不同内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的有限元及生物力学分析

背景：骨盆稳定性主要由骨盆后环决定及骶髂关节决定，车祸等高能量冲击带来的骨盆后环损伤及骶髂关节脱位病例逐年递增。手术治疗是最优方法，临床中存在多种内植物修复方式，但哪种治疗方式的生物力学性能最优仍有一定争议。目的：对比前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉3种内植物修复单侧不稳定骨盆后环损伤的生物力学性能，为其临床治疗及骨盆新型拉力钉研发提供参考。方法：(1)有限元仿真：利用Mimics、Wrap和SolidWorks分别建立正常骨盆、单侧后环损伤骨盆及其前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉修复模型，利用Ansys分析模型的应力和变形情况；(2)生物力学实验：用15个完整骨盆标本随机分为5组，分别为正常骨盆、单侧后环损伤骨盆及其前路双钢板、后路桥接钢板、拉力钉修复组，并用Instron E10000力学试验机进行力学测试。结果与结论：(1)仿真分析结果显示，正常骨盆模型骶骨平均位移为0.174 mm，骶髂骨最大应力为10.51 MPa，应力分布均匀；单侧不稳定损伤骨盆模型骶骨平均位移最大，为0.267 mm，模型应力集中明显；3种修复模型骶骨平均位移都接近正常骨盆模型，拉力钉修复模型骶髂骨应力分...     

前路钢板置入固定治疗骶髂关节脱位的三维有限元分析

背景：已有文献报道骶髂关节损伤及固定的生物力学研究,但多是在尸体标本或人工骨模型上模拟骶髂关节损伤。 目的：利用三维有限元方法对骶髂关节脱位前路钢板内固定的垂直稳定性进行分析。 方法：在完整骨盆三维有限元模型的基础上,建立一侧骶髂关节脱位后前路钢板内固定模型。对模型施加500 N轴向载荷,经计算得到应力、应变及位移云图,并与完整骨盆的同一工况进行比较分析。 结果与结论：在内固定系统处出现了应力集中现象,尤其以靠近骶髂关节的螺钉周围应力最大,远远大于完整骨盆同一工况下的最大应力。应变以健侧骶髂关节最大,内固定侧骶髂关节无应变。位移以损伤侧骶髂关节处最大,约为完整骨盆的2倍。提示前路钢板内固定治疗骶髂关节脱位,骨盆在垂直方向上稳定性较差,且钢板螺钉处出现了应力集中现象。     

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。     

步态仿真下腰椎间盘退变合并骶髂关节紊乱的有限元分析

目的通过观察腰椎间盘退变合并骶髂关节紊乱的生物力学特征,探讨腰椎间盘退变与骶髂关节紊乱相关性的生物力学机制。方法选取正常志愿者1名,腰椎间盘突出症合并骶髂关节紊乱者2名(骶骨错位、髂骨错位各1名),采集CT数据建立相应的正常、骶骨错位、髂骨错位腰椎-骨盆模型,同时采集其步态数据驱动Any Body仿真肌骨模型,得到腰椎骨盆周围肌肉力及髋关节力作为加载条件,进行有限元分析。比较患者与正常志愿者L4、L5椎间盘及骶髂关节应力变化。结果正常模型L4、L5左右及两侧骶髂关节应力曲线呈双峰,且无明显差异;骶骨错位模型与髂骨错位模型L4、L5左右及两侧骶髂关节应力曲线双峰改变甚至消失,L4左右两侧应力峰值差分别为0.55、0.80 MPa,L5左右两侧应力峰值差分别为4.05、2.08 MPa,骶髂关节右侧应力峰值与左侧峰值差分别为0.96、3.32 MPa。结论腰椎间盘退变合并骶髂关节错位导致人体承重力线的偏移,骶髂关节紊乱可加重身体两侧应力失衡,在腰椎间盘突出症的治疗过程不能忽视骶髂关节紊乱的影响。     

