目的利用有限元研究方法，比較下頸椎前路椎弓根螺釘人工椎體系統(tǒng)（anterior transpedicular screw-artificial vertebral body， AVB）與傳統(tǒng)頸椎前路釘板系統(tǒng)的生物力學(xué)性能。 方法采集1名38歲正常女性志愿者頸椎（C1～T1）CT數(shù)據(jù)，應(yīng)用Mimics 14.0、Geomagic Studio 2013、ANSYS 14.0軟件建立下頸椎（C3～7）完整模型、頸椎前路鈦板椎體釘（anterior screw plate system，AP）固定模型、AVB固定模型。在C3上分別施加74 N軸向壓力及1 N·m純力偶矩，使模型產(chǎn)生前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋和右旋運動，記錄AP組及AVB組Von Mises應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力值，計算并比較3組椎間活動度（range of motion，ROM）。 結(jié)果實驗建立了正常人下頸椎（C3～7）有限元模型，模型包括 286 382個單元，414 522個節(jié)點，其椎間ROM與Panjabi等及Kallemeyn等實驗數(shù)據(jù)吻合度較好。AP組在釘板連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，AVB組應(yīng)力分布較均勻。在74 N軸向壓力、前屈、后伸、左旋、右旋工況下，AP組與AVB組最大應(yīng)力值差異明顯。與AP組相比，AVB組固定節(jié)段ROM更小，鄰近節(jié)段ROM相對較大；與完整組相比，AP組與AVB組的整體ROM減小約3°，但鄰近C3、4及C6、7節(jié)段的ROM代償增加約5°。 結(jié)論AVB作為一種新型固定技術(shù)，其穩(wěn)定性優(yōu)于AP，且固定系統(tǒng)斷裂的風(fēng)險顯著低于AP。
目的總結(jié)膝關(guān)節(jié)三維數(shù)字化模型的應(yīng)用及相關(guān)研究進展。 方法查閱近年國內(nèi)外膝關(guān)節(jié)三維數(shù)字化模型臨床應(yīng)用和基礎(chǔ)研究的相關(guān)文獻，并進行綜合分析。 結(jié)果膝關(guān)節(jié)三維數(shù)字化模型可較好地模擬膝關(guān)節(jié)復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)，并利用此優(yōu)勢開發(fā)出了許多新軟件和新技術(shù)，其臨床應(yīng)用取得了良好效果。 結(jié)論隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)軟件的開發(fā)，傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)修復(fù)重建手術(shù)方式不斷改變，手術(shù)操作將更簡便，精確性將進一步提高。
目的 研究兔股骨三維生物力學(xué)模型的建立方法。方法 新西蘭大白兔1只，雌性，兔齡1年。制作兔股骨標本，獲取股骨斷層圖像，輸入計算機后經(jīng)處理得到邊界輪廓線，再通過自編程序，獲取建模時所用的輪廓線坐標，將坐標數(shù)據(jù)輸入建模軟件，建立三維實體模型。結(jié)果 建立了兔股骨的完整三維模型，真實模擬了股骨的解剖形態(tài)。結(jié)論 兔股骨三維生物力學(xué)模型的建立為下一步通過有限元法確定振動的最佳參數(shù)，提高骨密度奠定基礎(chǔ)。
目的 了解1~3跖骨缺損以髂骨重建后對足功能的影響。方法 在足骨骼三維模型上模擬1~3跖骨50%及100%缺損，采用髂骨重建，以有限元法計算得到的最大位移及最大應(yīng)力為指標，分別評估跖骨缺損和重建后足的位移及應(yīng)力。分析1996年3月~2003年1月5例跖骨缺損以游離帶血管髂骨串聯(lián)皮瓣重建后的療效。結(jié)果 1~3跖骨缺損對足功能影響較大，與完整足相比較，缺損100% 最大位移增加2.15倍，最大應(yīng)力增加2.12倍；缺損50%最大位移增加1.65倍，最大應(yīng)力增加2.05倍。模擬髂骨塊重建跖骨缺損100%及50%后，最大應(yīng)力及最大位移與正常數(shù)值相近。臨床應(yīng)用的5例，術(shù)后骨瓣及皮瓣均成活，隨訪1~2年。按Maryland足功能評價：優(yōu)2例，良2例，可1例。結(jié)論 1~3 跖骨缺損應(yīng)修復(fù)，游離髂骨串聯(lián)皮瓣移植是較為理想的手術(shù)方式。
基于人體股骨CT數(shù)據(jù),結(jié)合股骨骨折不同階段的結(jié)構(gòu)特征,建立了鎖定加壓接骨板(LCP)固定股骨中部骨折的醫(yī)學(xué)裝配模型,運用三維有限元分析(3D-FEA)方法,選擇一倍體重(70 kg)生理載荷和約束條件,計算分析鎖定加壓接骨板固定股骨骨折在不同愈合階段時股骨及LCP中的應(yīng)力分布。結(jié)果表明,在骨折部位未發(fā)生愈合階段與軟組織形成階段,股骨及LCP中應(yīng)力分布相近,股骨內(nèi)最大應(yīng)力值(371.23、272.76 MPa)遠高于自然股骨,且應(yīng)力主要分布于骨折處以上部位股骨;在骨痂形成階段,部分股骨內(nèi)應(yīng)力向下轉(zhuǎn)移,最大應(yīng)力值(68.17 MPa)較前兩階段明顯降低且低于正常骨的極限強度,安排適當?shù)目祻?fù)訓(xùn)練有利于新骨生長和患者康復(fù)。
