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牙体Ⅱ类洞制备进展及其三维有限元法的应用
由于粘接材料的发展和再矿化的应用,牙齿洞型设计的观念发生了质的转变,如Ⅱ类洞可改进为隧道制备、碟状洞型.同时,三维有限元力学分析方法的出现,更为临床医生对牙洞型制备的研究提供了有利条件.
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有限元法在牙体修复研究领域的应用现状
有限元法是一种与现代计算机技术相联系的理论力学应用分析方法,其建立的模型直观、省时、结论明确,在工程技术领域广泛应用.有限元法在口腔医学应力研究中,也显示出极大的优越性.作为口腔医学研究的重要领域,牙体修复学也是有限元法应用的热点.本文就近年来有限元法在修复洞型、桩核材料、楔状缺损的成因及修复等方面的应用现状做一综述.
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大、小直径钛网对终板-钛网界面应力分布影响的比较
目的 比较大、小直径钛网植骨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 利用Ansys 9.0软件的建模功能,建立大、小直径钛网植骨钢板固定手术模型.分别对模型施加80 N预载荷及1.8 Nm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7个接触点,提取各个点的von Mise.应力,然后进行比较.结果 在各种工况下,大直径钛网植骨C4下终板--钛网界面(七个点的平均值分别为6.71、7.19、9.04 Mpa)和C6上终板-钛网界面各个接触点的应力(七个点的平均值分别为7.61、8.23、9.97 Mpa)分别小于小直径钛网植骨C4下终板--钛网界面(七个点的平均值分别为9.05、9.81、12.06 Mpa)和C6上终板--钛网界面相应接触点的应力(七个点平均值分别为10.65 、11.59 、14.26 Mpa).结论 大直径钛网植骨能够降低终板--钛网界面的应力,避免终板应力的过度集中,从而降低钦网下沉的发生率,但应用于临床有待于进一步研究.
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腰椎活动节段的有限元模型研究
目的建立L3-L4活动节段有限元模型,用于进一步的生物力学研究.方法通过AutoCAD进行造型形成L3-L4活动节段的CAD模型,转换成有限元分析模型,在模型绘出韧带及小关节囊.结果模型的总节点数为2128,包括1478个点块单元,16个边界元,髓核与整个椎间盘的横切面积之比为35.5%.结论通过CT断层扫描、图像数字化自理及计算机辅助设计等方法,可以建立腰椎活动节段的有限元模型.
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三维有限元法在椎体成形术力学研究中的应用进展
有限元法又称有限元素法(finite element method,FEM),是一种有效的离散化数值计算方法,把一个复杂的弹性物体可以看成是由无限个质点组成的集合体,用这种离散化的有限单元模型代替原有物体.
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氧化锆全瓷叠层冠样结构应力分布的有限元分析
目的 分析氧化锆全瓷叠层冠样结构应力分布情况.方法 在已建立的上领第一磨牙全瓷叠层冠样结构有限元模V上,设定饰面瓷厚度1.5 mm,弹性模量70 GPa,核瓷层厚度0.5 mm,弹性模量205 GPa.在Abaqus软件中,在模型斜峪距近中舌尖约0.5mm处,直径1 mm的圆形面积上施加与牙长轴平行的200 N静态载荷,然后,对模型各部分大主应力进行计算,导出大主应力云纹图及应力集中区大主应力的值.结果 进行载荷计算后,全瓷冠模型表面各节点的大主应力各不相同,饰面瓷位于加载区形成大的应力集中区,并产生几个次应力集中区:近中邻面边缘应力集中区、舌面应力集中区、远中邻面应力集中区、颊面应力集中区以及近中窝应力集中区.核瓷层大应力集中区主要位于近中舌尖的内侧面,并在近中边缘形成次应力集中区.结论 该分布规律与同类研究结果相似,与全瓷冠在受力下产生的失败模式的裂纹的起始部位相符合.
