寰枢椎三维有限元模型的建立

目的:建立寰枢椎三维有限元模型,为重建寰枢椎的稳定性提供生物力学依据.方法:对颈枕部C0-3标本行CT扫描,获取数据集,通过Mimics10.0软件选取灰度值大于-250 Hu得到C0-3骨和韧带的三维模型,并用Mimics10.0软件对模型进行修饰,以OUT格式导入有限元软件Patran2005中生成四面体网格模型,再输入Mimics软件对模型赋值,完成寰枢椎三维有限元模型,包括密质骨、松质骨及韧带,模型能够高度模拟颈椎结构与材料特性,结构完整,模型节点数9178,单元数40 356.在模型C3的下缘进行边界约束(六自由度为零),在C0处进行前屈/后伸、左/右侧弯、左/右旋转方向1.5 Nm的加载,分析寰枢椎之间的三维运动及各部位的应力.并在实验室以相同加载方法下测量其三维运动范围.分别进行统计学分析.结果:寰枢外侧关节面及枢椎体前部是应力集中部位.寰枢椎间的三维运动(前屈/后伸5.48°/9.85°、左/右侧弯4.69°/4.93°、左/右轴向旋转31.28°/30.56°)与实验室测量(前屈/后伸8.10°/8.49°、左/右侧弯4.79°/4.93°、左/右轴向旋转28.2°/29.3°)相当.结论:利用Mimics和Patran2005建立寰枢椎有限元模型,具有较高的真实性和精确度,能够模仿寰枢椎生物力学分析.     

枢椎有限元模型的建立及齿状突骨折的三维有限元分析

 目的建立枢椎有限元模型,探索不同受力状态下齿状突发生Ⅱ、Ⅲ型骨折的趋势。方法用64层螺旋CT对健康成人进行颈部扫描,利用MIMICS软件重建枢椎的面模型及优化网格,而后导入有限元分析软件ANSYS中,生成体网格,即生成枢椎有限元模型。模型加载,force/moment200N分别施于枢椎齿状突中部、尖部、底部及侧方节点。结果force/moment施于齿状突中部节点时应力集中分布在齿状突基底部及中下部;施于尖部时应力集中于齿状突基底部及双侧上关节突;施于底部时应力集中于齿状突基底部及双侧上关节突;施于侧部时应力集中于枢椎齿状突基底部两侧。结论所建立的枢椎有限元模型可有效用于模拟生物力学分析。颈椎在旋转状态下遭受暴力更易产生Ⅱ型齿状突骨折,后伸及前屈时则易发生Ⅲ型骨折。     

枢椎交叉椎板螺钉新技术治疗寰枢椎不稳的生物力学比较

目的对枢椎交叉椎板螺钉治疗寰枢椎不稳这一新的内固定技术进行生物力学评估。方法成年国人甲醛固定的枕颈（C0～C4）标本10具，对寰枢椎不稳模型分别行Gallie法内固定、双侧Magerl法内固定、C1椎弓根-C2交叉椎板螺钉内固定，进行寰枢关节的强度、刚度测量，分析寰枢椎的载荷-位移、应力-应变、扭矩-扭角关系和扭转刚度指标。结果Gallie法内固定明显增强了寰枢椎不稳模型的稳定性，但其固定强度明显小于Magerl法和C1椎弓根-C2交叉椎板螺钉内固定（P〈0．05），C1椎弓根-C2交叉椎板螺钉内固定强度大于双侧Magerl法，但没有统计学意义（P〉0．05）。结论C1椎弓根-C2交叉椎板螺钉内固定能为失稳的寰枢关节提供坚强的生物力学环境，枢椎交叉椎板螺钉技术具有良好的临床应用前景。     

“V”型寰枢椎复位内固定器的有限元力学模型分析

目的 建立新型寰枢椎复位内固定器的三维有限元模型,并对其进行生物力学分析. 方法 运用Pro/E 2001和MSC.Patran 2005软件,根据Ni-Ti合金寰枢椎复位内固定器和п型固定钉的设计参数,建立复位器有限元模型,部位约束后给以100N力学加载后计算区域受力的节点范围. 结果 所建模型外观逼真、几何相似性好,形变应力场主要集中在复位器V型尖端与稳定臂折弯处,其最大应力强度为4.78MPa,有2794个节点范围;V型翼的锐角交汇点处所承受的应力强度次之,达0 31MPa,有1953个节点范围;V型翼的末端受力最小,为1.22×10-3MPa,有1730个节点范围.п形固定钉的应力集中在钉齿中央部位和钉齿尖端两侧,最大应力强度为1.68×10-2MPa,有1146个节点范围. 结论 复位固定器加载后恢复形变时的受力情况和力学特征完全与Ni-Ti合金材料的形状记忆功能和超弹性特征相适应,能够满足临床需要.     

