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冷冻外科中组织冻结的实验和理论研究
冷冻外科中组织冻结过程的温度场和温度梯度分布，达到要求温度所需的理论冷量等热力参数对深入分析冷冻损伤机理，指导手术过程十分重要。本文对3．4 mm冷刀在明胶(模拟生物组织)中的冻结过程进行了实验。并用焓法建立了模拟生物组织冻结过程的多维数学模型，用有限元法进行了求解。计算结果与实验值符合较好。该模型和方法可用于预测各种壁面降温规律下组织冻结范围、各点温度梯度和理论冷量。
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颅内动脉瘤的三维数值模拟分析
目的 应用计算流体力学软件结合有限元法对颅内动脉瘤进行三维数值模拟,分析动脉瘤的血液动力学特性.方法 利用临床三维血管造影图像建立动脉瘤数值模型,用Matlab 7.0软件及Ansys软件提取动脉瘤的立体轮廓并进行三维网格划分,然后应用Fluent6.02软件进行动脉瘤数值模拟及血流动力学分析.结果 本例研究对象显示动脉瘤流人道的血流速度、动压及壁面切应力高.流出道次之,顶部低.结论 ①根据病人的解剖结构所构建的动脉瘤模型的三维数值模拟,把压力人口及脉搏波动应用其中,对血流动力学数据分析更先进、更接近临床实际.②动脉瘤顶部的血流流速、瘤内压力、壁面切应力均低,这种特殊的结构导致了动脉瘤顶部可能成为动脉瘤破裂的部位.③动脉瘤三维数值模拟能够很好地反应动脉瘤的血液动力学特性,是一种极好的动脉瘤实验及临床研究方法.
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全髋关节置换术生物力学有限元分析的研究进展
有限元法(finite element method,FEM)是在工程科学技术领域广泛应用的解析方法,是解决复杂工程学问题的必备工具之一.对人体力学行为进行自限元数值模拟已成为深化对人体认识的一种有效手段,通过对实验条件的控制,更准确地模拟体内的力学情况,已显示出极大的优越性.
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髋臼后壁骨折的三维有限元模型构建与应力分析
目的 通过构建髋臼三维有限元模型,探讨髋臼在后壁不同面积骨折情况下应力分布的变化.方法 通过对髋骨大体标本进行CT扫描,获取断层图像,利用Mimics软件重建三维模型;然后将模型导入FreeForm软件进行修饰处理,再以IGES格式导入有限元软件Ansys对各组成部分进行力学参数赋值,建立髋臼三维有限元模型.依次按后壁1/3、2/3、3/3骨折面积将模型进行拆分,模拟双足直立位进行加载,分析臼顶负重区、髋臼前壁和剩余后壁在各骨折状态下应力分布大小及改变.结果 建立了髋骨三维有限元模型,共69 440个节点,45 209个单元.加载分析显示髋臼后壁骨折使臼顶负重区应力依次增加20%、26%、33%,以垂直方向应力为显著;前壁应力依次降低22%、30%、35%;剩余后壁应力依次增加39%、47%、54%.结论 构建髋臼三维有限元模型进行加载分析是一种较好的生物力学测试方法,具有较高的仿真度.后壁骨折明显改变了髋臼各部分的应力大小与分布.
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主动负重和被动加载时骨折局部力学环境的比较研究
目的 比较主动和被动加载时长骨骨折局部的生物力学环境,为选择理想的加载模式提供参考.方法 建立胫骨中段横行骨折外固定系统的三维模型,通过改变骨痂弹性模量模拟骨折愈合早期(4～8周)愈合骨的刚度,利用有限元法计算主动负重与被动加载时骨折局部的力学环境及钉孔处的应力分布.结果 主动负重时骨痂内部始终为压应力;被动加载在骨折愈合早期也为压应力,但随着骨痂刚度的提高,靠近外固定支架侧仍为压应力,对侧逐渐转为张应力.骨折断端的位移随着骨痂刚度的提高而降低,到术后8周位移接近为零.两种载荷方式钉孔处存在较高的压应力,但主动载荷时应力更高.结论 在骨折愈合早期,宜采用体外的机械装置对愈合骨施加载荷,其力学影响因素为位移;随着骨痂的生长与钙化,应逐渐改为由患者主动部分和完全负重,其力学影响因素为应力.
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创伤骨科基础研究有关新进展
创伤骨科的临床救治成活率近年提高较快,但成活后的功能恢复率并不满意.为此,应进一步加强有关基础理论研究.创伤骨科基础研究范围广泛,近年出现的较新进展有数字化虚拟人体在教学、科研和临床上的应用;生物力学研究从常用的实测技术方法向理论模拟的有限元发展;创伤早期救治的分子生物学探索;骨质疏松的药理学基础研究;用组织工程学理论和技术寻找新的创伤缺损修复材料来源.
