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纤维桩修复上颌前磨牙穿髓型楔状缺损三维有限元模型的建立
背景:纤维桩修复前磨牙穿髓型楔状缺损的三维有限元模型目前还未被建立.目的:建立纤维桩修复前磨牙穿髓型楔状缺损的三维有限元模型.方法:获取废弃的人上颌第一前磨牙标本,采集 micro-CT 图像信息,利用 Mimics 软件、Geomagic 和Hypermesh软件建立结构层次清晰的纤维桩修复上颌第一前磨牙穿髓型楔状三维有限元模型.结果与结论:正常上颌第一前磨牙三维有限元模型单元总数180119个,节点总数33289个;与实体相比,纤维桩修复穿髓型楔状上颌第一前磨牙三维有限元模型外形逼真,图像质量佳,有精确网格划分,单元总数为237496个,节点总数为43965个,在几何、边界约束及力学相似性方面都获得很好效果,很好地模拟了患牙受到压力时所表现的应力情况,确定其大小及分布,为生物力学研究提供依据.
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不同形状种植体支持单端固定桥的三维有限元分析
背景:种植体的形状影响其生物力学表现,目前对种植支持式单端固定桥的研究多在相同形状种植体进行,对不同形状种植体支持的单端固定桥的比较分析较少.目的:利用三维有限元建模,分析圆柱形、锥形与膨胀式3种种植体支持的单端固定桥在下颌后牙区的生物力学特征.方法:分别建立圆柱形、锥形与膨胀式种植体支持单端固定桥及其支持组织的三维有限元模型,对单端固定桥轴向90°和颊舌向45°分别施加300 N的力,分析皮质骨、松质骨的von Mises应力及种植体-基台复合体的大位移.结果与结论:①在轴向和颊舌向加载力下,3种模型皮质骨的大应力峰值远大于松质骨,皮质骨的大应力峰值均集中于近悬臂种植体远中颈部周围;②膨胀式种植体模型在皮质骨中的大von Mises应力值低,在轴向加载力下尤其明显,在松质骨中的von Mises应力值高;③与轴向加载力比较,颊舌向加载力下3种模型皮质骨、松质骨的von Mises应力峰值及种植体-基台复合体大位移均增大;在颊舌向加载力下,膨胀式种植体模型的种植体-基台复合体大位移小;④结果表明,膨胀式种植体支持的单端固定桥稳定性好.
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后牙区倾斜种植修复后不同设定受力下骨界面生物力学有限元分析
背景:因下颌后牙单颗牙缺失受条件所限,常规轴向种植难以实现.针对此问题,有学者采用倾斜种植技术结合角度基台进行修复,但对于倾斜种植用于后牙区及倾斜种植角度设计的安全性目前相关研究有限.目的:对下颌后牙区进行不同角度的偏舌侧倾斜种植修复,分析在相同动态载荷下种植修复后的骨界面生物力学.方法:借助于锥形束 CT、DICOM 等多种软件联合应用,建立下颌后牙区舌向不同倾斜角度的种植体冠修复模型,冠优化设计,对冠模拟磨牙咀嚼周期施加动态载荷,运用三维有限元软件Ansys对各界面的应变、应力进行分析.结果与结论:①在轴向种植和种植体偏舌侧倾斜5°、10°时,在咀嚼周期的垂直向、颊偏舌与轴呈45°、舌偏颊与轴成45° 3种受力状态下,骨界面应力大值为53.8 MPa,应变大值为2671微应变;②当种植体偏舌侧倾斜15°时,此模型种植体尾部边缘接近皮质骨与松质骨交界处,骨界面在各个受力状态下产生的应力、应变均明显大于其余种植角度;③当种植体偏舌侧倾斜20°时,种植体尾部边缘已越过皮质骨与松质骨交界处,与皮质骨发生接触,由皮质骨对种植体尾部形成支撑,骨界面应变、应力较小.并且,此研究应力集中的部位均在种植体颈部周围的骨皮质内,而松质骨内的应力值较小,应变大值可出现在骨界面与种植体颈部或尾部接触部位;④通过此模型分析研究,可以在下颌后牙区行10°以内的偏舌侧倾斜种植,并且倾斜种植应避免使种植体尾部边缘位于皮质骨与松质骨交界处.