寰枕融合伴寰枢椎脱位的三维非线性有限元模型的建立和分析

目的使用有限元技术建立正常寰枕枢椎三维非线性有限元模型及寰枕融合伴寰枢椎脱位三维非线性有限元模型,为上颈椎临床研究提供生物力学方法。方法对1例27岁男性志愿者CT数据进行有限元分析,建立正常寰枕枢椎三维非线性有限元模型(正常模型)。对1例35岁寰枕融合伴寰枢椎脱位男性患者CT数据进行有限元分析,使用计算机模拟其在高载荷下单纯韧带断裂的理想状态,建立寰枕融合伴寰枢椎脱位的三维非线性有限元模型(寰枕融合伴寰枢椎脱位模型)。两种模型均在枕骨上表面施加竖直向上的1.5 N·m的扭矩,通过对两种模型在应力下前屈、后伸、侧弯、旋转活动度(ROM)数据做对比分析,以及在1.5 N·m扭矩下的应力与变形分析,验证两种三维非线性有限元模型的有效性。结果研究建立的正常模型在1.5 N·m扭矩载荷下各单元前屈、后伸、旋转运动的最大运动范围与人体力学实验测量结果接近,显示出良好的仿真性,模型应力与变形结果符合力学基本原理,模型的扭矩-角位移表现出明显的非线性特征。寰枕融合伴寰枢椎脱位脱位模型在1.5 N·m扭矩下其寰枕关节活动度与本次正常模型相比,寰枕关节活动度降低,而C1～C2关节活动度在4种情况(屈曲、后...     

寰枢椎不稳Magerl固定与椎弓根螺钉固定的生物力学分析

目的 比较寰枢椎不稳采用Magerl固定与后路椎弓根螺钉固定的术后即时稳定性和远期稳定性.方法 8例寰枢椎不稳标本分别行Magerl固定和后路椎弓根螺钉系统固定,采用脊柱三维试验机Spine 2000,分别给予屈伸、侧弯和旋转三种运动方向2.0 N·m载荷,并用激光3D扫描仪记录,Geomagic Studio 5图像软件处理得出寰枢椎的屈伸、侧弯和旋转的运动范围,分析寰枢椎不稳采用Magerl固定与后路椎弓根螺钉固定的即时稳定性和远期稳定性.结果 寰枢椎不稳Magerl固定后的屈伸运动范围为(7.55±0.76)°,侧弯运动范围为(1.57±0.07)°,旋转运动范围为(5.74±0.20)°;疲劳试验后屈伸运动范围为(10.12±0.66)°,侧弯运动范围为(5.63±0.31)°,旋转运动范围为(16.71±0.89)°.寰枢椎不稳椎弓根螺钉固定后的屈伸运动范围为(1.68±0.37)°,侧弯运动范围为(0.33±0.09)°,旋转运动范围为(1.74±0.16)°;疲劳试验后屈伸运动范围为(1.98±0.40)°,侧弯运动范围为(0.59±0.36)°,旋转运动范围为(1.97±0.13)°.结论 寰枢椎不稳采用Magerl固定与椎弓根螺钉系统固定均具有良好的术后即时稳定性和远期稳定性,椎弓根螺钉固定的稳定性优于Magerl固定.     

不同材料固定寰枢椎脱位在扭转状态下有限元分析

应用三维有限元分析法对前路寰枢椎脱位的患者,使用镁合金与钛合金材料TARP钢板固定,进行抗扭转特性对比分析,为临床提供理论依据。选择一例寰枢椎骨折脱位患者,进行CT薄层扫描,将Dicom数据导入计算机进行三维重建和有限元分析,对结果进行统计学分析。结果表明上颈椎的有限元模型外形逼真,几何相似性好,共包含65873个节点,201875个单元,应力集中区域为关节应力集中区域分别为颈2／3关节突关节,其次是寰椎前弓、后弓和侧块;再次为颈2椎弓,镁合金和钛合金固定材料有显著性差异（P〈0．05）。因此,应用CT扫描获取上颈椎空间结构信息建立的上颈椎模型可用于生物力学实验,镁合金材料比钛合金材料临床固定效果更好,值得在临床进一步推广应用。     

