关键词： 膝关节   有限元计算模型   材料特性   不同年龄段   弹性模量   工程化材料  

摘要： 背景:有限元计算模型作为一种重要的工程分析技术已被广泛应用于生物工程研究的各个领域,然而,很少有文献介绍不同年龄阶段膝关节有限元计算模型每个解剖结构的材料性能,以满足不同的研究目的。目的:在前人膝关节有限元研究的基础上,总结不同年龄阶段膝关节有限元计算模型的材料特性。方法:英文检索词为“Knee,finite element,material selection,ligament injury,osteoarthritis,elderly,children,young people”等,中文检索词为“膝关节,有限元,材料选择,韧带损伤,骨关节炎,老年人,儿童,年轻人”等,分别检索中国知网、PubMed数据库,文献检索时限为1950-2024年,就纳入与排除标准,最终纳入108篇文献进行归纳总结。结果与结论:儿童膝关节骨密度会随着年龄的增长而增加,在成年后达到峰值。中年到老年阶段,膝关节股骨、胫骨、腓骨、髌骨的弹性模量会随着年龄的增加而降低,进而回归到儿童时期的弹性模量。儿童与成年人软骨的弹性模量基本一致,而老年人的软骨弹性模量增大。随着年龄的增长,膝关节韧带的弹性模量会出现一定程度降低,但年轻人与老年人膝关节韧带的弹性模量无显著差异。随着年龄的增长,膝关节半月板机械完整性的丧失会损害组织的生物力学功能,扰乱组织有效承载和传递的各向异性生物力学响应。膝关节有限元建模可以深入了解膝关节的生物力学特性,开发新的植入材料、预测膝关节疾病、改进手术技术,并指导患者康复锻炼。

关键词： 异形个性化钛板   传统重建接骨板   髋臼双柱骨折   骨折内固定   多体位   位移   应力   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:髋臼双柱骨折类型复杂且常见,目前治疗髋臼双柱骨折多采用传统重建接骨板,其与骨面的不匹配性会加大手术难度。个性化接骨板能够实现接骨板与骨面贴合,但个性化接骨板与传统重建接骨板固定髋臼双柱骨折的生物力学对比研究较少,且模拟的体位姿态较为单一。目的:采用三维有限元方法分析复杂髋臼双柱骨折不同内固定方式在各种体位下的生物力学特性,为临床应用提供必要的生物力学依据。方法:建立累及方形区的复杂髋臼骨折中最具代表性的双柱骨折模型,在此基础上建立异形个性化钛板固定(A组)、前后柱双钛板固定(B组)、前柱重建钛板+后柱拉力螺钉固定(C组)和前柱重建钛板+髋臼下螺钉固定(D组)4种不同内固定方式固定复杂髋臼双柱骨折的三维有限元模型,分别模拟静坐、站立、患侧前伸、患侧外展以及患侧单腿站立体位下对4种复杂髋臼双柱骨折模型进行有限元分析,比较4种内固定方式的生物力学性能差异。结果与结论:①在各种体位下,骨折线上节点位移以及平均位移均表现为A组0.05);在静坐、患侧前伸和患侧外展体位下,A组与B组、B组与C组、C组与D组无统计学差异(P>0.05),A组与C组、A组与D组、B组与D组之间差异有显著性意义(P<0.05);②A组各个骨折块所受最大应力相较于其他组更小,且骨折块所受应力分布更加均匀;内固定物应力主要集中于接骨板在骨折断端附近区域,其中A、B组内固定方式应力分布较为均匀,C、D组内固定方式应力集中较为明显,且A组相较于其他3组内固定物最大应力值减小了4.86%-54.61%;③在患侧前伸和患侧外展体位下,A、B组均具有较大的应力遮挡率,两组最大差值为5.67%;在患侧单腿站立体位下,A组内固定应力遮挡率最高,而D组应力遮挡率最小;④提示异形个性化钛板固定(A组)相较于其他3组传统重建接骨板固定具有更好的生物力学稳定性。