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过渡层弹性模量对全瓷叠层冠应力分布影响的实验研究
目的 分析过渡层弹性模量对全瓷叠层冠应力分布的影响.方法 在上颌第一磨牙叠层冠有限元模型上,对照组过渡层弹性模量与饰面瓷同为70 GPa,实验组过渡层厚度为0.6 mm,弹性模量分别为175、150、100 Gpa,进行力的加载,对模型饰瓷表面大主应力进行计算,导出大主应力云图及各应力集中区大主应力值.结果 实验组随过渡层弹性模量增加,所有大主应力集中区的高应力区面积逐渐减小,饰面瓷加载区大主应力值无明显变化,但次主应力集中区的大主应力值下降,并且随着弹性模量的增加,下降幅度增加.结论 设计过渡层有利于分散全瓷叠层冠饰面瓷应力,并且其弹性模量越大分散效果越好.
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摇椅弓及牙列和牙周组织三维有限元模型的建立
目的 建立下颌牙列、牙周组织及相应不同角度,不同弧形深度的0.018英寸×0.025英寸下颌标准弓形摇椅弓的三维有限元模型,并将其形成一个整体,为分析其生物力学性质提供一个可信的数学模型.方法 通过螺旋CT扫描,采用ANSYS有限元软件建模.结果 获得较理想的三维有限元模型,包括下牙列、牙周膜、牙槽骨和各工况摇椅弓,共2 709个节点,1 969个单元.结论 该模型有较好的力学和几何学相似性,所包含数据可以进行摇椅弓作用下牙齿的受力状况和牙周组织应力分布分析.
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上颌第一磨牙牙槽骨应力分布的有限元分析
目的:研究上颌第一磨牙远中移动时其牙槽骨应力分布情况,探寻磨牙远中移动的佳荷载方式,为临床提供生物力学参考.方法:采用已建立的上颌第一磨牙的三维有限元模型.使用四种不同负荷方式对模型进行加载,分析上颌第一磨牙远中移动时其牙槽骨的应力分布,并找出使上颌第一磨牙整体移动的佳负荷方式.结论:在上颌第一磨牙颊面中心附近施加远中力并结合抗衡力矩(Mt/F=10 Mr/F=6)可以在牙槽骨的远中面获得平均分布的低压应力,它能使牙齿倾向于整体移动.
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上颌第一磨牙远中移动时牙根应力分布的三维有限元分析
目的研究上颌第一磨牙远中移动时其牙根应力分布情况,探寻上颌第一磨牙远中移动的佳荷载方式,为正畸临床提供生物力学参考.方法采用已建立的上颌第一磨牙三维有限元模型.使用四种不同负荷方式对模型进行加载.结果上颌第一磨牙远中移动时,不同的加载所在牙根上产生应力分布不同.结论在上颌第一磨牙颊面中心附近施加远中力并结合抗衡力矩(Mt/F=10 Mr/F=6)可以使牙根获得较平均分布的低压应力,它能使牙齿倾向于整体移动并且可以避免牙根吸收.
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基于有限元法的生物体三维温度场无损重构
医学热诊断技术是一种无创的新型功能影像技术,其独特的诊断机理使其成为一种有潜力的医学影像辅助诊断手段.但是目前的热诊断大多根据热像图进行表观上的判断,主要依靠定性分析.本研究基于有限元法,通过求解Pennes生物传热方程,只需提取生物体的表面温度来重构三维生物体温度分布.利用通用有限元软件ANSYS的APDL二次开发功能和图形显示功能,得到直观的三维温度图像,特别是通过优化算法提取出体内的单个或多个异常热源信息,包括位置和强度,从而为医生的热诊断提供定量的分析.