不同材料固定寰枢椎脱位在屈伸状态下有限元分析

目的：对前路寰枢椎脱位的患者,应用三维有限元分析法对镁合金与钛合金材料TARP钢板固定,进行屈伸状态下对比分析,为临床提供理论依据。方法：选择一例寰枢椎脱位患者,进行CT扫描和三维重建,将数据导入有限元分析软件,对结果进行统计学分析。结果：表明上颈椎的有限元模型外形逼真,几何相似性好,共包含67846个节点,225368个单元,应力集中区域为关节应力集中区域分别为颈1／2关节突关节,在模拟前屈时,寰枢椎在颈1／2关节突关节应力比较集中,其次是齿状突基底部。镁合金和钛合金固定材料有显著性差异（P〈0．05）。结论：应用CT扫描获取上颈椎空间结构信息建立的上颈椎模型可用于生物力学实验,镁合金材料比钛合金材料临床固定效果更好,值得在临床进一步推广应用。     

寰枢椎弓根钉联合枢椎椎板钉固定融合治疗寰枢关节不稳临床分析

目的：分析寰枢椎弓根钉联合枢椎椎板钉融合治疗寰枢关节不稳的临床疗效。方法：分别对2008年1月至2011年6月就诊的15例患者进行后经一侧下颈椎椎板钉寰枢固定、一侧下颈椎椎弓根钉;双侧融合治疗固定、后经一侧下颈椎椎板钉与枕骨枕颈固定、一侧枢椎椎弓根钉。结果：手术顺利,患者均未出现椎动脉、脊髓损伤等症状,活动受限、活动障碍等术后均有不同程度的改善。针对性地进行随访中,所有患者寰枢椎关节全部复位,大部分病例2-6个月植骨部位达到骨性愈合。随着随访的时间延长,患者颈椎活动范围在不断的恢复加大,屈伸活动范围也相应的增加,多半恢复正常。13例患者状态良好,2例病情缓和。结论：寰枢椎弓根钉联合枢椎椎板钉固定是治疗寰枢关节不稳的良好方法,值得推广应用。     

Establishment of a three-dimensional finite element model for gunshot wounds to the human mandible

ObjectiveTo investigate the feasibility of a finite element model as an ideal research tool for human maxillofacial gunshot wounds.MethodsMandible CT scan data on the Chinese Visible Human were imported into MIMICS software to obtain the surface mesh of the mandible. Then, these surface-meshed models were imported into ANSA software for automatic net generation. Elements and nodes were partitioned on the basis of the mesh to obtain a three-dimensional finite element model for the mandible with every internal parameter consistent with those of our previously developed model in the pig mandible. The finite element model was imported into LS-DYNA for computation. Finally, the LS-POST was used to complete the simulation and the measurements.ResultsA three-dimensional finite element model was successfully established for gunshot wounds in the human mandible. The stress distribution and the degree of injury were simulated dynamically for shots from two types of projectiles in the mandible at one entry angle and at three impact velocities.ConclusionThree-dimensional finite element models will become ideal research tools for treatment of ballistic wounds of the human maxillofacial region. Using this human mandibular model as a foundation, we will be able to successfully develop three-dimensional finite element models for human maxillofacial gunshot wounds.     

股骨三维有限元快速建模及分析

目的探讨运行Ansys命令流文件进行快速建立股骨三维有限元模型并分析的方法。方法采用一侧完整的新鲜成人尸体股骨标本,进行股骨标本初步处理、高速薄层CT扫描（层距0．625mm）、Mask文件编辑、初步三维重建、表面光滑处理、输出股骨三维模型至Ansys11．0,运行Ansys命令流文件完成网格划分,将股骨三维模型输出至Mimics10．01,按照经验公式赋予材料属性,输出已赋材料属性的三维模型至Ansys11．0,完成有限元建模、分析。结果快速完成股骨标本有限元建模并完成简易的有限元分析。结论使用Ansys命令流文件的方法可以提高有限元建模的效率,在完成有限元建模的同时可进行骨骼相关的数字医学分析。     