关键词： 踝关节   肌腱   韧带缺损   邻近核心肌腱   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:高能量损伤导致的内、外踝韧带断裂、缺损是足踝外科常见难题之一,邻近肌腱常作为移植材料重建缺损,探究韧带缺损状态下邻近核心肌腱的力学特性对于选择肌腱供区具有重要意义。目的:探究踝关节活动过程中,内、外踝韧带不同程度缺损时,其各自邻近核心肌腱间的相互作用及生物力学变化。方法:基于一名50岁健康男性左足的CT影像数据,通过MIMICS软件提取并构建表面立体模型,利用Geomagic Wrap进行拟合曲面,并在SOLIDWORKS中构建包含不同程度韧带缺损的骨-软骨-韧带-肌腱足踝复合体模型。采用Ansys Workbench进行有限元分析,通过前抽屉实验验证模型有效后,模拟踝关节内、外翻及内、外旋条件,观察腓骨短、长肌腱与胫前、后肌腱的Von-Mises应力最大值变化及分布特征。结果与结论:①前抽屉实验中距骨最大位移5.2085 mm,与文献报道的数据相似,验证模型有效;②4种工况下,踝关节单侧单束韧带缺损对邻近核心肌腱的应力最大值影响较小,单侧多束韧带缺损则显著增加肌腱应力最大值;除胫前肌腱各段应力载荷均偏高外,腓骨短、长肌腱及胫后肌腱的高应力区域均集中在肌腱远端;③外踝韧带一旦缺损,内翻、内旋时腓骨短肌腱的应力最大值及变化量均高于腓骨长肌腱;距腓前韧带缺损时内翻,腓骨短肌腱应力最大值较正常相比增加0.9512 MPa,腓骨长肌腱应力最大值降低0.0651 MPa;跟腓韧带缺损时内旋,腓骨短肌腱应力最大值增加2.3529 MPa,腓骨长肌腱应力最大值降低0.2692 MPa;④提示内踝韧带缺损时外翻、外旋,胫前、后肌腱的应力最大值变化复杂,取决于缺损韧带类型,尤其全层韧带缺损将显著增加二者应力最大值。

关键词： 新型股骨颈螺旋刀片系统   股骨转子间骨折   有限元分析   等效应力   压缩载荷   力学特性   生物力学  

摘要： 背景:股骨转子间骨折目前以股骨近端防旋髓内钉为代表的髓内固定为主流手术方案,但术后内固定松动、失效、退钉等现象仍有发生。作者设计了一款新型股骨颈螺旋刀片系统来解决这个问题,通过有限元研究对该系统进行力学分析,来为设计提供理论依据。目的:通过有限元研究对比分析新型股骨颈螺旋刀片系统和股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折的力学特性。方法:在股骨有限元模型的基础上,根据2018版AO骨折分型原则建立A1.2、A2.2股骨转子间骨折模型,分别采用股骨近端防旋髓内钉和新型股骨颈螺旋刀片系统固定,在股骨头的上方施加700,1400,2100 N的轴向载荷,观察各组模型的最大等效应力和最大变形量,比较分析两种内固定方式的力学特性。结果与结论:①新型股骨颈螺旋刀片系统组在不同压缩载荷作用下,其内固定的最大等效应力均小于股骨近端防旋髓内钉组;②A1.2型骨折模型中,在不同压缩载荷下,新型股骨颈螺旋刀片系统固定下股骨的变形量均小于股骨近端防旋髓内钉组,两者差值的平均值为1.113 mm;A2.2型骨折模型中亦是如此,两者差值的平均值为2.017 mm;③A1.2型骨折模型中,在不同的压缩载荷下,新型股骨颈螺旋刀片系统固定下螺旋刀片的最大变形量均小于股骨近端防旋髓内钉组,两者差值的平均值为1.062 mm;A2.2型骨折模型中亦是如此,两者差值的平均值为1.891 mm;④表明相较于股骨近端防旋髓内钉,新型股骨颈螺旋刀片系统的内固定应力值更小,固定后股骨及内固定的位移值更小,可以更加有效地固定骨折,防止螺旋刀片在股骨颈中退钉或切出。

关键词： 髌骨下极   骨折   骨折内固定   克氏针张力带结合纵向捆绑   有限元分析   生物力学   骨科植入物  

摘要： 背景:髌骨下极对伸膝装置完整性和稳定性以及保持良好的膝关节功能非常重要。目前临床治疗髌骨下极骨折尚没有统一的手术方法,但有效的内固定应该具备对抗股四头肌和髌韧带的拉应力与股骨髁的屈曲应力以及骨折断端分离移位的能力。目的:通过有限元法建立髌骨下极骨折三维模型,对比克氏针张力带、克氏针张力带结合环抱、克氏针张力带结合纵向捆绑3种固定方式的生物力学稳定性,进而为髌骨下极骨折的治疗提供一种可靠的术式选择。方法:选择一名健康的女性志愿者进行膝关节CT扫描,利用有限元软件构建髌骨下极骨折模型。根据不同内固定方式设定为A、B、C组:A组为克氏针张力带固定,B组为克氏针张力带结合环抱固定,C组为克氏针张力带结合纵向捆绑固定。在相同的支撑和约束条件下,运用有限元分析软件评估3种内固定模型的生物力学特性。结果与结论:有限元分析结果表明,在45°合力方向上施加不同大小载荷的条件下,C组相比于A、B两组整体模型、髌骨骨折端及内固定物的位移最小,模型及内固定物的应力最小。提示相较于克氏针张力带和克氏针张力带结合环抱这两种内固定方式,克氏针张力带结合纵向捆绑技术呈现出更小的位移和应力,具备更出色的生物力学强度及更为可靠的内固定强度,从理论上来讲可以很好地满足患者术后早期进行功能锻炼的需求。