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多孔钽块置入治疗股骨头缺血性坏死的生物力学及三维有限元分析
[目的]对比研究三种治疗成人股骨头缺血性坏死的生物力学方法；探讨髓芯减压对股骨头机械支撑力的影响及钽块置入治疗股骨头缺血性坏死的独特优势.[方法]选择健康成人右侧股骨为研究对象,经层厚2.0mm的螺旋CT扫描得各断面图像,输入计算机识别和提取股骨轮廓并行三维重建.按生理状态下股骨力载荷的三维空间分布,施加髋关节接触力1620N,外展肌合力1061N,髂胫束力1720N.对股骨头三维有限元模型进行计算,求出股骨头受力模型在不同坏死角度,不同减压位置股骨头负重区表面的塌陷值.[结果]股骨头髓芯减压后的塌陷值明显增大,以负重区为明显(P＞0.05),且随着坏死角度的增大股骨头的塌陷值也随着增大.[结论]髓芯减压虽能清除死骨,但减压本身则进一步降低了股骨头的力学性能,单纯的植骨并不能增加股骨头的机械支撑力；髓芯减压基础上以多孔钽金属块为股骨头及软骨下骨板提供安全而有效的力学支撑,能有效防止塌陷,并为骨组织的修复提供条件.
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正常步态下距骨关节面接触特征的有限元分析
[目的]通过有限元法分析正常步态下距骨各关节面软骨应力变化,了解各关节面软骨应力分布的生物力学特征.[方法]利用正常男性的足踝部螺旋 CT 扫描数据,运用三维建模软件,建立足踝部三维几何模型,并对其进行有限元网格划分,分析正常步态下距骨各关节面接触应力及 Von Mises 应力分布.[结果]建立包括骨、软骨、韧带在内的正常人体足踝部三维有限元模型,共21 865 个节点、73 440 个单元,较客观地反映了人体足踝的解剖结构和力学特性.不同位相距骨各关节面接触应力及 Von Mises 应力分布区域和应力值不同.[结论]采用有限元法分析关节软骨应力的生物力学特征是一种可行、有效的方法.
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镍钛记忆合金网球治疗股骨头缺血性坏死的生物力学及三维有限元分析
目的:对比研究三种治疗成人股骨头缺血性坏死方法的生物力学行为;寻找合适的网球支架直径和放置位置.方法:取新鲜人股骨头标本9具模拟股骨头缺血性坏死髓芯减压后的状态,测量每具标本在单纯减压、减压+植骨以及植骨+网球支架植入三种状态下的力学刚度,对其结果进行统计学分析.并对股骨头三维有限元模型进行计算,求出股骨头受力模型在不同网球直径、不同植入部位时股骨头负重区表面的塌陷值.结果:单纯髓芯减压组和髓芯减压+松质骨移植组的刚度统计学无明显差异(P>0.05),髓芯减压+松质骨移植+记忆合金网球支架植入优于前两种状态(P<0.01).记忆合金网球支架直径在2.5～3cm时塌陷值小,超过4cm后塌陷值无明显变化,<1.0cm时几乎无作用.网球位于负重区下0.3～0.6cm时塌陷值小,超过9mm后几乎不起作用,网球偏离负重区时其塌陷值增大.结论:镍钛记忆合金网球支架植入增加了股骨头负重区软骨下骨的机械支撑,可降低局部应力,有利于股骨头坏死的修复与重建,单纯的松质骨移植并不能增加股骨头的机械支撑力.记忆合金网球治疗网股头缺血性坏死的佳直径2.5～3cm,佳位置在股骨头负重区正下方3～6mm.
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跟骨骨折内固定方法的有限元模拟比较
目的:对应用不同钢板固定跟骨关节内骨折手术治疗方法进行比较检验.方法:应用三维有限元模拟跟骨关节内冠状面骨折.跟骨的形状与材料属性取自CT扫描图像.模型正确性已经尸体检验.对模型的距下关节面施加600N垂直载荷.检验H型、T型和Y型3种钢板对跟骨骨折的固定效果.结果:H型钢板对骨折固定为牢固,但T型钢板固定的骨的应力分布接近正常跟骨且其钢板与螺钉的应力集中程度小.结论:应用有限元法对不同钢板固定跟骨骨折进行比较检验是切实可行的并能获取有益的信息.