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天然上颌中切牙与种植体应力规律的三维有限元分析
背景:生物力学相容性是保证种植体与骨结合后长期稳定并行使功能的必要条件,因此,了解上颌中切牙与其周围骨组织应力应变分布情况对种植义齿修复尤为重要.目的:根据天然牙5种不同解剖分型,探讨上颌中切牙牙根与种植体的应力分布规律.方法:根据天然上颌中切牙 5 种不同解剖分型,通过 UGNX、ANSYS 等软件建立种植体及周围局部结构的三维有限元模型(B1、B2、M1、M2、P1),对种植体施加与牙长轴的夹角成0°、30°、45°、60°、90°的100 N静态荷载力,分析5类上颌中切牙牙根与种植体的应力分布情况.结果与结论:5 种分型中,天然中切牙与种植体等效应力随着加载力角度的增大而增大,种植体上升趋势高于天然牙.天然牙等效应力大值集中在B1,小值在M1,而种植体等效应力大值在M1,小值在M2.天然牙牙根等效应力有2%-31%的差距,种植体等效应力有4%-21%的差距,种植体的应力分布区间小于天然牙牙根的应力分布区间.说明种植体与天然牙随着咬合力角度的增大与受力呈正比,种植体所能承受的咬合力小于天然中切牙.
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有限元分析上颌中切牙唇、舌向斜形缺损后纤维桩核冠修复三维模型的应力分布
背景:临床上牙本质肩领对桩核冠修复体的抗力和固位及边缘密封性有着重大作用.目的:采用有限元分析唇、舌向斜形缺损上颌中切牙纤维桩-树脂核-全瓷冠三维模型的应力分布.方法:挑选1颗标准离体人上颌中切牙,使用锥形束CT扫描后,导入Mimics17软件,利用CAD、UG软件构建出唇侧、舌侧肩领有缺损的桩核冠模型,分别假设唇侧或舌侧断端低,肩领有缺损,限定缺损侧肩领为0 mm,按照唇侧肩领高度-舌侧肩领高度进行分组(0 mm-0 mm、0 mm-0.5 mm、0 mm-1.0 mm、0 mm-1.5 mm、0 mm-2.0 mm、0.5 mm-0 mm、1.0 mm-0 mm、1.5 mm-0 mm、2.0 mm-0 mm、0.5 mm-0.5 mm、1.0 mm-1.0 mm、1.5 mm-1.5 mm、2.0 mm-2.0 mm),在全瓷冠切1/3、中1/3交界处,施加与牙长轴成45°的100 N静载荷力,采用有限元分析根尖部牙本质及纤维桩的Von Mises应力分布.结果与结论:①根尖部牙本质应力分布:在唇、舌侧肩领均完整的情况下,随着肩领高度的增加,牙根部Von Mises应力从集中于颈部的趋势逐渐变得更分散均匀,峰值应力随肩领高度增加而逐渐减小.在牙本质肩领有缺损的条件下,无论是舌侧或唇侧有肩领的情况下,牙根部Von Mises应力峰值较无牙本质肩领的情况有所减小,但同等高度下,舌侧有牙本质肩领组应力峰值减小更为明显,接近牙本质肩领完整组;②纤维桩应力分布:在唇、舌侧肩领均完整的情况下,随着肩领高度的增加,纤维桩Von Mises应力峰值逐渐减小.在牙本质肩领有缺损的条件下,无论是舌侧或唇侧有肩领的情况下,纤维桩Von Mises应力峰值较无牙本质肩领的情况均有所减小,但唇侧有牙本质肩领组应力峰值减小比舌侧肩领组更为明显;③结果表明:舌侧肩领对减小根部牙体应力集中较唇侧肩领明显,舌侧肩领高度有利于增强牙体抗力;唇侧肩领对减小纤维桩和粘接剂层的峰值应力较舌侧肩领明显,唇侧肩领高度有利于增加纤维桩冠的固位和稳定,且至少保留0.5-1.0 mm唇侧肩领效果更明显.
