目的建立一個包括后外側(cè)復(fù)合體（posterolateral complex，PLC）的完整膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，并在該模型上進(jìn)行模擬重建生物力學(xué)分析。 方法以1名26歲男性志愿者為實驗對象，MRI掃描膝關(guān)節(jié)，獲得膝關(guān)節(jié)冠狀位、矢狀位和橫軸位圖像數(shù)據(jù)。應(yīng)用Mimics 10.01、Hyperworks 8.0等軟件在二維圖像數(shù)據(jù)上提取膝關(guān)節(jié)各個切片輪廓數(shù)據(jù)，分別建立骨組織、半月板、關(guān)節(jié)軟骨和韌帶的三維模型，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用Unigraphics NX 4.0軟件的網(wǎng)格劃分、材料屬性定義、部件連接、接觸定義功能建立包括PLC的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。對模型進(jìn)行位移測試并用于PLC模擬重建生物力學(xué)分析。 結(jié)果成功制備包括PLC的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。在134 N前向力作用下，脛骨向前位移為4.83 mm。于膝關(guān)節(jié)三維有限元模型上進(jìn)行PLC模擬重建生物力學(xué)分析，在10 N·m內(nèi)翻和外旋力矩作用工況下，模擬重建后膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻和外旋角度均大于PLC完整時，并且都小于PLC缺失時。 結(jié)論采用逆向工程學(xué)原理可建立包括PLC的膝關(guān)節(jié)三維有限元模型，且該模型有效，可作為PLC模擬重建生物力學(xué)分析的基礎(chǔ)模型。
目的 建立精細(xì)人體全骨盆及髖臼周圍腫瘤缺損后重建的三維有限元模型，探討腓骨移植聯(lián)合3 種不同內(nèi)固定重建骨盆環(huán)后的應(yīng)力分布規(guī)律。 方法 采集1 例35 歲正常男性L3 至股骨中段、單側(cè)腓骨及內(nèi)固定系統(tǒng)的CT數(shù)據(jù)集，建立人體全骨盆及髖臼周圍腫瘤切除后腓骨移植聯(lián)合鋼板（Plates）、椎弓根棒（pedicle-rods，PR）、骶髂棒（sacraliliac rods，SIR）3 種內(nèi)固定方式模擬重建的有限元模型。模擬雙腿站立位，L3 椎體表面施加500 N 的垂直載荷，分析重建后的骨盆、移植腓骨及內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布情況，并進(jìn)行評價。 結(jié)果 建立了髖臼周圍腫瘤切除后腓骨重建的有限元模型。移植腓骨應(yīng)力集中多發(fā)生在與宿主骨接合處附近，不同內(nèi)固定系統(tǒng)中，Plates 與螺釘或鈦棒與螺釘接合部分易發(fā)生應(yīng)力集中；Plates 重建時，移植腓骨及健側(cè)股骨頸應(yīng)力較少發(fā)生應(yīng)力集中；SIR 重建時，移植腓骨及健側(cè)骨盆應(yīng)力集中最明顯。 結(jié)論 游離腓骨移植、Plates 內(nèi)固定重建骨盆應(yīng)力分布與完整狀態(tài)趨于一致，是修復(fù)髖臼周圍腫瘤切除術(shù)后骨缺損的較好方法；有限元模型可作為骨盆生物力學(xué)研究的工具。
目的 建立精細(xì)下頸椎及三柱損傷后重建的三維有限元模型，探討兩種不同內(nèi)固定系統(tǒng)重建下頸椎穩(wěn)定性后的應(yīng)力分布規(guī)律。 方法 采集1 例27 歲正常男性志愿者下頸椎（C3 ～ 7）CT 數(shù)據(jù)集，應(yīng)用Mimics 10.01、Geomagic Studio10.0、HyperMesh10.0、Abaqus 6.9.1 軟件建立下頸椎（C3 ～ 7）完整模型、三柱損傷模型、側(cè)塊螺釘內(nèi)固定（lateral mass screw fixation，LSF）系統(tǒng)重建模型和經(jīng)關(guān)節(jié)突螺釘內(nèi)固定（transarticular screw fixation，TSF）系統(tǒng)重建模型。