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有限元法在股骨头缺血性坏死生物力学中的应用
目前,股骨头缺血性坏死(osteonecrosis of femoral head,ONFH)过程中生物力学因素的影响日益受到人们的关注.随着工程力学与医学的结合,有限元分析作为一种新的生物力学研究手段,逐渐被应用到医学领域.Brlelmans[1]和Rybicki[2]在1972年首次将有限元法应用于骨科生物力学的研究.近年来发展迅速,尤其随着软件技术和计算机的不断发展,特别是利用临床影像学与CAD、CAM技术结合的三维有限元分析法在骨科生物力学研究中越来越占重要地位[3-9].本文就近年来FEM在ONFH生物力学中的应用研究综述如下.
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解剖结构完整的踝关节有限元模型构建及意义
目的 构建包含踝关节各骨与韧带等完整解剖结构的三维有限元模型,为踝关节生物力学研究提供数字化平台.方法 对1例正常青壮年男性的右足行螺旋CT扫描,获取其CT图像,利用Mimics软件重建足踝部骨骼及外围软组织的三维结构,分别通过FreeForm和SolidWorks处理后导入ANSYS及Workebench模块,建立踝关节三维有限元模型,并对其进行有限元网格划分.通过解剖和文献数据模拟建立踝关节软骨、韧带、跖筋膜、小腿骨问膜,对模型进行加载与验证.结果 建立了2个包含骨与软组织结构的正常人体右踝关节三维有限元模型,模型加载结果与相应数据对比具有一致性.结论 成功建立了解剖结构完整的踝关节三维有限元模型,该模型较客观地反映了踝关节的解剖结构和力学特性.
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过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折关节突关节动态力学有限元分析
目的 建立胸腰段三维有限元模型,观察过伸复位治疗胸腰椎压缩性骨折关节突关节的动态生物力学特性.方法 依据1例T12椎体压缩性骨折患者的210层Dicom3.0标准CT图片,建立T12椎体单纯压缩性骨折的胸腰段有限元模型;验证模型的有效性后,模拟过伸复位手法约束L2下端所有面,给T12椎体上端一个纵向牵引力,分别于T11、T12、L1棘突顶点给予垂直朝向椎体、3.0 cm的位移.程序运算,读取受压椎骨左右关节突关节的受力情况.结果 建立了外形逼真、生物力学全面的T12椎体压缩性骨折的胸腰段三维有限元模型,复位中关节突关节承受了较大的压应力且逐渐增大,以过伸支点在T12棘突顶点时的受力大、稳定,骨折复位彻底.结论 建立了胸腰段三维有限元模型.过伸复位支点应在骨折椎骨棘突顶点,关节突关节在过伸复位中起着支点的作用,其承受较大的压应力是胸腰椎骨折患者后期出现腰背痛的原因之一.
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牙周夹板的生物力学研究进展
牙周病是人类牙齿缺失的主要原因,其治疗目的是固定松动牙,分散(牙合)力,减轻牙周支持组织的负担,为牙周组织的愈合创造有利条件.牙周夹板的应用,除可以达到上述治疗目的外,还可改善并提高牙周病患牙的咀嚼效能,减少食物嵌塞,延长患牙的使用寿命等.现将牙周夹板的生物力学原理、有限元分析技术在牙周夹板生物力学研究中的应用以及牙周夹板的材料、形态、类型对应力分布影响等方面的研究进展情况综述如下.
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有限元法在下颌骨骨折中的应用
下颌骨是颌面部体积大、位置较突出的骨骼,容易遭受损伤,在平时或战时其损伤的发生率均较高,居颌面骨骨折首位,占颌面骨骨折的55%～72%[1].对其研究一直是颌面创伤研究的重点之一.利用有限元法对下颌骨骨折的生物力学的研究报道不多[2-6],现将有限元分析法对下颌骨骨折的应用的研究现状介绍如下.