关键词： 斜外侧腰椎椎间融合   侧方钉棒   钉棒位置   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:斜外侧腰椎椎间融合目前已成为一种成熟的腰椎融合方式,其在同一通道下辅助侧方钉棒固定的方式近年来受到了大家的关注,但目前对于术中侧方钉棒放置的最佳位置没有统一定论,且缺乏相关的生物力学依据。目的:建立不同的斜外侧腰椎椎间融合联合侧方钉棒固定模型,评估其对腰椎生物力学的影响,为侧方钉棒置入提供一定的生物力学依据。方法:采用1名健康成人的计算机断层扫描图像,利用Mimics、Geomagic和SolidWorks软件建立L_(4)-L_(5)单纯斜外侧腰椎椎间融合无内固定模型及不同置钉位置的侧方钉棒固定模型,其中双钉棒固定模型9种、单钉棒固定模型5种。在Ansys workbench软件中分析各模型屈伸、侧弯及旋转工况下的活动度、内固定和cage的应力峰值。结果与结论:①所有内固定模型的活动度均小于单纯斜外侧腰椎椎间融合无内固定模型;双钉棒与单钉棒均在贴近L_(4)和L_(5)上终板放置时的活动度最小,且前者对活动度的限制更多;②所有内固定模型的cage应力峰值均小于单纯斜外侧腰椎椎间融合无内固定模型;除右旋工况外,双钉棒放置在L_(4)和L_(5)前上、后下时融合器应力最小,与贴近L_(4)下终板和L_(5)上终板放置时相接近;单钉棒则在贴近L_(4)下终板和L_(5)上终板处放置时最小;③在屈伸工况下,双钉棒在贴近L_(4)和L_(5)上终板放置时内固定应力峰值最小;单钉棒则贴近L_(4)下终板和L_(5)上终板放置时最小;④提示侧方钉棒的位置是影响斜外侧腰椎椎间融合生物力学性能的重要因素之一,双钉棒固定的生物力学性能总体优于单钉棒;当双钉棒贴近椎体上终板放置时可以获得最好的生物力学稳定性,一定程度降低螺钉断裂的风险;而当双钉棒放置在上下椎的前上和后下象限或紧邻上下终板时可以极大降低cage沉降的发`生率。

关键词： 椎弓根螺钉   腰椎   脊柱固定   应力分析   拔出强度   改道置钉   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:目前,椎弓根螺钉固定技术被公认为腰椎后路融合的金标准,然而,该技术也存在一些负面并发症,例如置钉方向不理想、螺钉松动、断裂等。针对这一问题,有必要对螺钉重新置钉的力学特性进行深入研究,优化置钉方案提高手术的成功率和安全性。目的:通过结合有限元分析和生物力学实验验证,对传统轨迹椎弓根螺钉在多次拔出过程中的力学性能进行对比分析,以揭示螺钉在多次拔出过程中拔出强度的变化规律,为临床提供关于椎弓根螺钉重新置钉的安全性和有效性方面的科学依据。方法:基于CT扫描数据三维重建L4腰椎模型,利用3D打印技术打印生物实验样本,并按照置钉方案进行拔出实验。根据CT数据和标准椎弓根螺钉参数,建立L4腰椎有限元模型和椎弓根螺钉模型(直径为6.0 mm,长度为45 mm),根据置钉角度和次数将模型分为5种工况,建立有限元模型来模拟轴向拔出力实验,通过观察椎体的应力分布以及螺钉的轴向最大拔出强度,将3D打印力学实验结果与仿真结果进行对比分析。结果与结论:①设计并搭建了一套椎弓根螺钉拔出实验装置;②3D打印力学实验中对比正常置钉和一次不理想置钉工况下的4组模型,正常置钉组模型展示了最大抗拔出力,为(1422.63±23.80)N,且随着置钉偏移角度的增大,各组模型的最大抗拔出力逐渐减小;③对比一次不理想置钉和修正置钉工况,当不理想置钉偏移角度大于3号模型的角度时,重新以正常角度置钉有助于提升螺钉的抗拔出力;④对比二次不理想置钉和再次修正置钉工况,重新以正常角度置钉工况降低了螺钉的抗拔出力,不更换螺钉情况下不建议进行第3次置钉;⑤3D打印力学实验得出的拔出强度与有限元模拟得出的拔出强度具有较高的相关性,相关系数为0.98,两种方法的结果无显著差异(P>0.05)。

