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。

关键词： 有限元分析   All-on-4   咬合接触   应力分布   种植修复   工程化口腔材料  

摘要： 背景:All-on-4种植固定义齿的长期修复效果与生物力学问题密切相关,其中咬合设计影响修复体各部位的应力分布,然而,国内外目前有关All-on-4种植固定义齿的生物力学研究较少且无定论。目的:分析不同咬合接触对下颌All-on-4种植固定义齿应力分布的影响。方法:建立下颌All-on-4种植固定义齿的模型,通过改变加载力的大小、方向和加载部位,设置了10种加载工况,模拟正中咬合、侧方咬合和前伸咬合,通过在不同牙位上加载模拟不同的咬合接触类型,分析比较各组模型不同加载工况中模型各部分的应力分布和最大应力值。结果与结论:①各组模型的应力分布云图基本相似,种植体应力主要集中在种植体颈部,周围骨组织的应力主要集中在种植体颈部周围,并且皮质骨的应力明显高于松质骨;基台的应力主要集中在基台与种植体和基台与上部修复体连接的部位,上部修复体中钛支架的应力主要集中在基台与钛支架连接部位,上部修复体中树脂面的应力主要集中在各加载点上;②模拟正中咬合中,末端悬臂不加载时种植体的最大Von-Mises应力值明显增大,说明下颌All-on-4种植固定义齿在正中咬合时末端悬臂区可有咬合接触;③模拟侧方咬合中,在模拟尖牙保护[牙合]工况中模型各部分的最大Von-Mises应力值明显增大;模拟平衡[牙合]工况中模型各部分的最大Von-Mises应力值较组牙功能[牙合]工况略低,说明下颌All-on-4种植固定修复在完成骨整合永久修复时,为了提高咀嚼效率,可选择组牙功能[牙合],种植术后即刻修复时可选择平衡[牙合];④模拟前伸咬合中,只在前牙区加载时模型各部分的最大Von-Mises应力值明显增大;模拟平衡[牙合]工况中,后牙区加载点在悬臂区和在悬壁区前方时模型各部分的最大Von-Mises应力值较小,说明下颌All-on-4种植固定修复义齿前伸运动的咬合接触可选择前伸平衡[牙合]。

关键词： Gyroid结构   壁厚   髁突假体   有限元分析   关节盘   颞下颌关节  

摘要： 背景:人工髁突假体置换作为治疗颞下颌关节疾病的手术方式之一,不仅要恢复形态和功能,还要保证长期稳定的应用。目的:设计个性化Gyroid结构髁突假体并进行有限元分析。方法:通过软件设计不同壁厚(250,350,450,550,650,750μm)的Gyroid结构试件,分别进行有限元模拟压缩实验,检测试件的弹性模量,筛选出与下颌骨松质骨弹性模量相匹配且孔径满足成骨条件的Gyroid结构壁厚区间,对此区间进行细分并利用3D打印技术制作Gyroid结构试件,进行万能试验机力学压缩实验,通过弹性模量与抗压强度筛选符合下颌骨力学性能、孔径更易成骨且强度较小的Gyroid结构壁厚,进行后续实验。设计下颌骨个性化Gyroid结构髁突假体三维模型,分别模拟模型在自然咬合状态下对刃颌位、牙尖交错位的有限元分析。结果与结论:①有限元分析结果显示,随着壁厚的增加,Gyroid结构试件的弹性模量升高,其中壁厚350,450,550,650,750μm Gyroid结构试件的弹性模量与下颌骨松质骨弹性模量相匹配,由于后续实验需细分组别且550,650,750μm壁厚组孔径(800-1000μm)在成骨范围内,故筛选出壁厚550,600,650,700,750μm Gyroid结构试件进行万能试验机力学压缩实验;②力学压缩实验结果显示,随着壁厚的增加,Gyroid结构试件的弹性模量与抗压强度升高,其中壁厚550,600,650μm Gyroid结构试件的弹性模量在下颌骨松质骨弹性模量范围内,最终选取壁厚650μm、孔径900μm进行下颌骨个性化Gyroid结构髁突假体三维模型构建;③下颌骨个性化Gyroid结构髁突假体三维模型有限元分析结果显示,对刃颌位关节盘应力主要集中在前中带下表面,牙尖交错位关节盘应力主要集中在下表面外侧,左右侧关节盘在对刃颌位、牙尖交错位的最大位移和等效应力相近,最大位移分别为0.031,0.030,0.028,0.018 mm,最大等效应力分别为2.87,2.30,2.73,1.71 MPa;④结果表明,壁厚650μm Gyroid结构符合下颌骨力学性能,降低了钛合金强度、减轻了个性化Gyroid结构髁突假体对关节盘的损伤。

