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定量CT在评估骨强度领域的应用研究进展
骨质疏松症是一种以骨量降低、骨组织微观结构破坏,进而导致骨折风险增高的骨骼疾病,目前可以通过在体的检测方法对骨量和骨结构进行评估.临床中常用的检测方法为利用双能X射线骨吸收测定(DXA)测量单位面积内的骨密度,但是由于DXA测量的骨密度是三维空间分布的骨组织在二维平面的投影,并不能真实反映骨组织在三维空间的分布,同时不能有效区分松质骨和皮质骨,使其在评估骨强度准确性方面存在明显误差.定量 CT(quantitative computed tomography,QCT)的出现,有效解决了该问题.QCT是基于常规CT技术测量三维空间分布骨组织密度的一种测量方法,可分别测量机体任何部位松质骨和皮质骨单位体积内的骨矿物质含量.同时,基于QCT得到的高分辨率影像建立有限元模型,对评估骨强度提供了更为详尽具体的资料.本文就QCT在评估骨强度领域的应用研究进展做以综述.
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颈椎三维有限元模型的建立
目的 建立颈椎(C2～ C7)三维有限元模型.方法 根据1名既往无颈椎病史健康成年男性志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像,采用Mimics1 3.1、SolidWorks2012软件进行三维重建和造型,利用ANSYS14.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性,建立颈椎(C2 ～C7)三维有限元模型.结果 本研究成功建立了6个椎体运动节段的三维有限元模型,模型高度模拟颈椎结构与材料特性,单元划分精细.在建立的模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动,所获得的理论分析结果与参考文献的报道一致.结论 建立的颈椎三维有限元模型可进行颈椎生物力学研究.
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部分钩突切除对颈椎稳定性影响的有限元分析
目的：建立颈椎（ C4－C6）三维有限元模型，研究钩突切除前后对颈椎稳定性的影响。方法根据健康志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像，采用Mimics13?1和SolidWorks2012软件进行三维重建和造型，利用ANSYS15?0软件，对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性，建立颈椎（ C4－C6）三维有限元模型。在建立的模型上加载，模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动，获取位移、应力等数值云图，并进行分析验证。在 C5节段左侧钩突上分别切除钩突高度的25％、50％和60％，获得不同范围钩突切除时的左侧弯状态下颈椎各部位的位移、应力等数值云图，分析不同范围钩突切除对颈椎稳定性的影响。结果本研究建立了三个椎体运动节段的三维有限元模型，模型高度模拟颈椎结构与材料特性，研究了不同范围钩突切除后，颈椎稳定性受到的影响。钩突切除高度的25％后的左侧弯状态与未切除时对比分析，位移云图变化不大，大等效应力减小。钩突切除高度的50％、60％后的左侧弯状态下的位移继续增大，大等效应力逐渐减小。结论切除钩突高度的25％时对颈椎稳定性影响不大，随着切除钩突范围的增加，颈椎的稳定性逐渐降低。
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定量研究流体迁移对上气道形态影响的有限元模型方法
目的 当人体由站姿或坐姿改变为卧姿时,下肢流体会向头颈部迁移,导致上气道变窄,从而引起或加重睡眠呼吸障碍.本研究提出一种用力学模型与有限元分析手段研究流体迁移引起的气道形态改变的方法,从而可以进行头颈部流体增加量与气道横截面积以及皮肤周长改变之间定量关系的研究.方法 借助于人体头颈部气道狭窄部位的轴状面磁共振图像,构建基于真实解剖结构的二维力学与有限元分析模型.通过均匀增加软组织面积来模拟头颈部组织流体量的增加,用模型预测其对气道截面尺度的影响.结果 根据2名健康男性头颈部解剖结构建立相应的有限元模型.通过模型模拟结果与实验数据的对比,验证了此模型方法用来模拟与预测流体迁移影响的合理性.模型结果验证了头颈部流体的增加会对气道横截面积产生影响的实验观察.模拟结果显示,随着截面内流体量的增多,气道横截面积逐渐减小,皮肤周长逐渐增大.气道面积的变化与流体量的变化呈非线性关系.结论 有限元模型的方法可以在流体迁移影响研究中扮演重要角色.模型初步预测结果表明,当伴有水肿现象的疾病,例如心力衰竭、肾衰竭等,导致夜间有更多流体进入患者头部时,会加重气道变窄程度,使其更易发生阻塞,导致阻塞性睡眠呼吸暂停症状的加剧.