模擬施加75 N 頭顱預(yù)載荷和1.0 N?m 純力矩，使模型產(chǎn)生前屈、后伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)運動，采用Von Mises 應(yīng)力峰值分析LSF 和TSF 系統(tǒng)重建螺釘應(yīng)力分布。 結(jié)果 實驗成功建立了正常人C3 ～ 7 三維有限元模型，共包括177 944 個單元，35 668 個節(jié)點。該模型在前屈、后伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)模擬狀態(tài)下的椎間運動范圍（角度）與既往文獻(xiàn)實測結(jié)果吻合，提示其符合正常人體參數(shù)，可用于下一步實驗研究。實驗成功建立了三柱損傷模型和內(nèi)固定模型，其中LSF 組Von Mises 應(yīng)力集中于鈦棒與螺釘接合部分，TSF 組應(yīng)力集中于螺釘中部。在各種工況下TSF 組的Von Mises 應(yīng)力峰值明顯高于LSF 組。 結(jié) 論 作為頸椎后路不同的穩(wěn)定性重建技術(shù)，TSF 系統(tǒng)較LSF 系統(tǒng)有更高斷釘風(fēng)險。
為了驗證汽車碰撞過程中人體頸部的損傷情況,建立了人體頸椎C4-C6部分有限元生物力學(xué)模型,模型組織包括皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、纖維環(huán)、髓核、韌帶以及關(guān)節(jié)面,并在各組織接觸部位設(shè)置了接觸,以便更好地模擬模型在前沖擊下的運動趨勢。對模型施加前沖擊載荷,研究各組織的應(yīng)力及應(yīng)變分布情況。經(jīng)過驗證,模型在前沖擊過程中,其位移模擬數(shù)據(jù)基本在實驗數(shù)據(jù)區(qū)間范圍內(nèi),模擬了頸椎C4-C6部分在前沖擊載荷下的運動趨勢,具有較好的生物逼真度,基本反映了人體頸部沖擊動力學(xué)響應(yīng)。
研究人體頸椎及相關(guān)疾病生物力學(xué)機(jī)制,創(chuàng)建一個解剖精細(xì)、非線性的正常人全頸椎(C0~T1)三維有限元模型。模型基于1例女性健康志愿者頸椎CT數(shù)據(jù)建立,采用MIMICS13.1、Hypermesh11.0、Abaqus 6.12-1等有限元軟件依次創(chuàng)建、預(yù)處理、運算和分析。在生理靜態(tài)載荷下分別模擬頸椎活動(前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)),觀察應(yīng)力集中部位;測量相鄰椎體相對活動度(ROM)。本模型經(jīng)文獻(xiàn)中ROM結(jié)果驗證可靠;預(yù)測生理載荷下枕骨大孔前部及側(cè)部是上頸椎的應(yīng)力集中點;中下段頸椎的應(yīng)力集中點大部分為活動方向?qū)?cè)的椎弓根和小關(guān)節(jié)突。全頸椎(C0~T1)非線性有限元模型的建立,可以為深入了解頸椎及其相關(guān)疾病的生物力學(xué)機(jī)制提供更理想的理論研究平臺。
本研究為了探討頭部尺寸及腦組織材料參數(shù)對頭部轉(zhuǎn)動響應(yīng)的影響, 采用實驗設(shè)計的方法, 應(yīng)用已驗證的3歲、6歲兒童和第50百分位成人頭部有限元模型進(jìn)行轉(zhuǎn)動仿真。研究結(jié)果表明:在相同的轉(zhuǎn)動載荷條件下, 頭部尺寸及轉(zhuǎn)動方向?qū)︻^部轉(zhuǎn)動響應(yīng)不具有顯著影響, 腦組織黏彈性材料的各個參數(shù)對頭部轉(zhuǎn)動響應(yīng)的影響也不顯著, 但相對于衰減常數(shù)和體積模量, 頭部轉(zhuǎn)動響應(yīng)對腦組織剪切模量最為敏感。所以, 在研究轉(zhuǎn)動載荷條件下的腦損傷標(biāo)準(zhǔn)時, 腦組織材料參數(shù)的選取對仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性尤為重要。