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枕寰枢复合体减压术的有限元分析
目的 通过有限元法分析枕寰枢复合体前路减压(经口齿突切除术)和后路减压术的生物力学改变. 方法 以正常枕寰枢复合体模型为基础,建立几种前路减压、后路减压模型以及前路、后路减压手术模型,在屈曲载荷下,和正常模型对比分析运动学,关节应力和韧带应变. 结果 与正常模型比较,前路减压模型的寰枕、寰枢间运动角度、关节应力、韧带应变和前后移位都增大,寰枢角度变化更明显;后路减压模型的寰枕、寰枢间运动角度、关节应力、韧带应变和前后移位亦都增大,寰枕角度变化更明显. 结论 前后路减压手术均破坏了枕寰枢复合体的稳定性,且前路的稳定性更差,当寰枢正中关节已经受损时行单纯的后路减压而不行固定术危险性较大.
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上颌第一磨牙核桩冠的三维有限元模型建立
目的探索一种建立上颌第一磨牙核桩冠的三维有限元模型的方法.方法采取磨片法结合数码相机获取断层图片的建模方法.结果建立了上颌第一磨牙核桩冠的三维有限元模型.结论该方法是一种较准确有效且实用的建立牙齿三维有限元模型的方法;建立的后牙三维有限元模型具有较高的相似性.
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可摘局部义齿有限元应力分析的研究进展
有限元分析法是一种求解连续介质力学问题的数值方法,近年来被广泛应用于口腔生物力学研究中.本文就可摘局部义齿有限元应力分析的研究进展做一综述.
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有限元法在脊柱内固定生物力学研究中的应用进展
近年来脊柱外科手术的数目和种类不断地增长,及骨科生物力学((orthopedic biomechanics)的提出,越来越多的临床医生开始在骨骼肌肉系统疾病中将生物力学纳入整体思考.特别是在脊柱内固定方面,运用生物力学原理全面分析脊柱及内固定器的力学改变,对于合理使用内固定器以取得佳矫形和固定效果、降低手术失败率、减少术后并发症具有重要意义.就有限元法的概念、原理、发展及医学有限元的建模过程等综述近几年有限元法在脊柱内固定、椎间融合器植入及对新的内固定器械评估方面的一些研究进展.
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后牙残根核桩冠的三维有限元模型建立
目的:建立上颌第一磨牙残根桩核冠的三维有限元模型,以便对后牙残根核桩冠修复后的应力学进行研究.方法:采用CT扫描,Mimics软件和Abaqus软件的CAD进行三维有限元模型的创建.结果:建立了上颌第一磨牙残根桩核冠的三维有限元模型.结论:建立的后牙残根三维有限元模型具有高度的几何相似性和力学性能相似性,可以用来进行后牙残根核桩冠修复后的力学研究.
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简易外固定架自攻螺钉的三维有限元模型的初步建立及应用
目的:建立外固定架螺钉钻入胫骨干的三维有限元模型.方法:运用Mimics软件,Pro/E,Geomagic Studio,Ansys Workbench13成功建立胫骨螺钉装配体三维有限元模型,并施加轴向载荷,扭转载荷观察结果.结果:装配体共生成3 710个体网格,6 952个点,Von-Mises和Total Deformation应力云图显示轴向和扭转载荷螺钉的大应力位于螺钉与皮质骨接触处,形变大的位置在钉尾.结论:三维胫骨螺钉装配体有限元模型为螺钉与胫骨的应力的定量研究提供基础,为不同材料属性,不同载荷的螺钉的生物力学研究提供基础.
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颌面部爆炸伤造成颅底继发损伤三维有限元仿真模拟及生物力学分析
目的 利用有限元法(finite element method,FEM)构建人颌面部三维有限元模型,仿真模拟颌面部不同部位爆炸伤,对颅底部继发性损伤进行生物力学分析.方法 采集一成年男性头部CT数据,用有限元建模软件建立人颌面骨三维有限元模型;在爆炸当量、距离相同条件下,对颌面部不同部位爆炸伤进行动态仿真模拟;在颅底部选取15个标志点进行生物力学分析.结果 成功模拟出颌面部3个部位受到相同条件冲击波作用时,颌面骨骨折的动态过程、颅底部应力分布及传导情况;爆炸物距鼻尖前方5 cm时,卵圆孔内侧、垂体窝、斜坡等Von Mises应力较大;爆炸物距右眼眶下缘正前方5 cm时,卵圆孔内侧、垂体窝、斜坡等Von Mises应力较大;爆炸物距右侧颧弓正前方5 cm时,右侧蝶骨大翼、右侧卵圆孔内侧、斜坡等Von Mises应力较大.结论 利用FEM可以有效地模拟颌面部爆炸伤的致伤过程,颌面部不同部位受到爆炸冲击波时,应力集中区出现的部位不仅与颅底结构有关,也与应力传导途径有关.