累及椎板型颈椎棘突骨折有限元模型的建立和分析

目的建立累及椎板型颈椎棘突骨折有限元模型（累及椎板型颈椎棘突骨折模型）并行活动度及应力分析,明确此型骨折对颈椎稳定性的影响。方法采集男性健康志愿者颈椎CT数据,运用有限元软件构建颈椎（C0~T1）全节段模型（正常颈椎模型）,并与文献报道数据进行对比验证,正常颈椎模型活动度通过比较验证后,在正常颈椎模型基础上建立C7累及椎板型颈椎棘突骨折模型,测量C7累及椎板型颈椎棘突骨折模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下的活动度,与正常颈椎模型进行比较,测量颈椎骨性结构及韧带的生物应力变化。结果建立的正常颈椎模型同文献报道的颈椎活动度比较符合有限元建模标准,在正常颈椎模型上结合临床骨折病例建立的累及椎板型颈椎棘突骨折模型外观逼真,活动度比较结果显示：在C6~7节段,骨折模型的前屈、侧弯及旋转活动度比正常模型减小（减少0.24°~1.60°）,而后伸活动度略微增大（增加0.30°）;在C7~T1节段,除后伸活动外,其余活动度均比正常模型要大（增加0.91°~3.53°）,且活动度变化范围较为明显（单侧旋转活动度增加36.7%）;其余节段两个模型活动度相差无几。累及椎板型颈椎棘突骨折模型在侧弯及旋转工况下应力值较正常模型相对升高。结论累及椎板型颈椎棘突骨折模型能较好地模拟临床实际骨折病例,C7累及椎板型棘突骨折模型有限元分析提示骨折局部稳定性变差,预示颈椎不稳发生,一旦发现颈椎不稳或神经损伤,需及时手术治疗。     

人下颌牵张成骨三维有限元模型的建立

目的　探讨在计算机上建立下颌骨牵张成骨三维有限元模型的方法。　方法　选择颅颌面发育正常青年男性,螺旋CT技术与计算机技术相结合,建立下颌骨牵张成骨三维有限元模型。　结果　首次模拟了骨皮质断开,并加入二腹肌前腹的边界约束,建立了三维有限元总体模型。　结论　模型有较高的相似性,为进一步研究人下颌骨牵张成骨奠定了基础。     

膝关节三维有限元模型的建立

目的建立完整的膝关节三维有限元模型。方法获取正常膝关节SCT扫描图像数据,使用3D-Doctor、Geomagic Studio、ABAQOUS等软件建立膝关节三维有限元模型。结果建立的膝关节三维有限元模型具有良好的生物形态,外形与实体标本一致性高。结论采用CT扫描资料建立三维有限元模型是切实可行的,简便、高效,特别适用于骨科领域三维有限元模型的建立。     

腰椎间孔成形幅度对腰椎生物力学影响的三维有限元分析

目的应用腰椎L3~5节段三维有限元模型,分析椎间盘摘除+不同幅度椎间孔成形前后对腰椎生物力学的影响。方法选取1位20岁既往无腰椎疾病史中国男性志愿者的CT数据,在Mimics15.0软件中建立L3~5节段三维有限元模型,在Geomagic12.0中修补、降噪及曲面化,在Pro/E5.0中行椎间盘的曲面建模,修改髓核和纤维环的材料参数模拟L4~5椎间盘中度退变（模型M1）,在Hypermesh12.0中进行有限元网格处理,并导入ABAQUS软件进行分析。模拟经皮椎间孔脊柱内镜技术侧后入路,以上关节突尖部到下位椎体后上缘中点为穿刺基线建立通道,去除椎间盘左后侧约1/4的纤维环中部及1/4的髓核,以模拟腰椎间盘摘除手术,构建模型M2,以圆柱体代替环锯模拟切除上关节突部分骨质行椎间孔扩大成形术,构建一级椎间孔成形模型M3（环锯直径5mm）、二级椎间孔成形模型M4（环锯直径6.5mm）和三级椎间孔成形模型M5（环锯直径7.5mm）,给予特定加载条件,比较其在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种工况下的生物力学特征。结果建立了有效的L3~5三维有限元模型,除了在后伸工况下L4椎体的位移无明显变化外,其他5种工况下椎间孔成形后L4椎体的位移均有所增加,但成形的幅度对L4椎体的位移无明显影响。M1模型在各种工况下L4~5关节突关节的应力左侧较右侧大。M2模型在腰椎前屈及右旋工况下L4~5左侧关节突关节的应力下降,右侧的应力上升;腰椎后伸下L4~5左侧关节突关节的应力上升,右侧的应力下降;腰椎左侧屈工况下L4~5关节突关节的左右两侧应力均上升;腰椎右侧屈工况下L4~5关节突关节的左右两侧应力均下降。除腰椎左旋工况下M5模型的L4~5右侧关节突关节应力增加明显外,其他各种工况下M3、M4、M5模型L4~5关节突关节应力变化不明显。结论在精确穿刺的指引下,1~3级椎间孔成形对术后即刻的腰椎稳定及关节突关节的应力分布无明显影响。     