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种植义齿修复不同牙弓形态上前牙缺失的三维有限元分析
背景:牙弓形态的不同主要体现于前牙排列的差异,其对种植体周围应力分布有一定影响.目前对种植体支持式固定桥的三维有限元分析多在同一牙弓下进行,对不同形态牙弓下种植体支持式固定桥的生物力学研究较少.目的:利用三维有限元法,对方圆形、卵圆形及尖圆形3种牙弓形态种植体支持式固定桥进行生物力学分析.方法:依据人体颌骨锥形束CT资料,分别建立方圆形、卵圆形及尖圆形牙弓种植体支持式固定桥及其周围骨组织的三维有限元模型.沿牙冠长轴倾斜45°由舌侧向唇侧加载300 N(中切牙、侧切牙及尖牙牙冠各100 N)的力,分析种植体周围皮质骨、松质骨的Von-Mises应力分布及种植体-基台复合体位移值.结果与结论:尖圆形牙弓种植体周围皮质骨、松质骨的Von-Mises应力峰值较其余两组大,其种植体-基台复合体的大位移较其余两组大;方圆形牙弓种植体周围皮质骨、松质骨的Von-Mises应力峰值小,其种植体-基台复合体的大位移较其余两组小;卵圆形牙弓结果介于二者之间.结果表明,方圆形牙弓种植体支持式固定桥表现出比尖圆形、卵圆形牙弓种植体支持式固定桥更低的应力值与更为理想的应力分布.
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三维有限元分析不同材料不同方法修复离体牙缺损模型的应力分布
背景:如何大限度地保留根管治疗后的牙体组织,并能够保证修复后的强度是目前的研究热点.目的:使用有限元法分析不同方式修复离体牙缺损模型的应力分布情况.方法:收集北京市海淀医院口腔科因慢性牙周炎无法保留而拔除的上颌第一磨牙12颗,根管治疗后制备离体牙缺损模型,以钴铬合金、纯钛金属、二氧化锆、E.max全瓷为修复材料,每种材料分别进行嵌体、高嵌体、桩核冠3种修复方式.通过Micro CT扫描上颌第一磨牙修复模型,使用图像处理软件Mimics 17.0及Geomegic Studio 2013重建牙体及修复体三维数字模型,采用有限元分析软件进行力学模拟,力加载方式设为:8点90°加载、3点90°加载、3点90°加载、3点0°加载.结果与结论:在各载荷条件下,桩冠组修复体边缘、预备体肩台、剩余牙本质颈部及桩核中部出现应力集中区;在各载荷条件下,嵌体组釉质的加载点出现应力集中区,并有将应力沿牙釉质传到至颈部的趋势,嵌体和预备体相对的龈壁和底面及二者移行处也出现应力集中区;在各载荷条件下,高嵌体组高嵌体与牙釉质接触处出现应力集中,预备体龈壁和底面及二者移行处,以及相对应的高嵌体髓腔内部分也出现应力集中的情况,但应力分布更为均匀;结果表明在上颌磨牙大面积缺损的修复方式中,高嵌体具有适用性和优势性.
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种植体联合牙半切剩余牙体共同支持下颌磨牙的三维有限元分析
背景：牙半切术后部分牙根和牙周膜的保留可防止牙槽骨吸收，但牙半切术后常见的固定桥修复方式影响基牙的健康。种植体的引入，为其修复提供了新的思路。
目的：联合种植和牙半切的优势，利用三维有限元方法分析种植联合牙半切剩余牙体共同支持下颌磨牙的可行性。
方法：将1名志愿者颌骨影像学资料导入软件，建立3种不同方式修复下颌半切磨牙的三维有限元模型，分别为种植联合牙半切修复模型、种植体修复模型及固定桥修复模型，均分别定义2种骨松质密度，对修复体施加垂直向100 N的载荷，分析不同模型的生物力学性能。