通過有限元力學(xué)分析不同條件振動載荷刺激下腰椎的力學(xué)響應(yīng)情況, 進而確定振動參數(shù)對腰椎的生物力學(xué)影響。本文基于CT掃描圖像, 運用Mimics對腰椎L1-L5節(jié)段進行三維重建, 利用Geomagic Studio進行曲面構(gòu)型, 運用Hypermesh和Abaqus建立有限元模型, 并在Abaqus中計算不同振動頻率和振幅下的腰椎松質(zhì)骨部位的應(yīng)力矢量/張量變化。結(jié)果顯示在一個振動周期內(nèi), 椎體骨主要受拉應(yīng)力。椎體應(yīng)力分布均勻, 上下表面應(yīng)力較大, 上表面左后側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。不同頻率與振幅條件下的振動, 椎體所受應(yīng)力分布情況相似, 頻率的變化對應(yīng)力大小無明顯影響, 而振幅越大應(yīng)力越大。結(jié)果表明頻率和振幅參數(shù)對椎體的應(yīng)力分布影響較小, 振幅與應(yīng)力大小成正相關(guān)。然而, 骨形成具有長時間積累效應(yīng), 需要進一步探究長時間疲勞影響。
利用三維繪圖軟件構(gòu)建人體腰椎L4-L5節(jié)段幾何模型, 采用有限元分析方法并調(diào)整計算精度, 模擬研究椎間盤發(fā)生退變等四種工況, 如輕度退變、中度退變、重度退變以及椎間盤完全摘除時關(guān)節(jié)峽部的受力情況。通過施加在L4椎板上378.93 N的垂直載荷, 得到四種工況下關(guān)節(jié)峽部的應(yīng)力云圖。結(jié)果表明, 椎間盤退變程度影響小關(guān)節(jié)處的接觸面積, 從而使關(guān)節(jié)峽部應(yīng)力發(fā)生相應(yīng)的變化。說明關(guān)節(jié)峽部是腰椎后部抗壓的重要結(jié)構(gòu), 而關(guān)節(jié)峽部應(yīng)力分布與大小以及腰椎后部結(jié)構(gòu)剛度大小和小關(guān)節(jié)處的接觸面積有關(guān)。該結(jié)論可為脊柱生物力學(xué)分析及人工椎間盤置換提供一定的理論參考依據(jù)。
比較腰椎堅強固定與彈性固定的三維有限元模型在不同生理載荷條件下的力學(xué)特點。我們以健康男性志愿者為樣本建立模型, 觀察它們在垂直、屈曲和后伸扭矩下的應(yīng)力分布特點。結(jié)果顯示:在不同的載荷下, 堅強固定連接棒的受力是彈性固定的4~6倍, 彈性固定應(yīng)力峰值及受力面積較堅強固定大。表明彈性固定在促進椎間融合方面比堅強固定更有生物力學(xué)的優(yōu)越性。
有限元分析可以通過實驗條件仿真研究人體及動物體器官組織中的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部場強等變化情況。本文應(yīng)用有限元分析軟件分析與求解脊髓表面電位, 研究軀體運動控制和感覺處理中誘發(fā)的脊髓中間神經(jīng)元興奮在脊髓神經(jīng)中的傳播特性。建立了大鼠脊髓內(nèi)電信號源三維模型, 利用電信號在脊髓內(nèi)的傳導(dǎo)特性, 分析和計算了脊髓內(nèi)部興奮中間神經(jīng)元發(fā)放出來的電信號源沿脊髓橫徑方向、背腹方向變化對脊髓表面電位分布的影響, 得到了脊髓表面場電位分布曲線, 發(fā)現(xiàn)脊髓表面電位分布基本呈現(xiàn)單調(diào)特性, 且個別記錄點的電位值小于附近記錄點電位。
本文基于經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合(TLIF)治療腰椎滑脫的術(shù)式模型, 采用有限元方法探討腰椎融合術(shù)內(nèi)植物固定系統(tǒng)中融合器和椎弓根釘在不同組合下表現(xiàn)出的生物力學(xué)特性。首先, 基于CT圖像結(jié)合有限元前處理軟件, 建立人體腰椎L4-L5節(jié)段輕度滑脫及內(nèi)植物不同固定組合方式下的三維非線性有限元模型。比較各模型在前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右軸向旋轉(zhuǎn)6種工況下, 腰椎活動范圍和融合器、椎弓根釘?shù)膽?yīng)力分布等生物力學(xué)特征。結(jié)果表明各術(shù)式模型的活動范圍均較無損模型減少84%以上, 穩(wěn)定性顯著提高。各術(shù)式模型中, 單枚融合器輔加單側(cè)椎弓根釘固定下融合器和椎弓根釘?shù)膽?yīng)力值相對較大, 但差異無統(tǒng)計學(xué)意義。研究結(jié)果可為TLIF的體外標本實驗研究和臨床分析提供相應(yīng)的生物力學(xué)參考和印證, 并為單側(cè)內(nèi)固定斜行椎間融合TLIF手術(shù)的可行性提供生物力學(xué)依據(jù)。