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有限元法在颌骨生物力学研究中的应用研究进展
生物力学是力学与生理学、医学等学科相互渗透形成的边缘科学,用力学方法定量的研究和分析形态结构和功能之间的关系[1].
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微电极阵列电刺激视网膜的温度场有限元分析
为了避免长期电刺激造成视网膜热损伤,本研究旨在探讨使用视网膜假体时电极阵列参数对视网膜温度分布的影响.参照实际的视网膜上假体,用有限元软件(COMSOL Multiphysics)建立4×4微电极阵列电刺激视网膜的三维模型,计算电刺激视网膜时的稳态温度场.分析了电极触点间距、材料与触点半径(即面积)等参数对温度场分布的影响.采用实际刺激电流,视网膜内稳态温度大增加约0.004℃;电极触点间距从130 μm增加到520μm时,温度降低约0.006℃;触点半径从130 μm增加到260 μm时,温度降低约0.005℃.结果表明,4×4微电极阵列电刺激不会对视网膜造成热损伤.视网膜内的大温度随着电极触点间距的增加而降低,间距超过触点直径时大温度之间的差异减少;温度随着触点面积增加而降低;不同电极材料之间的温度差别可忽略.合理地设计电极触点间距和面积可以减少电刺激时的温升.
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不锈钢冠脉支架体外耦合扩张变形行为研究
利用有限元方法(FEM)仿真模拟分析了3种不同结构不锈钢(SUS-316L)支架的耦合扩张过程.对3种支架在耦合扩张过程中变形和应力应变分布情况作了具体的分析比较;定量描述了3种支架的轴向缩短率、径向反弹率、扩张不均匀性和安全系数等生物力学性能,分析了影响数值结果的因素;并综合各项生物力学性能研究分析出3种结构支架中较好的支架结构.通过支架的体外扩张实验验证有限元模拟结果的合理性.
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新型可降解镁合金血管支架的力学分析
近年来,可降解镁合金血管支架被用于动物实验和临床研究.文献报道镁合金支架具有良好的生物相容性,植入血管后能够被逐渐腐蚀降解,但与不锈钢相比,镁合金材料脆性大,塑性变形能力差.我们根据Biotronik公司的一种镁合金血管支架建立有限元模型,模拟其扩张和弯曲过程.有限元分析结果表明,扩张过程中支架中的大应变值达到20%,超过了目前市场上提供的镁合金的大延伸率.因此,为了使支架在扩张过程中不发生断裂,需要定制镁合金成分,并通过细化晶粒来提高材料延展性.在此基础上,才能研制出可用的镁合金血管支架.
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基于多场耦合的生物组织微波热声信号分析
我们根据微波照射生物组织时电磁场、热场、声波场三者之间的耦合关系,对微波激励热声成像正问题展开研究.从实验样本热学和声学的空间不均匀性角度出发,应用有限元方法求解热声波传播方程.由于入射微波对不同组织的穿透深度不同,不同组织对微波能量的吸收率不同,导致样本内部初始热声源的位置不同,相应地影响到声压传播情况.仿真结果表明,不同检测点声压信号中的信息量是不同的,检测点的声压信号富含样本中组织结构和电声学特性的信息量,从而能够从检测点的信号反映出关于样本结构和组成的信息.
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仿生人工关节囊研究(1)-力学仿真
我们建立了有仿生关节囊的人工关节简化的三维模型,用有限元数值方法,对所建模型在不同载荷、不同角位移、不同关节囊厚度情况下的受力状况进行了计算分析.结果表明:在仿生人工关节囊中,大应力发生在关节囊与股骨/胫骨相接触区域.仿生关节囊厚度对关节囊应力大小和分布的影响与运动状态有关:在静止站立状态,大应力数值随囊厚增加而减小;在行走步态,大应力数值随囊厚增加而增大.在不同情况下,大应力数值都在所选用的关节囊材料的强度极限(9.97 MPa)范围内.
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有限元法在腰椎生物力学应用中的研究进展和展望
本文基于有限元分析在脊柱生物力学应用中的背景和意义,回顾了有限元法在腰椎力学应用中的研究进展,并对其应用前景进行了展望.本文重点归纳整理了有限元法在腰椎本体建模、临床应用研究和职业损伤防护等方面的研究进展,得出有限元法在腰椎生物力学应用中的主要研究方向:建模过程的精细化、仿真方法的更优化、适用临床评估的多样化和人工腰椎间盘的临床化.后结合新的研究进展和热点方向,对有限元法在腰椎建模的自动化和个性化、新型术式的评估和分析、损伤机理和动态响应仿真等方面的应用前景进行了展望.本文通过对有限元法在腰椎生物力学领域中的应用研究进行回顾和展望,以期为临床腰椎问题提供更加全面系统的理论参考和实践指导.