结果与结论：①种植体和牙齿位移：随着骨松质密度降低，种植联合牙半切修复模型中种植体和牙齿的位移增大。种植联合牙半切修复模型的种植体位移大于种植体修复模型中种植体的位移。在种植体联合牙半切模型中，种植体的位移小于剩余牙齿的位移；②骨皮质应力：各模型低密度骨松质下的皮质骨应力高于对应模型高密度骨松质下的皮质骨应力，高密度骨松质下：种植体修复模型>种植联合牙半切修复模型>固定桥修复模型；低密度骨松质下：种植联合牙半切修复模型>种植体修复模型>固定桥修复模型；③骨松质应变：各模型低密度骨松质下的骨松质应变高于对应模型高密度骨松质下的骨松质应变，高密度骨松质下：固定桥修复模型>种植联合牙半切修复模型>种植体修复模型；低密度骨松质下：种植联合牙半切修复模型>固定桥修复模型>种植体修复模型；④结果表明：从生物力学角度来看，种植联合牙半切修复下颌磨牙在高密度骨松质条件下是一种可接受的修复方式。 -
新型磨牙C形纳米涂层带环性能的三维有限元分析
背景：课题组研发了一种新型磨牙 C 形开口纳米带环(已获得中国国家发明专利，专利号为 ZL201110057699.1)来克服传统带环及颊面管的不足，作为临床常用的磨牙固位装置。目的：运用三维有限元分析方法从理论上验证新型磨牙C形开口纳米带环的抗剪切及抗拉伸力是否符合临床要求。方法：运用三维有限元分析方法建立牙槽骨-牙齿-带环的有限元分析模型，给定结点拉伸、剪切载荷，通过数值模拟计算结果，预测带环应力分布情况，从而证明其固位力符合临床要求。模拟正畸临床患者的受力情况，分别在传统带环及新型带环颊面管的三维模型上施加近中方向、远中方向及垂直方向的拉力20 N，分析在不同方向力作用下黏结剂的受力情况。结果与结论：通过三维有限元进行数值模拟，可以看出在同样载荷、同样使用树脂加强型玻璃离子的情况下， C 形带环黏结区域所受的应力比传统带环大，但并未达到树脂加强型玻璃离子黏结剂的临床开裂极限，因此从理论上认为C形带环能够满足临床要求。
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钛板重建下颌骨体部缺损的生物力学变化
背景：三维有限元在口腔领域应用广泛，但关于下颌骨体部缺损钛板重建的三维有限元研究不多。目的：三维有限元分析钛板重建下颌骨体部缺损的生物力学特点。
方法：建立下颌骨体部缺损双皮质钛钉钛板重建的三维有限元模型，模拟正常咬合状态，在右侧下颌骨第一磨牙咬合面中央窝垂直加载200 N的载荷，分析下颌骨、钛钉、钛板的应力分布和大位移。
结果与结论：①模拟咀嚼运动加载后下颌骨的应力在下颌体和下颌支部比较集中，其中应力集中比较明显的部位是下颌支的前后缘和下颌骨的下缘，下颌骨后缘的应力小于下颌骨前缘的应力，钛板固定和骨质接触部位也出现应力集中；②双皮质钛钉近螺帽处应力值大，钛钉和钛板接触部位出现应力集中现象；③下颌骨升支部钛钉的大应力值大于缺损前端钛钉大应力值；④钛板的应力集中部位主要为钛钉固定部位，钛板上缘和下缘的应力峰值主要集中在下颌骨缺损前端和钛钉接触区以及下颌骨升支的钛钉接触区；⑤钛板重建下颌骨体部缺损后位移比较容易发生在缺损前端下颌骨和钛板接触部位；⑥结果表明，下颌骨体部缺损双皮质钛钉钛板固定重建相对比较稳定，下颌角前端的钛板比较容易发生断裂。 -
种植体结构改变对种植体-骨界面皮质骨区应力影响的三维有限元分析
背景：种植体-骨界面的生物力学效应是骨吸收重要的影响因素之一。模仿天然牙周膜的新结构种植体或可改善其界面应力的分布情况。目的：探讨不同的咬合负载条件下，改变传统种植体内部结构对种植体-骨界面皮质骨区应力分布、峰值的影响，为新结构种植体的优化设计及临床应用提供理论依据。方法：用Pro/ENGINEER软件建立新结构的种植体(模型A)与无螺纹的传统柱状种植体(模型B)的数字模型，采用 Ansys 软件分析在相同骨质及相同受力环境下种植体-骨界面皮质骨区应力峰值、应力带分布的变化规律。结果与结论：垂直加载时，模型A在不同受力大小时应力峰值均较模型B降低17.54%；45°加载时，模型A应力峰值较模型B降低(2.59%)，模型B的高应力区向颊侧集中趋势明显。咀嚼模拟加载时，模型A的应力峰值均较模型B低，其差值在施力方向与种植体轴向夹角(β)等于12°时大(0.3532 MPa)，在β>12°后逐渐减小；并且模型A在促进骨组织生长适应力峰值、维持骨组织健康应力峰值两个量化指标中，均比模型B适用角度范围大(A：0°-28°，0°-58°；B：0°-24°，0°-56°)。提示优化设计种植体结构的改变可改善种植体-骨界面皮质骨区的应力分布，降低应力峰值，可在更大范围内降低骨皮质吸收的风险。