外旋载荷对骨盆作用机制的三维有限元分析

目的利用骨盆的三维有限元模型研究外旋应力对骨盆的作用机制。方法 1例健康成年男性志愿者进行PET-CT扫描,结果以DICOM格式输出,在PC机上进行三维重建,建立正常骨盆的有限元模型。对模型施加外旋载荷,经计算得到应力、应变及位移云图。结果水平向后加载500N于左侧髂前上棘,应力沿两条途径传导:一条是向内后方经同侧骶髂关节前部至骶骨上部,另一条是向前方经耻骨支、耻骨联合至对侧耻骨;且骨盆前环受力较大。应变以同侧骶髂关节前下方最大,前方的耻骨联合处应变也较大。位移以受力点同侧髂前上棘处最大,同侧髂骨、坐骨及耻骨支位移均较大。结论外旋载荷易造成耻骨支骨折、骶髂关节损伤,或骶骨压缩骨折。     

骶髂关节脱位钉板内固定与关节拉力螺钉内固定两种置入方法的三维有限元分析

背景:有限元法能对复杂的结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析比较,模拟的条件更接近正常,结果更加可信,已经是骨科生物力学研究中的重要手段。目的:以有限元分析方法建立骨盆骶髂关节(单侧)脱位模型,比较前路钉板内固定及骶髂关节拉力内固定治疗后的生物力学稳定性。方法:在正常骨盆三维有限元模型的基础上,截断骶髂关节间的骶髂前后韧带(包含骶髂骨间韧带)以及骶结节韧带和骶棘韧带等盆底韧带,造成骶髂关节脱位。分别在前路钉板内固定系统(共2块重建钢板6枚螺钉)及骶髂关节拉力螺钉内固定(2枚拉力螺钉)两种固定方法的模型上,加载后进行非线性有限元分析。计算该加载方式下的骨盆应力、应变及位移的分布情况。结果与结论:建立了高精度骨盆骶髂关节脱位两种内固定的三维有限元模型。通过应力应变云图分析与比较后发现,采用骶髂关节拉力螺钉内固定相对于前路钢板内固定移位的总位移小,应力分布均匀,无明显高度集中现象,固定强度更大,固定后的骨盆更稳定。利用有限元方法分析骨盆骶髂关节脱位两种内固定生物力学稳定性,具有较高真实性、精确度和可重复性,结果与其他生物力学实验结果相一致,能满足临床骨盆损伤研究的需要。     

基于磁共振图像的人体骨盆三维重建及有效性验证

目的：利用磁共振图像重建人体骨盆,并利用有限元方法验证建立该模型的有效性,为临床上不适合CT扫描的患者,提供了从MRI图像重建人体模型和骨盆生物力学研究的另一种方法。方法：采用1.5T的核磁成像仪扫描获取正常骨盆MRI图像,利用Hypermesh进行网格划分和韧带添加,采用Mimics和Geomagic对图像数据进行重建。对模型施加适当的界条件,运用有限元分析方法,分析该模型的应力应变和位移结果,同实验测量文献和CT重建的模型有限元模型结果对比。结果：骨盆上关键点的应力应变和位移数值基本吻合引用的参考文献对应点数值,趋势基本相似。坐位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力由骶骨经骶髂关节向下传递,经坐骨上支、到达坐骨结节;应力主要集中在坐骨大切迹和坐骨结节。站位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力分别经骶骨翼、骶髂关节,坐骨大切迹,弓状线,至髋臼;应力主要集中在骶髂关节和坐骨大切迹。结论：成功利用MRI建立的有限元模型,其基本可以反应骨盆的力学结构特点,准确性较高,可以作为用于研究骨盆及其植入物生物力学的基础。站立位时,骨盆的主要负重和稳定结构位于后方;坐位时,骨盆承载人体重量并在上下应力传导中起着非常重要的作用。     