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Prestige LP和Discover人工颈椎间盘的生物力学有限元分析
目的 探讨人工颈椎间盘的结构设计对人工颈椎间盘置换前后生物力学变化的影响.方法 基于中国可视化人研究项目的首例男性CT扫描数据图像建立人体颈椎C5-C6节段的有限元模型,使用已有文献数据验证该模型以确保计算结果准确.选用Prestige LP和Discover分别作为不固定旋转中心和固定旋转中心结构的代表建模,在之前所建的双节段颈椎模型上模拟人工颈椎间盘置换术,对置换前后颈椎在常见运动情况下的颈椎生物力学变化进行计算和分析.结果 人工椎间盘置换后,手术节段运动范围有所增大,活动度随之上升,过度运动会给后部小关节带来压力,同时导致韧带张力增加,远期可能导致脊柱失稳和手术节段退变.结论 不固定旋转中心的假体运动范围大于固定旋转中心的假体,适当限制运动范围可能更有益于人工椎间盘置换后的远期疗效.
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足踝有限元模型在踝关节失稳中的应用
踝关节力学机制复杂，各种损伤都可能打破其力学平衡而导致踝关节不稳定，诱发创伤性关节炎。人体足踝有限元模型能够量化内部组织的受力信息，对足踝临床医学和康复医学有重要意义。本文介绍了踝关节解剖结构以及慢性失稳的发生机制，分析了足踝有限元模型及其在踝关节慢性失稳中的应用，总结了其不足、研究方向及发展趋势。
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6岁儿童胸部有限元模型的构建及验证
基于6岁儿童胸部CT图像,采用阈值分割方法,提取肋骨、肋软骨、胸骨、肺和心脏等组织的几何模型,利用逆向工程软件划分曲面片,导入Truegrid和Hypermesh中进行网格划分,建立胸部有限元模型,并利用Kroell尸体试验的缩放结果验证模型有效性.结果表明,碰撞速度为4.3 m/s时,撞击力随着位移的增大而增大,在位移为12.02 mm时撞击力达到大值579.90 N,然后随着位移的增大而减小；碰撞速度为6.7 m/s时,撞击力在位移为16.75 mm时达到大值980.35 N.模型撞击力-位移曲线变化趋势与实验结果基本吻合,验证了该模型的有效性.该模型为儿童胸部模型损伤机理的研究提供可靠的基础数据,同时可应用于儿童乘员损伤防护装置的开发和应用.
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细菌生物膜厚度和面积对人耳听力的影响
依据临床健康志愿者右耳的CT扫描结果,将CT扫描数据数值化导入PATRAN软件进行人耳三维有限元模型的重建,并用NASTRAN软件对该模型进行频率响应分析.通过对正常人耳结构进行频率响应分析得出数据与实验数据吻合,验证了模型的正确性.结合临床中耳炎病症实际情况,研究细菌生物膜的成长阶段对人耳听力的影响.结果表明:在不同声压相同的频率段,细菌生物膜的厚度变化对人耳听力的影响是相同的.在相同声压不同频率段,细菌生物膜的厚度增加会引起镫骨振幅和速度降低,在较低频率段镫骨振幅和速度下降幅度较大,下降的大值为1.64 dB;在较高频率段镫骨振幅和速度下降幅度较小,下降的大值为1.04 dB.在不同声压作用下,在相同的频率段细菌生物膜的面积增加会引起镫骨振幅和速度降低.在100～1 000 Hz频率段镫骨振幅和速度的下降幅度较小,下降的大值为0.18 dB.在1000～10 000 Hz频率段镫骨振幅和速度的下降幅度较大,下降的大值为2.26 dB.细菌生物膜厚度或面积增加都会使人耳听力下降,厚度增加在低频时比高频时下降更多,而面积增加则刚好相反.
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女性骨盆三维有限元模型构建及其侧面碰撞分析
乘员骨盆损伤在车辆侧面碰撞中非常常见,研究骨盆在侧碰中的损伤机理,有助于优化汽车保护装置,提高乘员的安全性.本研究根据CT图片提取相关数据,利用逆向工程软件生成骨盆几何模型,用有限元前处理软件划分网格,构建一个中国50百分位女性骨盆的三维有限元模型,并用Guillemot尸体实验结果验证了模型的有效性.然后用该模型进行侧碰仿真模拟,研究骨盆在侧面碰撞中的响应及密质骨厚度对骨盆刚性的影响.结果表明,女性骨盆在侧面碰撞中发生骨折的临界撞击力为3.00kN;密质骨厚度不同,骨盆受到载荷时的响应也不同,密质骨厚度为l mm时,前下髂骨脊位移为9.75 mm,密质骨厚度为2 mm时,前下髂骨脊位移为5.35 mm.表明密质骨厚度越薄,骨盆刚性越低.