关键词： 骨质疏松   胸腰段椎体压缩骨折   椎体强化   终板   椎间盘   个体化穿刺   生物力学   有限元分析   骨科植入物  

摘要： 背景:个体化精准穿刺入路是近年来提出椎体强化治疗的新型入路方式,并且已经取得了良好的临床疗效,但仍缺少相关生物力学研究。目的:采用有限元分析方法探讨个体化精准穿刺椎体强化治疗对骨质疏松性椎体压缩骨折椎体终板以及椎间盘生物力学的影响。方法:使用3例已完成个体化精准穿刺椎体强化治疗的骨质疏松性椎体压缩骨折患者术前和术后的CT影像资料,建立楔形型、双凹型、塌陷型术前和术后共6个模型。在椎体垂直方向加载500 N力矩和10 N/m旋转力矩,模拟正常椎体的生理活动,包括前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转和右旋转,观察个体化精准穿刺椎体强化治疗后不同类型骨折椎体终板、邻近终板以及椎间盘的应力变化。结果与结论:①成功建立了个体化精准穿刺椎体强化术前和术后脊柱功能单元的三维有限元模型;②个体化精准穿刺椎体强化术后,楔形型、双凹型及塌陷型骨折椎体终板和邻近椎体终板的最大von Mises应力值均有一定程度的减小;楔形型邻近椎体T_(10)下终板和塌陷型邻近椎体L1上终板的术后最大von Mises应力值增加;③个体化精准穿刺椎体强化术后,3种有限元模型的相邻椎间盘整体最大von Mises应力值均减小;④结果表明,个体化精准穿刺椎体强化治疗可在一定程度上减轻楔形型、双凹型和塌陷型椎体终板的最大von Mises应力值,降低术后椎体再骨折的风险;此外,还可减轻椎间盘的最大von Mises应力值,理论上也能够在一定程度上缓解椎间盘退变。

关键词： 胫骨应力综合征   生物力学仿真   内侧胫骨应力综合征   anybody modeling system   Abaqus   有限元分析  

摘要： 背景:内侧胫骨应力综合征是困扰跑步者的一种常见的下肢慢性损伤,其损伤机制可能与“肌肉牵引”假说有关,然而这种假说还没有得到完全的证实。目的:使用肌骨仿真系统和有限元分析等方法,考察比目鱼肌、胫骨后肌、趾长屈肌在跑步过程中的收缩特征是否与跑步时胫骨内侧缘的应力水平存在相关性,从而影响内侧胫骨应力综合征的发生与发展。方法:将6名受试者不同速度跑步时的动作捕捉数据输入Anybody Modeling System骨肌仿真系统,对2.5,3.5,4.5 m/s三种跑步速度情况下的步态支撑期进行逆动力学仿真,将仿真得到的边界条件与有限元模型结合,考察胫骨内侧的应力分布情况。使用偏最小二乘回归方法分析自变量(肌力、弹性势能)与因变量(胫骨应力)之间的相关性。结果与结论:①胫骨应力水平在支撑期(1%-50%)存在速度间的统计学差异(P=0.044,F=3.834,η_(p)^(2)=0.040);②3种速度下,比目鱼肌的肌力与胫骨应力之间的平均相关性最高(r=12.999),其次胫骨后肌肌力与胫骨应力的平均相关性排名第二(r=-10.735),然后依次是趾长屈肌肌力(r=-9.751),胫骨后肌弹性势能(r=8.012),比目鱼肌弹性势能(r=9.076),趾长屈肌弹性势能(r=-4.782);③结果表明,跑步速度的增加,胫骨应力水平随之上升;比目鱼肌的收缩及吸收的弹性势能在跑步过程中的释放对于内侧胫骨应力综合征的发展将产生不可忽略的影响,而胫骨后肌和趾长屈肌的作用被高估了;综合来看,研究支持了“肌肉牵引”假说中比目鱼肌的收缩对内侧胫骨应力综合征发展发挥作用的推论。

