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网球运动员持拍手的三维数值研究
目的:对网球运动员持拍手手腕进行三维数值模拟.方法:对网球运动员持拍手手腕进行CT扫描获得二维图像,利用MIMICS软件直接建模并导入Patran软件,对模型进行有限元分析.结果:手腕承受相同方向不同大小载荷,以及相同大小不同方向载荷应力所产生的影响均锁定在相同区域内,即拇指掌骨连接处及掌骨中下部、食指掌腕连接处、中指掌骨全部、无名指与小指掌骨中下部、钩骨四周、舟骨中段以及头状骨左侧.利用MIMICS和Rapidform软件实现了手骨三维建模和数据格式转换,并在Patran软件中完成有限元网格剖分及应力应变计算.此方法适用于本研究,数值模拟结果与运动损伤实例相符.
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材料力学性能对人颞下颌关节力三维非线性模拟的影响
目的:比较分析骨性结构和关节盘的材料力学性能对在活体基础上建立的人颞下颌关节(Temporomandibular joint,TMJ)三维非线性有限元模型模拟TMJ力的影响.方法:利用Auto-CAD软件及螺旋CT扫描技术与有限元应力分析方法相结合,在活体基础上建立TMJ三维非线性有限元模型并比较下颌骨、关节窝和关节盘选用不同材料力学性能时关节内应力的变化.结果:骨组织的各向同性和各向异性特征使组成TMJ的骨性结构的应力分布产生一定的差异,材料的各向异性使其von Mises应力增大,尤以髁突及关节内的功能承载部位前、内侧区域更明显,而骨结构的其他部位和关节盘则变化不明显.关节盘材料的不同线性和非线性弹性模量对正中咬合时TMJ的von Mises应力分布状况无影响.结论:TMJ内髁突及关节功能承载的前、内侧部位为易受材料力学性能变化影响的应力敏感区域,关节盘具有很强的分散、缓冲关节内力的作用.对生物组织力学性能的认识是更加真实、合理地反映和模拟生物体内力学环境的基础和保证.
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即刻负载种植体尺寸对骨界面生物力学分布的影响
目的 分析种植体直径和长度对即刻负载种植体骨界面应力应变的影响.方法 分别建立含尺寸为3.3mm×10mm,4.1mm×10mm,4.8mm×10mm,4.1mm×6 mm,4.1mm×8 mm,4.1mm×12 mm及4.1mm×14mm的即刻负载种植体的下颌骨三维有限元模型,用ANSYS软件分析在垂直和颊舌向45°加载150N力时种植体骨界面颈部的von Mises应力、应变值.结果 垂直加载时,3.3mm×10mm的种植体应力及应变均大,其平均值及大值均明显大于其他各组,绝大多数差别有统计学意义(P＜0.05);其次为4.1mm×6mm的种植体,大多数的差别有统计学意义(P＜0.05).颊舌向加载时,应力及应变值均明显增大,但同样是种植体尺寸为3.3mm×10mm应力、应变大,4.1mm×6mm的种植体次之.种植体尺寸为4.8mm×10mm应力值小,应变值也接近小.4.1mm×10mm的标准种植体应力值只与3.3mm ×10mm及4.8mm×10mm的差别有统计学意义(P＜0.05).结论 增加种植体的直径和长度都可降低骨界面颈部应力和应变,并且直径的改变对生物力学的影响更显著.即刻负载种植体的直径至少要4.1mm,骨量充足时尽量选用直径4.8mm的种植体;长度至少要10mm.