第二代数字化人体骶骨纵形骨折微创内固定的有限元分析

目的比较经皮骨盆后方张力带钢板和经皮骶髂螺钉固定Denis 3类骶骨纵行骨折的术后稳定性和力学相容性,为不同类型骨折的内固定术式选择提供依据。方法采用第2代中国数字化人体"男性第23号"CT和MRI,构建完整骨盆有限元模型,骶骨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区纵形骨折伴同侧耻骨上下支骨折的经皮后方张力带钢板内固定有限元模型,以及这3类骨折的经皮骶髂螺钉内固定有限元模型。根据腰骶脊柱三柱加载模式和骶髂关节生理运动模式采用多方案有限元分析及实验验证。结果骶骨Ⅰ区骨折时,张力带钢板组(P组)的后环与前环器械应力均比骶髂螺钉组(S组)明显增加,骶骨位移也增加。骶骨Ⅱ区骨折时,P组后环与前环器械应力均比S组减小,骶骨位移明显减小。骶骨Ⅲ区骨折时,P组后环与前环器械应力以及骶骨位移均比S组明显减小。结论从内固定术后稳定性、骨折愈合的力学相容性及手术操作的安全性等方面考虑,经皮骶髂螺钉比较适合治疗骶骨Ⅰ区纵形骨折的垂直不稳定型骨盆,而经皮后方张力带钢板比较适合治疗骶骨Ⅱ区和Ⅲ区纵形骨折的垂直不稳定型骨盆。     

垂直应力作用下骨盆旋转位时的生物力学研究

目的运用生物力学实验技术在扭转实验机上对垂直并旋转不稳定型骨盆骨折的生物力学特点及其发病机制进行了初步探讨。方法选取正常成人骨盆实验标本12具,模拟正常人在单纯垂直应力作用下、单纯旋转应力作用下、垂直并旋转应力作用下、不同工况时,骶髂关节、髋臼、耻骨支等骨盆关键部位的受力状况,用应变仪获得骨盆各关键点的主应变、主方向,以及骨盆的极限应力及极限扭矩。结果①单纯垂直压缩状态下,在骨盆环结构中,骶髂关节附近(尤以骶骨侧)承载压、拉应变最大,耻骨、坐骨支最小。②单纯扭转状态时,骨盆各点所受拉应变明显增加,尤以耻骨上支处增加最为明显;各实验点中以左骶髂关节髂骨侧所受拉应变最大,而左骶髂关节骶骨侧所受压应变最大,且应变值随着扭矩增加而增加。③骨盆标本在单纯垂直应力状态下的屈服点载荷均值为2860N,极限载荷3600N;在单纯扭转状态下的屈服点扭矩均值为12.5°,极限扭矩15°。④无论在垂直应力或扭转应力下,髋臼前柱应变值均明显高于后柱。⑤耻骨支仅参与维持骨盆环的旋转稳定性,而骶髂关节对于维持骨盆环的垂直及旋转稳定性均至关重要。结论①垂直应力作用下骨盆旋转位时各实验点应变值远高于单纯垂直应力状态或单纯扭转状态。②骶髂关节等后环结构对于维持骨盆环在垂直及旋转应力下骨盆环的稳定性至关重要。     

骶骨部分切除术后骨盆重建的三维有限元分析

目的　研究骶骨部分切除术后骨盆重建的生物力学特征。方法　分别构建完整骨盆。经S1、S2之间施行骶骨部分切除术后的缺损骨盆和重建骨盆的三维有限元模型。模拟人体坐位时的负荷，研究3种模型的位移与应力分布变化。结果　得到了三个模型中骶岬前方参考点在垂直方向的位移值及整个模型和重建器械的应力分布情况。结论　骶髂关节部位的重建可以增强骶骨部分切除术后骨盆的稳定性，并改变骨盆应力分布，降低骶器关节应力峰值，减少术后骨盆破坏的风险。L5椎弓根螺钉与髂骨钉之间的钛棒发生断裂的风险较大，提示术中应当重视弯棒操作，避免钛棒过度成角，防止应力过度集中，减少断棒的危险。     

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。     

3-D finite element analysis of the influence of synovial condition in sacroiliac joint on the load transmission in human pelvic system