关键词： 股骨颈骨折   股骨颈系统   空心钉   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折的治疗极为棘手,内固定治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折时,不仅需保障内固定物的机械稳固性,更要确保其能够抵抗剪切、压缩和张力的冲击,防止在骨折愈合过程中内固定物因疲劳而断裂或松动。然而,现有的内固定方式还不能完全满足要求。目的:期望能够为临床治疗青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折时,提供更为合理、有效的内固定方式选择,从而优化治疗效果,减少并发症的发生,提高患者的康复速度和生活质量。方法:利用志愿者股骨CT数据构建了Pauwels角为70°的股骨颈骨折模型,设置3种置入方式:①股骨颈动力交叉钉系统组:股骨颈动力交叉钉系统主钉位于股骨颈轴位中心;②联合组:股骨颈动力交叉钉系统主钉位于股骨颈轴位的偏下1/3,1枚空心钉位于股骨颈轴位的偏上1/3;③空心钉组:3枚空心钉的布置以经典的倒三角形状排列,确保固定效果的最大化。分析3种不同内固定方式下股骨近端骨折块和内固定装置的应力分布和位移;结果与结论:①3组股骨近端模型的应力均集中在骨折线附近,联合组(201.10 MPa)<股骨颈动力交叉钉系统组(222.25 MPa)<空心钉组(271.25 MPa);②股骨近端移位峰值均位于顶部,联合组(6.33 mm)<股骨颈动力交叉钉系统组(9.37 mm)<空心钉组(9.92 mm);③内固定应力均集中于骨折断端处的螺钉表面,并从该处向两侧逐渐延伸,空心钉组(136.67 MPa)<联合组(201.10 MPa)<股骨颈动力交叉钉系统组(222.25 MPa);④内固定装置模型位移最大处均位于内固定物的最顶端,3组均由顶部至远端逐渐减小,位移峰值分别为:联合组(6.21 mm)<股骨颈动力交叉钉系统组(9.19 mm)<空心钉组(9.51 mm);⑤3组模型的近端骨块应力主要集中在骨折断端,特别是在骨折端靠下方的区域,这表明这些区域在力学传递过程中承受了较大的应力和应变,联合组(24.96 MPa)<股骨颈动力交叉钉系统组(39.69 MPa)<空心钉组(44.47 MPa);⑥结果说明股骨颈动力交叉钉系统联合空心钉在冠状面呈平行排列的内固定策略,相较于单一的股骨颈动力交叉钉系统固定或倒三角形空心钉固定,展现出了更高的生物力学稳定性,为青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折提供了更为可靠和有效的治疗方案。

关键词： 有限元分析   无托槽隐形矫治器   磨牙远移   支抗钉   精密切割   弹性牵引  

摘要： 背景:支抗钉辅助无托槽隐形矫治器远移磨牙是临床中常用的矫治方法,而支抗钉不同植入位置及不同牙位的精密切割会对矫治效果产生影响。目的:运用有限元分析不同牙位精密切割及颊、腭侧支抗钉辅助无托槽隐形矫治器远移磨牙的生物力学效应。方法:通过整合志愿者锥形束CT及Itero口内扫描数据构建高精度有限元模型,模拟支抗钉联合精密切割行弹性牵引辅助无托槽隐形矫治器,同时远移上颌第一、二磨牙,设计远移量为0.2 mm。基于颊侧支抗钉、腭侧支抗钉及尖牙处和第一前磨牙处精密切割的设计,建立4组工况,分别为颊侧支抗钉配合在尖牙颊侧做精密切割、颊侧支抗钉配合在第一前磨牙颊侧做精密切割、腭侧支抗钉配合在尖牙舌侧做精密切割、腭侧支抗钉配合在第一前磨牙舌侧做精密切割。使用ANSYS软件分析各工况中上颌牙齿在三维方向的位移趋势及牙周膜最大等效应力。结果与结论:①无论精密切割位于尖牙还是第一前磨牙,相较于颊侧支抗钉,腭侧支抗钉能增大上颌磨牙远移量、减少前磨牙近中移动和前牙唇倾趋势,磨牙牙周膜最大等效应力增大,前牙牙周膜最大等效应力减小;②无论支抗钉位于颊侧还是腭侧,相较于在第一前磨牙处做精密切割,在尖牙处做精密切割时,前牙唇倾趋势减小,磨牙远中移动量减小,前磨牙近中移动量增大,磨牙及前牙牙周膜最大等效应力均减小;③无论支抗钉位于颊侧还是腭侧、精密切割位于尖牙还是第一前磨牙,磨牙均无法实现整体移动;④结果显示,无托槽隐形矫治器配合腭侧支抗钉及在第一前磨牙处做精密切割更有利于提高上颌磨牙远移效率,但需要注意保护前牙支抗及磨牙转矩控制;无托槽隐形矫治器配合腭侧支抗钉及在尖牙处做精密切割更有利于远移磨牙后内收前牙,但磨牙远移效率会相对减小。