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上颌中切牙氧化锆桩核的三维有限元分析
目的 通过三维有限元法研究不同长度、直径氧化锆桩核冠模型的应力分布,为氧化锆桩核修复的临床病例选择提供理论依据.方法 采用Micro-CT扫描、DICOM标准数据建模法及Mimics、Pro/E软件建立不同长度、直径的上颌中切牙氧化锆桩核全冠模型共5组,在中切牙牙冠模型舌侧切缘下2mm与牙长轴成45°角施加100N载荷,用ANSYS Workbench有限元分析软件计算各实验组桩核上的大主应力、等效应力.结果 各组模型氧化锆桩核冠应力分布模式无差别;大主应力峰值除在舌侧加载区集中外,还位于根管内桩的舌侧中1/3;等效应力峰值位于根管内桩的唇侧中1/3.随着桩的直径减小,其应力峰值减小;桩长度增加时,其应力峰值降低.结论 在一定范围内,氧化锆桩核直径越小,产生的应力越小,但过细的桩容易弯曲折断;在一定范围内,增加桩的长度可以减小应力.临床应根据牙体髓腔大小合理进行桩道预备.
关键词： 氧化锆桩核 ANSYS Workbench 有限元法 应力分析 -
MIPPO技术下胫骨近端外侧LCP锁定固定有限元模型设计
目的:设计胫骨近端外侧LCP锁定固定有限元模型,可以进一步用于生物力学研究及快速成形模型构建.方法:采集正常胫骨CT扫描DICOM数据,应用Catia软件建立胫骨上端几何模型,用Solidworks软件切割出模拟骨折线,再用特征建模的方法加入内固定模型,后对模型进行力学有限元分析.结果:胫骨近端外侧LCP内固定有限元模型的设计可以根据模型不同部分赋值,模拟不同工况条件下内固定物的生物力学特点,具有先进性、科学性,直观性、且结果精确.结论:胫骨近端骨折外侧LCP内固定有限元模型可以摸拟不同条件对内固定物的生物力学影响,有限元法是研究骨科生物力学的有效方法,实验结果可以指导临床正确选用内固定物及内固定方式.
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有限元法在医疗器械设计中的应用
有限元法是机械工程中用来分析结构应力应变的一种数值方法,该方法已经被应用到医疗器械尤其是骨折固定器的设计中.本文以骨折外固定架为例,通过对某型外固定架的抗压、抗弯和抗旋性能的分析,说明在医疗器械的设计阶段,采用有限元法可以使设计者了解其力学特性,发现强度或刚度的薄弱点,从而改进和优化设计.
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基于ANASY的CT方舱有限元建模与模态分析
目的：利用计算机仿真技术对CT方舱结构进行模态分析，为方舱结构优化提供指导。方法：利用ANSYS有限元分析平台，以CAD模型为基础，建立CT方舱的结构有限元模型，对模型进行模态分析并研究方舱结构的动力学特性。结果：方舱结构模态避开了底盘系统的固有频率，避免了结构发生整体共振；第3阶和第4阶模态频率与发动机怠速频率接近，容易发生共振；路面不平度激励频率覆盖了舱体前6阶模态频率，建议进一步对CT设备支架采取减振措施。结论：基于有限元基本理论，利用现有的软件平台，可以对方舱舱体结构进行仿真模态分析，分析结果可以为今后方舱结构优化、改善动力学特性提供重要依据。
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基于头部组织不同电导率特性的阻抗成像正问题仿真研究
目的 通过建立5层有限元真实头模型,研究了各层组织非均质和颅骨、脑白质各向异性电特性对电阻抗成像问题中电磁场分布的影响.方法 对头部各组织建立4种电导率分布模型:均质分布、非均质分布以及颅骨和脑白质各向异性电导率模型；通过正问题数值求解得到不同模型下的磁场分布和电场分布,并通过定量的统计分析研究非均质和各向异性电导率特性对电磁场分布的影响.结果 表明电磁场分布对头部组织非均质和各向异性电导率分布是敏感的.结论 此研究为基于核磁共振电阻抗成像技术对头部组织各向异性和非均质电导率进行重构奠定了一定的理论研究基础.