The anterior part of the sacroiliac joint (SIJ) is a synovial joint, with little gliding and rotary movement between the contact surfaces of SIJ during locomotion. Due to its complex structure, especially when considering the surrounding ligaments, it is difficult to construct an accurate three-dimensional (3-D) finite element model for the human pelvis. Most of the pelvic models in the previous studies were simplified with either SIJ fusing together or without the sacral bone. However, the influence of those simplifications on the load transmission in human pelvis has not been studied, so the reliability of those studies remains unclear. In this study, two 3-D pelvic models were constructed: an SIJ fusing model and an SIJ contacting model. In the SIJ fusing model, the SIJ interfaces were fused together. In the SIJ contacting model, the SIJ interfaces were just in contact with each other without fusion. Compared with the SIJ contacting model, the SIJ fusing model have smaller movements in the SIJ. The stress distribution area in the SIJ fusing model on sacroiliac cartilages was also different. Those differences contributed to the decline of tensile force in the SIJ surrounding ligaments and the re-distribution of stress in the pelvic bones. In addition, the SIJ fusing model was far less sensitive to the increase in modulus of the sacroiliac cartilages, and decrease in stiffness of the ligaments surrounding the SIJ. The presence of synovia in the SIJ had greater influence on the load transmission in the human pelvic system. Therefore, the effect of the presence of synovia should not be neglected when the biomechanical behavior of human pelvis is being studied, especially for those studies related to clinical applications.     

坐位骨盆的三维有限元分析

背景：由于骨盆具有复杂的结构,目前对于坐位骨盆的生物力学研究较少,有限元法日益成为骨盆生物力学研究的重要手段。 目的：以有限元法研究成人正常静态坐位骨盆应力分布。 方法：获取正常成年女性全骨盆CT扫描图像,利用CT数据通过Mimics 10.0对图像数据进行重建,利用Geomagic,Proe5.0进行实体建模,输入ANSYS。再根据解剖部位建立骨盆主要韧带。对S1椎体上终板施加600 N静载荷模拟坐位时骨盆受力环境,计算该加载方式下骨盆的应力、应变及位移的分布情况。 结果与结论：垂直加载600 N载荷于骶骨上表面时重力由骶骨经骶髂关节向下传递,到达坐骨结节。此时的坐骨结节处承受较大压应力。有限元模型在静载荷下的特征部位应力、应变值基本能够反应骨盆特有的力学结构特性,模型的准确性较高。计算结果与文献中报道的结果相近,建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具及满足临床研究的需要。     

关节盘移位对颞下颌关节内应力分布的影响

目的 通过对不同关节盘移位的数值模拟,探究各种移位情况下颞下颌关节（temporomandibular joint,TMJ）内各结构的应力分布规律。方法 依据CT图像,建立包含下颌骨、全牙列、关节盘和关节软骨的正常TMJ三维有限元模型;参考关节盘前、后、外、内移位的临床特征,建立对应的4个模型。关节盘与关节软骨间考虑接触,用缆索元模拟下颌韧带和关节盘附着,施加正中咬合荷载。结果 前移位将导致关节盘中带产生过高的压应力,达到3.23 MPa;后、内、外移位时关节盘的整体应力水平比前移位和正常TMJ高;各种移位都使关节结节后斜面的应力值大幅度增加,但对髁突关节面的影响却不大。结论 各种移位都将导致关节盘和关节结节后斜面产生过高的应力,且后、内、外移位更为危险,更容易造成关节结构和功能的损伤。     