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6岁儿童头部有限元模型的构建与验证
借助6岁儿童医用头部CT扫描图片,通过图像分析处理,提取几何参数,重构生成三维几何模型.对几何模型进行有限元前处理,构建了一个6岁儿童头部有限元模型.模型中包含颅骨、骨缝、脑脊液、大脑、小脑、脑干、脑室等各个器官,共有44 886个节点,11 675个壳单元,37 482个六面体单元.各器官材料属性采用来自参考文献的数据.仿真分析计算中,力加载时窗为11 ms时,模型的CPU计算时长低于1h.采用Nahum尸体实验数据与仿真结果进行对比.仿真分析结果显示:成人头部撞击时撞击压与对撞压的形成规律同样适用于儿童头部碰撞.在7 900 N力作用下,尸体头部撞击侧大压应力为140 kPa,对撞侧大压应力为- 60 kPa,而儿童头部的值分别为220.2 kPa和-135.2 kPa；在HIC值均为775的作用下,成人头部撞击侧和对撞侧大压应力分别为140 kPa和-60 kPa,而儿童头部的值分别为160 kPa和-89 kPa.这表明,在相同作用力或HIC值下与成人相比,儿童头部更容易受到损伤.
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10岁儿童头部有限元模型的建立及验证
运用ANSYS ICEM CFD以及HYPERMESH软件对10岁儿童头部几何模型进行合理的网格划分,获得具有高度解剖学细节的10岁儿童头部有限元模型.利用MADYMO软件自带的假人,模拟一起典型跌落事故中,受伤儿童从3个不同高度跌落时人体的动力学响应过程,并计算头部与地面碰撞接触瞬间的方位和速度等运动学参数.然后将这些参数输入到10岁儿童头部有限元模型中,模拟头部与地面的碰撞过程,并分析与损伤相关的生物力学参数.结果表明,颅骨的大应力和大应变分布在枕骨右侧,与碰撞点的位置较为吻合,但均未超过颅骨的耐受极限.利用颅内压力可较好地预测脑组织的损伤程度,而利用脑组织的von-mises应力可较好地判断脑组织的损伤位置.事故重建的结果表明,该模型具有较好的生物逼真度,可以用于儿童头部损伤生物力学的研究.
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基于有限元-神经元模型的大鼠硬膜外脊髓电刺激仿真研究
临床研究证实,硬膜外脊髓电刺激(ESCS)能促进脊髓损伤后的运动功能恢复,但基本神经机制则需通过动物实验进行研究.在建立大鼠ESCS有限元-神经元组合模型的基础上,仿真L2节段单阴极刺激条件下脊髓组织内的电势分布,确定L1到S1节段背根、腹根纤维和不同深度背柱纤维激活阈值的变化规律,分析纤维位置和刺激脉宽对神经纤维激活阈值的影响.仿真结果发现,距电极近的背根纤维激活阈值低为0.41 V,浅层背柱纤维的激活阈值略高为0.47 V,近腹根纤维的激活阈值高为0.78 V,减小电极-纤维距离有利于脊髓纤维的选择性激活;不同深度背柱纤维的激活阈值随刺激脉宽增加而减小,但脉宽过大导致背柱纤维激活阈值的降幅变小,过长的脉宽使得激活阈值的降幅趋缓,合理选择刺激脉宽有利于激活深层背柱纤维,增加脊髓组织的激活区域,提高ESCS对于深层背柱纤维的募集能力.该仿真结果可为动物实验研究中合理选择刺激参数、提高刺激选择性能提供理论指导.
