载,计算特征部位位移、最大应变及应力。 结果与结论：有限元模型在三工况载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反映“腰-盆-髋”特有的力学结构特性,模型的仿真性较好。在近似的几何外形下,据生物力学资料报道的材料赋值建模保证了有限元模型计算的正确性;模拟接近生理状况下的边界及载荷条件进行计算可以确保结果的准确性。     

基于CT数据构建人体腰骶椎的有限元模型

背景：目前有限元模型的方法主要是基于医学图像的建模方法,可直接反映人体腰椎真实的几何形态。 目的：以CT影像数据为基础,利用图像处理软件建立L1~S5节段的腰骶椎三维有限元模型。 方法：选取1名男性健康志愿者,采用各向同性分辨率 0.625 mm 薄层CT扫描数据,以Dicom 格式导入 Mimics 10.0软件,三维化处理后获得腰骶段三维几何面网格模型,通过Geomagic studio 12.0软件曲面化、HyperMesh 10.0软件网格划分,最终导入Abaqus10.1软件生成腰骶椎三维有限元模型。 结果与结论：建立了精确的人体腰骶椎三维有限元模型并验证有效。应用精细的影像学数据,通过软件进行图像处理,快捷有效完成了脊柱模型的构建。此完整的多节段模型可方便考察临床疾病和外科固定对脊柱整体的影响,弥补了目前单个运动节段模型的缺陷。