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圆锥型套筒冠义齿和传统可摘义齿修复孤立基牙的三维有限元分析
背景：临床研究表明，圆锥型套筒冠义齿修复少数牙残存牙列缺损的远期效果明显优于传统可摘局部义齿，但目前应用有限元法分析这两种修复方式的研究还较少。目的：比较圆锥型套筒冠义齿和传统可摘义齿修复孤立基牙的应力分布。方法：采用 CT 扫描获取健康成人下颌骨及牙列的二维图像，通过计算机重建技术分别建立下颌仅保留双侧尖牙的圆锥型套筒冠义齿和传统可摘义齿三维有限元模型，在相同垂直载荷和斜向载荷下，比较两种修复方式的基牙、基牙牙周膜及缺牙区牙槽嵴的大等效应力。结果与结论：垂直与斜向载荷下，传统可摘义齿组基牙、基牙牙周膜的总体应力均大于圆锥型套筒冠义齿组，且卡环对应处存在明显应力集中；圆锥型套筒冠义齿组缺牙区牙槽嵴的总体应力稍大，但应力分布相对较均匀，应力集中范围小。斜向载荷下，两组基牙、基牙牙周膜、缺牙区牙槽嵴的总体应力均大于垂直载荷下的应力，且在基牙牙周膜舌侧颈部均存在应力集中，但传统可摘义齿的总体应力更大，应力集中范围更广。结果表明，采用圆锥型套筒冠义齿修复孤立尖牙时，其支持组织应力分布相对较均匀，应力集中范围小，更有利于基牙、牙周组织及缺牙区牙槽嵴的健康。
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椎弓根单向螺钉及万向螺钉置入内固定修复腰椎骨折的生物力学比较
背景：已有研究对腰椎骨折的固定方式进行了三维有限元分析，但关于腰椎骨折椎弓根螺钉内固定三维有限元分析的研究不多。
目的：以有限元法分析腰椎椎弓根单向螺钉及万向螺钉置入内固定修复腰椎骨折的生物力学特点。
方法：建立腰椎骨折椎弓根单向螺钉及万向螺钉内固定模型，以三维有限元法分析正常腰椎模型、腰椎骨折椎弓根单向螺钉及万向螺钉内固定模型的大轴向位移、大弯曲度、椎弓根螺钉固定系统上的大应力以及椎间盘的大应力，并进行对比分析。
结果与结论：①单向钉固定组和万向钉固定组在前屈、后伸、左侧弯和右侧弯时的大轴向位移均明显低于正常腰椎组(P<0.05-0.01)，万向钉固定组在以上各方位的大轴向位移均低于单向钉固定组；②单向钉固定组和万向钉固定组在各方位的大弯曲度均明显低于正常腰椎组(P<0.05-0.01)，万向钉固定组在各方位时的大弯曲度均低于单向钉固定组；③万向钉固定组在各方位时椎弓根螺钉固定系统上的大应力均低于单向钉固定组(P<0.05-0.01)；④单向钉固定组和万向钉固定组在各位置动作时椎间盘的大应力分布均明显低于正常腰椎组(P<0.05-0.01)，万向钉固定组在各方向动作时椎间盘的大应力分布低于单向钉固定组；⑤结果表明，腰椎骨折椎弓根单向螺钉和万向螺钉内固定均可以承载大部分应力，明显降低腰椎的大轴向位移、大弯曲度、椎弓根螺钉固定系统上的大应力以及椎间盘的大应力，其中万向螺钉的内固定稳定性优于单向螺钉。 -
髋关节置换过程中假体位置的有限元分析
背景：三维有限元法研究发现，髋关节假体的安装位置和髋关节置换效果关系密切，但关于不同前倾角和外展角髋关节假体安装位置对髋关节生物力学影响的研究不多。
目的：应用三维有限元法分析不同假体安放位置髋关节置换的生物力学特点。
方法：选择1名健康志愿者，获得志愿者骨盆和股骨的影像资料，建立该志愿者的骨盆和股骨的三维几何模型并进行有限元网络划分，采用CT扫描获得假体模型数据建立准确的假体模型，然后建立16种不同假体安放位置的髋关节置换模型。在骶髂关节和耻骨联合上方垂直向下施加780 N的力，观察16种模型的髋臼应力峰值、股骨应力峰值、聚乙烯内衬应力峰值和聚乙烯内衬破坏区体积情况。