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面部碰撞对行人创伤性脑损伤影响的生物力学研究
为预测和评判行人面部碰撞对创伤性脑损伤机理及生物力学响应,结合计算机断层扫描(CT)和磁共振(MRI)医学成像技术,建立符合中国人体特征的50百分位头颈部几何模型和有限元模型.有限元模型中颅骨与脑之间的相对运动采用切向滑动边界条件,摩擦系数定义为0.2,模拟鼻骨斜碰撞、鼻外侧软骨正面碰撞、牙齿正面碰撞、下颌骨碰撞和颧骨外侧斜碰撞等5种典型面部碰撞交通事故场景,探讨应力波在颅骨和脑内传播路径,得到颅内压力、von Mises等效应力和剪切应力等生物力学响应参数分布规律.结果显示,鼻骨斜碰撞颅内压力峰值为236.7 kPa,von Mises应力为25.97 kPa,超过了大脑耐受阈值;颧骨外侧斜碰撞大横向剪切应力分别为14.56 kPa和-18.07 kPa,促使脑组织产生了较大的剪切变形,存在严重脑损伤风险.结论表明:面部碰撞的位置和方向是导致面部骨折严重程度的关键因素,面骨骨折的位置决定创伤性脑损伤的部位,面骨骨折都带有一定程度的创伤性脑损伤;头部受到冲击时,面部结构能够吸收大量的冲击能量来保护大脑,降低颅脑损伤的风险.
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1.5岁儿童头部有限元模型的建立及验证
利用1.5岁儿童头部MRI和CT扫描数据,通过医学扫描断层图像三维重构和有限元前处理,建立一个具有高度解剖学细节的1.5岁儿童头部有限元模型并赋予其新公布的儿童颅骨材料参数.利用这个头部模型重构Loyd开展的儿童尸体头部跌落试验(17个样本),将仿真输出的加速度历程曲线和尸体试验曲线的加速度峰值、脉冲持续时间等进行对比.结果表明,该模型能够反映跌落工况中儿童头部的受载情况,具有良好的生物逼真度.30 cm跌落高度下,枕部撞击时得到大HIC值357;不同跌落工况的头部颅内压力分析显示,儿童头部遭受撞击时,颅内压的分布满足经典的撞击压-对撞压产生理论;相比前额撞击和枕部撞击,颅顶撞击和侧向顶骨撞击的撞击侧正压力峰值较大,大值分别为241.6和157.3 kPa,遭受同侧脑挫裂伤的风险较高;枕部撞击工况下,撞击对侧的负压力峰值大于其他撞击工况,大值为-74.4 kPa,遭受对侧脑挫裂伤的风险较高.跌落高度增加时,HIC和颅内压力峰值增大,损伤风险随之增加.
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中国50th人体小腿有限元模型多工况优化建模方法
人体下肢是交通事故中易受伤的部位之一,下肢有限元模型则成为研究下肢损伤机理和防护方法的重要工具,而要保证模型生物逼真度则需开展多工况全面验证.人体模型验证所需的生物力学试验数据由于样本尺寸、材料等多样性造成力学响应存在差异,难于用一个模型同时满足多个试验数据.中国人体与欧美人体在几何尺寸上的差异会造成生物力学响应的不同,因此有必要开发中国人体的有限元模型.通过CT、MRI扫描建立小腿几何模型,利用由胫骨关键尺寸确定的缩放系数,将小腿几何模型缩放至中国50百分位人体小腿.同样采用缩放方法,将生物力学试验数据缩放至小腿尺寸所对应的生物力学响应数据,以解决试验样本几何差异的影响.以胫骨和腓骨的弹性模量、应力-应变曲线、失效应变以及肉体体积模量为设计变量,采用优化方法,同时拟合胫骨和腓骨在准静态、动态载荷下不同加载位置的生物力学响应,以及小腿动态载荷下不同加载位置的生物力学响应,解决试验样本多样性造成的模型验证难题.当胫骨和腓骨皮质骨弹性模量分别取18.43和18.23 GPa、失效应变分别取1.2％和0.8％、小腿肉体体积模量取11.33 MPa时,所建小腿模型能够较好地同时满足多组试验中样本的生物力学响应,表明基于优化的多工况人体模型验证方法能够使有限元模型获得较好的生物逼真度.