人体胸部有限元模型研究

目的 建立人体胸部的三维有限元模型,以用于单兵防护工程研究.方法 以CT的扫描数据为重建源图像,利用医学图像重建软件Mimics进行三维重建;在有限元前处理软件ANSYS ICEM CFD中进行单元网格划分,并为模型各部分指定相应的材料特性参数;在有限元软件ANSYS LS-DYNA中完成有限元模型建模,并参照既往尸体实验数据检验模型有效性.结果 建立了近似人体胸部解剖结构的有限元模型,模型的模拟计算结果和既往尸体实验结果基本相符.结论 利用人体断层数据和专业软件,能够完成有限元模型的重建,模型能够满足单兵防护工程研究中进行人体胸部冲击相关数值分析的需要.     

正畸托槽粘接应力的三维有限元研究

目的：应用三维有限元法比较三种去粘接方法的优缺点。方珐：建立牙一粘接剂～托槽系统的三维有限元模型,比较相同大小的剪切力、拉力和扭转力作用下,系统各部分的应力分布情况。结果：三种加载模式下,不同界面的应力和位移分布都是不均匀的;拉力加载条件下托槽／粘接剂界面的Von—Mises应力和最大主应力最大;剪切力加载条件下釉质,粘接剂界面的Von—Mises应力、最大主应力和位移变化最大。结论：单一加载条件下,拉力更容易产生界面的粘接破坏;剪切力加载条件下的应力和位移改变较大是其易引起釉面裂纹的原因之一。     

胸腰段骨质疏松三维有限元模型的建立及临床应用

目的:探讨利用螺旋CT建立骨质疏松腰椎三维有限元模型的高度数字化方法,为腰椎骨质疏松的生物力学试验提供标准模型。方法:一个有代表性的健康成年男性志愿者,范围从T11～L2,先行X线检查以排除可见的脊椎病变及损害。经螺旋CT沿横断面0.699mm层厚扫描,以jpg格式输出其断面图像并转入微机保存。利用三维重建软件Mimics建立T11～L2段正常脊柱骨性结构的三维模型,再经过自由造型系统进行表面光滑化处理及对0.699mm层厚引起的数据丢失予以修补。利用有限元软件Patran的前处理功能,在脊柱模型骨性结构的基础上,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。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行智能有限元网格划分。结果:①正常腰段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Patran成功进行正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分。完整的脊柱胸腰段三维有限元模型包括共276580个四面体单元,8532个六面体单元,673个杆单元,总计共95219个结点。建立的模型负荷正常椎体的几何特性;②骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立:利用有限元软件Patran的前处理功能,对不同组织的物理特性进行定义,皮质骨、终板、后部结构模量减少33%,松质骨减少66%,同时考虑髓核脱水,弹性模量增加1倍,符合真实的生物力学要求,真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性,成功建立骨质疏松腰椎三维有限元模型。结论:建立的骨质疏松腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本,是理想的研究骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型,可应用于骨质疏松腰椎后凸成形术的评估。     

终板切除对终板-钛网界面应力分布影响的三维有限元分析

目的采用三维有限元法比较终板切除与否对颈椎椎体次全切除减压终板-钛网界面应力分布的影响。方法在正常人C4~C7三维有限元模型基础上,模拟颈椎（C5）椎体次全切除减压手术,建立颈椎前路减压、终板保留与不保留两种手术模型。利用Ansys9.0软件的建模功能建立12mm直径钛网（无垫片）、颈椎前路钢板以及螺钉模型,分别加载到颈椎前路减压手术模型上,建立终板保留与不保留钛网植骨前路钢板固定手术两种模型。对模型施加80N预载荷及1.8Nm力矩,使其产生轴向压缩、前屈和后伸运动,选取终板-钛网界面上下各7个接触点,分别记录各个点的von Mises应力及应变,比较终板保留与不保留对终板-钛网界面应力分布的影响。结果在各种工况下,保留终板钛网植骨C4下终板-钛网界面和C6上终板-钛网界面7个接触点的应力大于不保留终板钛网植骨C4下终板-钛网界面和C6上终板-钛网界面相应接触点的应力。应变情况正好相反,不保留终板钛网植骨C4下终板-钛网界面和C6上终板-钛网界面7个接触点的应变大于保留终板钛网植骨C4下终板-钛网界面和C6上终板-钛网界面相应接触点的应变。结论在颈椎前路椎体次全切除减压、钛网植骨融合手术中,保留终板钛网植骨能够降低终板-钛网界面的应变,降低钛网下沉的发生率。