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软骨缺损形状对组织工程修复区的力学影响
目的 通过有限元仿真探究组织工程修复软骨缺损后缺损形状对修复区力学状态的影响.方法 运用Abaous6.10软件建立软骨纤维增强的多孔黏弹性模型,包括软骨的两相结构、不同层区胶原纤维的作用、方向及渗透率的特征.在压缩载荷下分析缺损截面形状(矩形、梯形、圆弧形)和缺损深度(浅表层、中间层、深层、全层)对软骨修复区应力的影响.结果 对于中间层缺损,矩形截面修复界面处的Mises应力小,梯形次之,圆弧形大.对于不同缺损深度,当弹性模量＜0.3 MPa时浅表层修复界面处应力大,其他缺损深度的应力相差不大;当＞0.4 MPa时,应力由小到大依次为浅表层、中间层、全层、深层缺损;而在此之间时应力与泊松比大小有关.结论 软骨缺损截面形状和深度对修复区应力都有影响,临床上可制作矩形缺损截面和不同的缺损深度,并选择合适的弹性模量和泊松比的软骨植入达到较好的修复效果.
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桩核材料对牙本质应力分布影响的三维有限元分析
桩核修复已成为修复牙冠缺损牙齿的有效方法,目前临床使用的桩核大致可以分为金属和非金属二类.前者有镍铬合金、钴铬合金、纯钛、钛合金、金合金、铜合金等.后者包括陶瓷、复合树脂及各种纤维加强的树脂等.
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牵张方向对下颌骨牵张成骨应力分布与位移影响的生物力学分析
目的 建立优化的下颌骨牵张成骨的三维有限元模型以研究下颌骨体部模拟牵张成骨时牵张方向对下颌骨体部牵张成骨的影响.方法 测量不同加载条件下,下颌骨的VonMises应力、位移.结果 可以看出当牵张器平行于下颌骨体放置时,模型中的大应力是牵张器平行于矢状轴模型中大应力的2倍.Von Mises应力集中主要发生在加载部位(牵张器与骨的结合点)和髁状突的颈部前下方区域,可能导致局部骨质吸收,从而造成螺钉松动,影响牵张器的稳固性.当模型的加载位移增加时,大应力与加载位移值成线性关系.平行于下颌骨体组模型存在明显的侧方力,牵引装置牢固固定在下颌骨体部表面,牵引装置所产生的反作用力使它的后臂产生向外侧位移,这种装置-骨界面效应,可导致近中骨段颊侧移位,从而使牵张后的下颌骨形态发生变化,导致咬合关系错乱,面形改变,颞颌关节滑动轨迹的变化可能导致关节功能的紊乱.牵引装置平行于矢状轴放置时,这种反作用力可降至低程度.结论 牵张器平行于矢状轴优于平行于下颌骨体,此项研究为牵张器在临床应用中的放置位置和牵引方向提供了理论依据.