本研究基于計算機(jī)斷層掃描(CT)圖像數(shù)據(jù)建立并驗證正常人頸椎C4~7三維有限元模型, 為研究中醫(yī)手法治療頸椎慢性疾病的生物力學(xué)機(jī)制提供模型平臺?；谑茉囌哳i部CT圖像, 依次運用Mimics 17.0、Geomagic 12.0及Abaqus 6.13等軟件創(chuàng)建正常人C4~7節(jié)段有限元模型。在模型上分別模擬前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)工況, 計算椎體間相對動度(ROM), 將計算的結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析, 并觀察模型在1 Nm載荷下6種工況下模型的主要應(yīng)力分布情況。本研究成功建立了正常人頸椎C4~7三維有限元模型, 共包含591 459單元、121 446節(jié)點, 模擬了椎體、椎間盤、韌帶、關(guān)節(jié)等幾何結(jié)構(gòu)與材料特性。模型在前后屈伸、左右側(cè)彎和左右旋轉(zhuǎn)6種工況下的ROM與實驗研究數(shù)據(jù)基本一致, 在1 Nm扭矩或彎矩載荷下, 模型主要應(yīng)力分布基本反映了正常人頸椎生理活動時的主要應(yīng)力分布情況。本研究建立的正常人頸椎C4~7三維有限元模型精確逼真, 符合頸椎的生物力學(xué)特性, 可用于研究中醫(yī)手法治療頸椎慢性疾病的生物力學(xué)分析。
由于可用于實驗的兒童尸體的缺乏，采用具有較高生物仿真度的胸部有限元模型是研究兒童胸部損傷機(jī)理的重要手段。在已驗證有效性的 6 歲兒童胸部有限元模型基礎(chǔ)上構(gòu)建了等效肌肉模型和具有真實幾何形狀的肌肉模型，通過重構(gòu)兒童胸部正碰尸體實驗分析肌肉生物仿真度對胸部損傷的影響。對比實驗結(jié)果表明，等效肌肉模型的胸部接觸力、胸部最大壓縮量和肋骨最大范梅塞斯應(yīng)力稍大于真實肌肉模型；心臟和肺的最大主應(yīng)變都略小于真實肌肉模型；真實肌肉模型曲線與尸體實驗通道的相關(guān)性要大于等效肌肉模型。通過以上對比，本文研究結(jié)果認(rèn)為具有真實幾何形狀肌肉的兒童胸部有限元模型應(yīng)該能更準(zhǔn)確地反映胸部受到碰撞時的生物力學(xué)響應(yīng)。
基于已驗證有效的 3 歲組和 6 歲組兒童乘員胸腹部有限元模型，本文重構(gòu)了兒童尸體胸部撞擊實驗。通過合理設(shè)計有限元仿真實驗方案，探討了撞錘大小、胸部組織材料參數(shù)和胸部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)等因素對 3 歲、6 歲兩組兒童胸部碰撞響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明，針對不同大小的撞錘沖擊時，3 歲組兒童胸部接觸力峰值變化量遠(yuǎn)大于 6 歲組，對撞錘改變的響應(yīng)更敏感；而針對胸部組織材料參數(shù)的不同，由于本研究中 3 歲組和 6 歲組兒童胸部組織材料參數(shù)差異較小，其對胸部損傷響應(yīng)的影響不明顯；針對胸部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)而言，3 歲組和 6 歲組兒童胸部因內(nèi)臟大小、位置等幾何解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致碰撞時肋骨變形對內(nèi)臟擠壓位置和擠壓程度不同，從而其胸部損傷有明顯不同。因此通過本文的研究結(jié)果可以得出以下結(jié)論，根據(jù)兒童解剖學(xué)結(jié)構(gòu)特征構(gòu)建高生物仿真度的有限元模型對研究其胸部損傷機(jī)理具有重要意義。
下肢截肢后殘肢的肌肉萎縮對患者康復(fù)十分不利。為探明殘肢肌肉萎縮的生物力學(xué)機(jī)制，本研究利用大腿截肢患者殘肢的磁共振斷層影像（MRI），建立了包含肌肉、骨骼以及主要血管的殘肢有限元模型，研究分析了下肢假肢接受腔對殘肢軟組織及血管的生物力學(xué)影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，旋股外側(cè)動脈降支因擠壓而發(fā)生的狹窄最為嚴(yán)重，股深動脈的狹窄則相對較小；旋股外側(cè)靜脈的降支、股靜脈、股深靜脈狹窄的程度依次降低，大隱靜脈的狹窄程度較為嚴(yán)重。前側(cè)肌群中應(yīng)力應(yīng)變最高；下側(cè)肌群在股骨的末端處出現(xiàn)應(yīng)力集中，并且其他生物力學(xué)指標(biāo)在下側(cè)區(qū)域中也相對較高。本研究在一定程度上揭示了接受腔對血管的擠壓是導(dǎo)致肌肉萎縮的重要原因，這為進(jìn)一步研究殘肢肌肉的萎縮機(jī)制和采取有效的預(yù)防措施提供了理論參考。