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使用有限元法模拟枕寰枢复合体的中性区
目的 为枕颈部中性区(NZ)的研究建立有效的数学模型.方法 本研究基于可视人数据库建立了枕寰枢复合体的非线性有限元模型,通过细致的轮廓提取和准确的材料特性定义,以提升上颈椎有限元模型的精确性.模型模拟了在静态生理载荷作用下复合体轴向旋转、前屈、后伸和侧弯运动.结果 模型预测的运动范围(ROM)和NZ与实验数据相吻合.模型的力矩-转动关系呈明显的非线性关系,大旋转发生在水平面,其次是正中矢状面和冠状面,且轴向旋转与侧弯相互耦合.模型总体表现出较大的ROM和较高比例的NZ.结论 现有文献中尚未见到能同时成功验证.ROM和NZ的上颈椎有限元模型.此模型可为枕颈部病变与创伤中出现的异常NZ的研究提供有力的辅助.
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骑行时不同屈曲角度膝关节软骨受力分析
在对骑行人车系统动力学研究的基础上,分析在骑行周期内膝关节软骨的受力状态,以期获得关节软骨受力的规律,增加对骑行时膝关节生物力学特性的理解.基于有限元分析法,建立包括股骨、胫骨、腓骨、髌骨、关节软骨、半月板及韧带组织的人体全膝关节有限元模型.将骨组织刚体化,并对其施加屈曲位移边界条件,包括胫骨相对股骨的内旋、内收、前移和外移以及髌骨相对股骨的屈曲、内旋、内倾以及外移.通过显式动力学分析计算,获得膝关节屈曲60°、80°和100°相位,同时得到骑行状态上述屈曲位处膝关节软骨的应力分布.结果通过有限元分析,获得骑行姿态下膝关节相关相位的力学分布规律.结果表明,相同载荷下,大von-Mises应力出现在屈曲100°位置,股骨软骨应力增幅达71.25％,髌骨软骨增大29.36％;随着骑行屈曲角度的增加,胫股关节高应力区逐渐向膝关节后部转移,髌股关节软骨受力逐渐上移.骑行时高应力发生在膝关节屈曲角度较大位置,胫骨平台软骨后侧、髌骨软骨上侧承受更大应力.
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基于CT图像腰椎L4～L5节段有限元模型建立与分析
基于CT图像结合图像处理及有限元分析软件采用六面体网格建立完整的人体腰椎L4～L5活动节段三维有限元模型,并对模型有效性进行验证与分析.用块状化分割方法对腰椎模型进行几何处理,然后对二维四边形单元使用扫略和拉伸等方法生成六面体实体单元从而建立三维腰椎有限元模型,并另外建立单元数量和单元类型不同的腰椎有限元模型用以对比.观察腰椎在轴向力和6个方向的扭矩作用下的变形和位移以及椎间盘的应力分布情况.建立的原始模型共有110 762个单元,111 644个节点,模型在500、1000、1 500、2000 N轴向压缩力作用下的位移分别为0.34、0.65、0.91、1.21 mm,在前屈、后伸、侧弯和扭转工况下关节活动度分别为5.69°、2.28°、3.41°和1.29°,终板大应力分布规律与前人研究结果一致.用六面体单元划分网格的精细有限元模型可兼顾模型的计算效率及精度,所建模型符合腰椎一般生物力学特点,可用于模拟生物力学实验及对脊柱生物力学的进一步研究.
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儿童头部有限元模型研究进展
头部损伤是导致儿童死亡与伤残的重要原因,对儿童头部损伤生物力学的深入研究意义重大.近年来,通过构建真实的儿童头部有限元模型来研究儿童头部损伤的方法日益成熟,逐步代替了尸体实验、动物实验以及物理实验.对儿童头部有限元模型的年龄特点、构建方法、模型应用以及发展趋势等进行较为全面的综述,并对该领域还有待研究的内容以及未来的发展方向做出展望.
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颈椎椎间盘有限元研究进展
随着现代社会人均寿命越来越长,我国逐渐步入老龄化社会,以椎间盘组织退变为基础的颈椎病的患病率也越来越高。已有研究显示,颈椎退行性疾病在60岁以上人群中,发病率超过50%,70岁以后几乎达到100%,中青年群体中由于不良工作和生活习惯发病率已超过10%,以上数据还在逐年攀升。因此,颈椎间盘退变已经成为一个值得医务工作者及科研人员深入研究的问题。随着计算机技术和有限元软件的快速发展,建立具有仿真性、可重复性等优势的椎间盘有限元模型成为研究颈椎领域受推崇的方法,藉此可以模拟颈椎间盘损伤、退变,优化手术方案,预测手术效果,以及进行人工椎间盘的开发。颈椎椎间盘的有限元研究在基础理论预测和临床应用方面都具有重要的应用价值。