结果与结论：①16种不同假体安放位置的髋关节置换模型观察结果显示，前倾角为10°外展角50°时，髋臼的应力峰值小，为51.23 MPa；股骨的应力峰值小，为26.34 MPa；聚乙烯内衬的应力峰值小，为5.288 MPa；聚乙烯内衬破坏区体积小，为2.239×10-7 m3；②结果可见，假体安装角度为前倾角10°外展角50°时理想，此安装角度髋臼、股骨、聚乙烯内衬的应力峰值和聚乙烯内衬破坏区体积均小，可为临床提供参考数据。 -
DamonQ自锁系统中运用双丝技术的转矩力学性能有限元分析
背景：在正畸临床治疗中，常用双丝技术矫正前牙转矩，但其力学机制尚不明确。目的：通过三维有限元方法研究DamonQ系统的转矩力学性能及其受双丝因素影响的规律。方法：建立DamonQ托槽和不同尺寸弓丝的三维有限元模型，并根据不同尺寸弓丝组合进行分组。分析不同材质、尺寸弓丝组合下的转矩力学性能。结果与结论：①在装配不同尺寸与材质弓丝的条件下，单、双丝Damon Q托槽产生了相同变化规律的转矩力矩/转矩角度曲线图：随着转矩角度的增大，转矩力矩逐渐增加；②单方丝与不同双丝转矩力比较：方-圆双丝转矩力大，其次是单方丝，再次是圆-圆双丝；方-圆双丝力矩值为圆-圆双丝的2-8倍，单方丝为圆-圆双丝的1-5倍；③DamonQ系统中方-圆双丝转矩效能强于单方丝；④临床上在前牙区控根初期，可考虑圆-圆双丝辅助控根，矫治中期使用方-圆双丝控根，力值柔和可减少根吸收；⑤该研究为DamonQ托槽在临床上应用双丝技术奠定了基础。
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前侧钢板结合后外侧螺钉踝关节融合的三维有限元分析
背景:终末期踝关节炎常导致患者踝关节持续性疼痛,严重影响患者生活质量,经保守治疗症状未见好转者需经外科手术治疗,踝关节融合是治疗终末期踝关节炎的金标准.目的:通过三维有限元相关软件分别建立前侧钢板踝关节融合模型,在此基础上结合1枚后外侧螺钉,模拟人体步态,分析前后模型的生物力学变化.方法:将采集到的正常人踝关节 CT 图像数据导入相关软件,建立正常人踝关节三维有限元模型,经相关软件处理,模拟踝关节融合,在此基础上分别建立单纯前侧钢板踝关节融合模型及前侧钢板结合后外侧螺钉踝关节融合模型,模拟踝关节4种活动模式(中立位、背屈位、内旋位和外旋位)时的受力状况,进行生物力学有限元分析.结果与结论:通过三维有限元分析对比前后两种模型融合面的大位移、应力峰值及应力分布情况,发现两者存在显著性差异,钢板结合后外侧螺钉模型较单纯钢板模型在内旋、外旋、背屈应力位时大位移及应力峰值明显降低,中立位时两者无变化,应力分布情况两者无明显变化,钢板结合后外侧螺钉模型较单纯钢板模型明显增加了融合稳定性及安全性.
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三维有限元生物力学分析后交叉韧带断裂后膝关节内翻及外旋时的应力
背景:后交叉韧带损伤合并膝关节周围其他韧带损伤的发生率相对较高,然而这些韧带之间内在动态应力变化情况的报道目前尚属罕见.目的:模拟正常及后交叉韧带完全断裂(Ⅲ度损伤)的膝关节三维有限元模型,计算并分析正常膝关节模型和后交叉韧带完全断裂模型中内侧副韧带、外侧副韧带和前交叉韧带的应力分布及变化情况.方法:采集正常志愿者右膝关节的CT及MRI图像,利用E-feature Biomedical Modeler,ANSYS等软件建立正常膝关节三维有限元模型,模拟正常膝关节屈曲0°、30°、60°时施加内外翻及内外旋力矩,分析后交叉韧带、外侧副韧带、前交叉韧带及内侧副韧带的应力,模拟后交叉韧带完全断裂时分析外侧副韧带、前交叉韧带和内侧副韧带的应力.结果与结论:三维有限元生物力学分析数据显示后交叉韧带断裂后外侧副韧带在膝关节内翻及外旋运动时应力明显增大,前交叉韧带及内侧副韧带的应力变化较小.提示后交叉韧带断裂可能造成膝关节其他韧带的继发损伤,进一步支持了恢复膝关节动态稳定的重要性.