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不同部位种植体支抗前牵引上颌的三维有限元分析
目的 采用三维有限元方法分析不同部位的种植体支抗前牵引对上颌复合体的影响,为种植体支抗前牵引治疗骨性Ⅲ类错(牙合)提供客观的理论依据.方法 运用已建立的上颌复合体和种植体的三维有限元模型,在上颌骨唇颊侧三个不同部位(上颌中切牙与侧切牙牙根间;尖牙与第一双尖牙牙根间;第二双尖牙与第一磨牙牙根间)植入种植体,模拟临床在种植体上加载前牵引力,不同部位和不同角度之间两两组合共形成12种工况,分析比较不同工况下上颌复合体发生的应力分布以及旋转、移位变化.结果 不同部位不同角度的前牵引力对上颌复合体的影响表现为:①牵引力向前下与眶耳平面呈30°方向时,随着种植体部位的逐渐后移,除颧额缝处应力逐渐减小外,其余各骨缝处应力逐渐增大.当种植体位于第二双尖牙与第一磨牙牙根间时,上颌复合体各相关骨缝主应力值接近.②牵引力向前下40°方向时,蝶颌缝变化较大.当种植体位于中切牙与侧切牙牙根间和尖牙与第一双尖牙牙根间时此处受到的是压应力;而当种植体位于第二双尖牙与第一磨牙牙根间前牵引时则变为拉应力.(牵引力向前下50°和60°方向时,鼻颌缝处应力在三个不同部位种植体牵引时虽发生较大变化,但均为拉应力.蝶颌缝处应力均为压应力.结论 根据应力分析,随着种植体植入部位的逐渐后移,上颌复合体逆时针旋转趋势逐渐增大:①牵引角度30°,种植体位于第二双尖牙与第一磨牙牙根间时,上颌复合体可能发生近似整体前移;当种植体位于中切牙与侧切牙牙根间、尖牙与第一双尖牙牙根间时,上颌复合体均可能发生顺时针旋转.②牵引角度40°,种植体位于第二双尖牙与第一磨牙牙根间时,上颌复合体可能发生逆时针旋转,其余两部位前牵引时上颌复合体均可能发生顺时针的旋转;③牵引角度大于50°,三个不同种植体部位前牵引均可能导致上颌复合体顺时针旋转.
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软衬材料固位的全下颌种植覆盖义齿三维有限元应力分析
目的探讨弹性缓冲装置对种植覆盖义齿应力分布的影响,为优化种植覆盖义齿设计提供依据.方法应用三维有限元法,对采用弹性软衬材料和非弹性材料固位的全下颌种植覆盖义齿进行应力分析,对比义齿本身和支持组织应力分布的差异.结果①无弹性材料缓冲的覆盖义齿对斜向载荷的抵抗性差,种植体颈部-皮质骨界面应力峰值为垂直载荷的2.4～9.2倍.垂直及斜向载荷,种植体及基托均有较高的应力集中.②弹性软衬材料固位的覆盖义齿,垂直及斜向载荷时,种植体-骨界面及义齿本身应力分布较均匀,避免了较大的应力集中.结论弹性软衬材料应用于全下颌种植覆盖义齿时,表现了良好的应力缓冲作用,降低了种植体-骨界面应力峰值,减少机械性并发症的发生,有利于提高种植覆盖义齿的远期成功率.
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下颌固定义齿基牙齿槽骨降低时不同受载的三维有限元分析
目的研究下颌后牙固定义齿在齿槽骨降低后受载的三维有限元应力分布情况.方法在建立的下颌固定义齿三维有限元模型的基础上,选取桥体、两侧基牙的咬合面施加不同方向的载荷,利用MARC有限元分析软件计算并绘制各种载荷下的应力分布图像.结果固定义齿受垂直载荷时基牙的牙周支持组织的应力分布集中在根尖部位,以压应力为主.斜向载荷使基牙支持组织的应力增加且分布不均匀,颈部的应力增加较多.齿槽骨的降低使固定义齿基牙支持组织的应力增加,但分布规律不变.结论齿槽骨的降低使固定义齿基牙支持组织的应力增加,此类修复体的设计应特别注意基牙牙周组织的健康.
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骨性开(牙合)与骨性深覆(牙合)下颌应力及影响因素的有限元分析
目的探讨骨性开(牙合)和骨性深覆(牙合)的下颌应力分布、影响因素及其病因联系.方法通过尸体解剖建立两种错(牙合)的下颌二维有限元应力分析模型,按照轴对称原理,在力系分析基础上进行模拟加载,比较下颌应力状况并进行相关因素分析.结果①咬合瞬间骨性开(牙合)和骨性深覆(牙合)的下颌应力存在明显差异,与骨性深覆(牙合)者相比,开牙合者升支前缘及乙状切迹区呈现更高水平拉应力,而下颌角、角前切迹区压应力水平亦显著增高.②下颌形态是影响下颌应力的主要因素,咀嚼肌方向的作用很小.结论形态变异导致的下颌表面应力差异可能是导致骨性开(牙合)者与骨性深覆(牙合)者下颌骨表面生长改建不同的原因.