轻度与重度骨关节炎膝关节的生物力学行为比较

目的 对比研究轻度与重度膝骨关节炎(knee osteoarthritis, KOA)膝关节的生物力学行为,阐述KOA进展的生物力学机制。方法 分别构建同一患者左侧轻度KOA(KL分级Ⅰ级)与右侧重度KOA(KL分级Ⅳ级)膝关节有限元模型。在材料属性、边界条件、载荷等设定相同的情况下进行有限元分析,比较轻度与重度KOA膝关节半月板、股骨软骨、胫骨软骨的接触面积、接触压及von Mises应力的变化特征。结果 重度KOA膝关节总接触面积和外侧室接触面积大于轻度KOA膝关节,而内侧间室接触面积小于轻度KOA膝关节。重度KOA膝关节半月板、股骨软骨和胫骨软骨上的接触压及von Mises应力峰值均大于轻度KOA膝关节;双膝关节外侧半月板上接触压及von Mises应力峰值均大于内侧半月板,双膝关节股骨软骨与胫骨软骨内侧间室接触压及von Mises应力峰值均大于外侧间室。结论 重度KOA膝关节应力分布不同于轻度KOA,接触面积、接触压和von Mises应力峰值的变化与半月板脱位、软骨缺损等因素相关,生物力学行为和解剖结构的改变促进了KOA进展。     

静态应力作用下骨盆侧方撞击的生物力学研究

目的构建侧方静态应力作用下骨盆骨的尸体模型,运用生物力学试验技术在垂直应力试验机上对单纯侧方受力导致的旋转不稳定骨盆骨折的生物力学特点及其发病机制进行初步探讨。方法选取正常成人骨盆试验标本12具,其中男性7例,女性5例;年龄45～68岁,平均年龄57.32岁。分为2组,每组6具。构建侧方撞击的生物力学模型,测量单纯静态侧方应力作用于髂嵴或股骨大粗隆时,不同工况下骶髂关节、髋臼、耻骨支等骨盆常见骨折部位的受力状况,用应变仪获得各试验点的主应变、主方向、垂直位移,以及测量静态应力下骨盆骨折阈值,并构建应变-时间曲线。结果①500 N静态侧方应力作用于髂嵴时,骨盆环结构中固定侧髂骨翼,对侧耻骨上支承载压（397±43）、拉应变（113.2±11.4）最大,受力侧坐骨支应变最小（23±7）;髂骨翼位移最大（4.6 mm）,髂嵴在静态侧方应力作用下的极限载荷（3 752±425）N;②股骨大粗隆在500 N静态侧方应力作用下,在骨盆环结构中,对侧耻骨上支承载压（277±31）、拉应变（401±53）最大,受力侧髂骨应变值最小（35±11）;左耻骨支位移最大（2.3 mm）。股骨大粗隆在侧方应力作用下的极限载荷（4 207±617）N;③静态侧方应力作用于股骨大粗隆时产生的骨盆各点位移均小于作用于骨盆髂嵴时产生的位移。结论①耻骨支及耻骨联合等骨盆前环结构对于维持侧方应力下骨盆环旋转稳定性至关重要。②生物力学试验能较好地反映静态侧方应力撞击下骨盆骨的生物力学特性。     

三扣技术与双扣技术重建肩锁关节脱位的生物力学比较

[摘要]目的 建立三维有限元模型，比较三扣和双扣重建肩锁关节脱位的生物力学结果。方法 采用虚拟有限元对肩关节进行了三维实体建模，将肩锁关节脱位后作为损伤模型，在损伤模型上采用3个微型金属纽扣和2根5号纤维缝合线重建肩锁关节。分析锁骨、纽扣、缝合线的最大等效应力（MES）、总位移。结果 与双扣重建相比，三扣重建在锁骨上、Endobutton上的应力更小，分别降低了约53.6%、104%；三扣重建修复在锁骨及Endobutton上的总位移更小，分别降低了43.2%、34.2%；三扣重建在缝合线上的应力明显减小，应力分布较均衡，三扣缝合线的应力为146.97 MPa、155.97 MPa、212.22 MPa、199.84 MPa，双扣缝合线的应力为386.57 MPa、413.7 MPa；正常模型在锁骨上总位移为0.911 6 mm，三扣重建为0.951 5 mm，两者比较无明显差异。结论 与双扣重建相比，三扣解剖重建喙锁韧带锁骨和内置物最大等效应力、位移更小，其生物力学结果更接近于原完整韧带，能更好地恢复喙锁韧带的功能，肩锁关节更加稳定。