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三维有限元分析大转子骨瓣转移治疗股骨头缺血坏死应力分布变化
背景:三维有限元分析已经被较多骨科学者应用,但作为股骨头坏死保髋治疗术后评价结果不一.目的:研究运用三维有限元方法检测大转子骨瓣转移治疗股骨头坏死后股骨头的生物力学变化及股骨近端生物力学改变,验证该术式力学安全性及有效性.方法:选取1例单侧股骨头坏死ARCOⅢ期患者并行带血管蒂大转子骨瓣移植术患者,根据术前及术后6个月股骨近段的计算机断层成像技术CT数据,以DICOM格式保存,用计算机辅助技术及专业医学建模软件MIMICS及HYPERMESH建立股骨近段三维几何模型分为正常组、坏死组及修复组三维有限元模型.应用有限元分析软件ANSYS模拟人体站立及运动等不同情况,将模型自由网格划分,赋予材料参数,建立正常股骨近段,股骨头坏死骨缺损和运用大转子骨瓣转移修复骨缺损的三维有限元模型.载荷加载于不同的有限元模型,观察3组模型股骨头的大位移和股骨近段的应力分布情况.结果与结论:①在同一载荷下,此3组模型的大位移值分别为:正常组0.61 mm,坏死组0.66 mm,修复组0.61 mm;坏死模型的大Von Mises应力值远大于正常模塑.修复模型的大Von Mises应力值逐渐降低,与正常值接近;②此3组模型均提示股骨颈区小转子上方出现应力集中,在转子位置的大应力,坏死模型较正常增高,而修复后该处的大应力值逐渐增高,但仍低于骨的破坏应力;③结果证实,运用大转子骨瓣转移修复股骨头坏死骨缺损后的股骨头的大应力值及大位移值更接近正常,大转子区作为修复股骨头骨缺损的骨瓣供区是安全可靠的.
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三维有限元分析钢板踝关节融合后的力学稳定性
背景:目前钢板踝关节融合方式主要包括前侧钢板及外侧钢板踝关节融合,但针对上述2种固定方式对比的生物力学研究未见报道.目的:通过三维有限元技术分别建立前侧及外侧钢板踝关节融合三维有限元模型,模拟人体步态,分析其生物力学稳定性及安全性.方法:基于正常人体踝关节CT图像重建踝关节几何形态,应用限元分析软件Abaqus 2016建立前侧钢板及外侧钢板踝关节融合模型,分别给予模型施加内旋、外旋、背屈、中立4种应力,分析其生物力学变化.结果与结论:①三维有限元生物力学分析对比2种踝关节融合模型在不同应力下的大位移及应力分布情况,在固定稳定性上两者并无明显差异;②外侧钢板融合模型在对抗内旋及背屈应力时稍好于前侧钢板,外旋应力时反之,峰值都集中于钢板螺钉结合处;③前侧钢板模型在对抗内旋应力时钢板、螺钉及骨质应力峰值大,存在断钉及断板的可能;④外侧钢板在对抗外旋应力时出现大应力峰值.
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膝关节半月板三维有限元模型的动态仿真生物力学分析
背景：目前虽然膝关节半月板三维有限元生物力学分析的研究已有报道，对半月板的生物力学变化过程有了一定的认识，但动态仿真模拟在同一载荷条件下屈曲过程中膝关节半月板生物力学分析的报道较少。目的：应用有限元法动态仿真模拟并分析不同屈曲角度下膝关节半月板的生物力学特性。方法：基于正常成人志愿者膝关节MRI数据，运用医学有限元仿真软件Mimics 10.01及逆向工程软件Rapidform XOR3重建全膝关节半月板三维有限元模型，并运用高级有限元分析软件Abaqus 6.10-1仿真模拟分析该模型在承载300 N垂直载荷下屈曲过程中的生物力学变化。结果与结论：①膝关节屈曲0°，30°，60°，90°时，随着角度的增加，大应力点从内侧半月板后角胫骨附着面前缘移动到外侧半月板前角胫骨附着面后缘，且外侧半月板应力范围大于内侧半月板；②膝关节屈曲0°，30°，60°，90°时，随着角度的增加，大位移点从接近内侧半月板内缘中点的地方移动到外侧半月板前外上缘，且外侧半月板的位移范围较内侧半月板位移大；③结果提示，半月板是膝关节屈曲过程中主要的承重结构，运动过程中外侧半月板的损伤率大于内侧半月板，与此处应力及位移较大有关。