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上颌全口义齿固位与稳定性的三维有限元分析
目的研究牙尖斜度、腭穹隆形状、人工牙排列位置对上颌全口义齿固位与稳定性的影响.方法应用三维有限元方法研究牙尖斜度、腭穹隆形状和人工牙排列位置对上颌全口义齿基托位移状况的影响.结果颊侧基托边缘区垂直向位移均为压向粘膜方向,使基托下沉的移位;后牙从牙槽嵴顶向颊侧移动,前牙唇向偏离牙槽嵴时,唇、颊侧基托边缘区位移增大;牙尖斜度为0°和10°时,基托后缘区垂直向位移、唇侧基托的垂直向和纵向位移均为背离粘膜方向,牙尖斜度大于等于20°时,基托后缘区和唇侧基托边缘区的垂直向位移变为压向粘膜方向.腭穹隆低平和腭穹隆高者位移较腭穹隆适中者大.结论牙尖斜度、腭穹隆形状、人工牙排列位置对上颌全口义齿的固位与稳定有明显的影响作用.选用牙尖斜度为22°～24°的人工牙有利于义齿的固位与稳定.
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颅内动脉瘤计算流体力学有限元分析
目的 分析颅内动脉瘤的血流动力学特征,探讨动脉瘤血流动力学特征与动脉瘤发生、发展和破裂的关系.方法 利用一名患者动脉瘤的三维DSA影像,采用有限元分析的方法,使用Mimics、Geomagic Studio、ICEM CFD软件建立动脉瘤及载瘤动脉的计算流体力学模型,使用ANSYS CFX软件进行求解,计算出颅内动脉瘤内的相关血流动力学参数,分析相关参数之间的关系.结果 动脉内的血流动力学参数均存在差异.动脉瘤内部的血流速度及壁面切应力有在瘤颈高,瘤顶部及子瘤顶部低的特点,瘤内压力差异不显著.动脉瘤及载瘤动脉内的壁面切应力和壁面压力都与血流速度正相关.结论 动脉瘤顶部血流流速、壁面切应力值均为低,这种特殊血流动力学改变可能是导致这些区域动脉瘤壁变薄弱的因素而与动脉瘤的发生、发展和破裂密切相关.动脉瘤瘤壁压力与动脉瘤附近载瘤动脉壁面压力无明显差异,压力可能不是动脉瘤的破裂主要原因.
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有限元方法在颈椎生物力学中的应用
生物力学因素在脊柱疾患的发病机制中具有十分重要的作用.随着对脊柱疾病认识的深入,脊柱相关的生物力学成为研究的热点,而有限元法是目前使用比较广泛的研究脊柱生物力学行之有效的分析方法.
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有限元法在颈椎生物力学研究中的应用及进展
有限元法是一种在工程学中广泛应用的数学物理方法,用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学等物理场问题.随着计算机及软件技术的发展,目前,有限元法所构建的三维非线形模型不仅能逼真地模拟椎体、椎间盘,还能将周围的韧带、肌肉等软组织结构加入模型,使模拟更加真实和完美.
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有限元分析法在口腔生物力学领域的应用
在口腔医学中存在着大量的牛物力学问题,有限元法是对人体的力学行为进行数值模拟的一种有效工具,其在口腔生物力学中的应用越来越广泛.本文综述了有限元法在解决口腔生物力学问题中的研究进展,包括口腔正畸、口腔修复、口腔种植、口腔颌面外科等领域的力学性能评价.有限元法为研究口腔医学中的有关基础性问题、解决口腔医学中的临床实际问题、发展口腔临床技术手段提供了力学基础,为进一步研究口腔疾病治疗方法提供参考和借鉴.指出了有限元法在口腔生物力学中应用的不足以及三维模型重建和分析中需进一步改进和研究的问题.