关键词： 股骨头坏死   有限元分析   内固定   步态模拟   塌陷风险   预测   研究现状   生物力学  

摘要： 背景:有限元分析是一种广泛应用于工程技术领域的分析手段,但因其对复杂结构同样能做到高精度分析,在骨科领域的应用研究也逐年递增。近10年来,国内外利用有限元分析对股骨头坏死研究取得的成果数不胜数,但是尚缺乏对于当前研究现状和热点趋势的分析。目的:对近年来有限元法应用于股骨头坏死领域的研究现状及热点进行可视化分析。方法:从中国知网(CNKI)及Web of Science数据库中筛选出2014-2023年发表与股骨头坏死有限元分析相关的文章,利用Citespace 6.1.R6可视化分析软件对相关文献的主要研究内容进行归纳,并绘制出年度发文量、作者图谱、共被引文献、热点关键词等科学知识图谱,进行总结概括。结果与结论:①根据相关关键词检索文献后导入Citespace软件,使用软件去重功能去除重复文章后,Web of Science核心合集相关文献385篇,CNKI数据库相关文献149篇;②其中关键词共现分析发现Web of Science数据库近10年间关键词频次排名为:finite element analysis(163次)、femoral head(83次)、arthroplasty(44次)、fixation(40次)、replacement(39次),中心性排名为:finite element method(0.21)、hip joint(0.21)、stability(0.19)、fixation(0.15)、contact pressure(0.15);③CNKI数据库近10年间关键词频次排名为:有限元分析(91次)、生物力学(45次)、股骨头坏死(42次)、股骨颈骨折(33次)、内固定(16次),中心性排名为:内固定(0.45)、3d打印(0.44)、健脾活骨方(0.43)、三维重建(0.42)、股骨头坏死(0.38);④近10年在股骨头坏死领域的研究中,国内外的发展均从“静态”发展为“动态”,整体进程基本上相似,对于步态模型及风险预测研究都较为深入;此外随着国内学者对于中药研究的深入,中医药手段治疗股骨头坏死疗效也得到了很好的验证;而在近10年内医学材料及计算机技术等领域将会成为国内外研究的热点;⑤尽管国内相关领域的研究较为迟缓,仍需更多临床研究验证,但随着国内科技技术的进步,相信国内学者会在未来将股骨头坏死有限元分析真正应用到临床,起到辅助患者个体化治疗、提升远期疗效的作用。

关键词： 股骨颈骨折   骨缺损   内固定   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:不稳定型股骨颈骨折伴前内侧骨缺损是非常少见且难以处理的,治疗此种骨折的最佳内固定方案一直是骨科医生中持续争论的话题。目的:通过有限元分析评估不同内固定方式治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折伴前内侧缺损的生物力学性能,以期为临床手术决策提供实验支撑。方法:利用Mimics 21.0、Geomagic和Solidworks软件构建伴有前内侧缺损且Pauwels角为70°的股骨颈骨折模型,模拟3种内固定方法:A组(3枚空心钉+内侧钢板)、B组(股骨颈动力交叉钉+1枚空心钉)和C组(4枚空心钉“菱形固定”)。在3倍体质量2100 N的载荷下分析3组模型股骨、内固定以及股骨头的应力和位移变化。结果与结论:①A组模型的股骨整体应力最小,且受力更加均匀且分散;B组内固定模型的应力较小,说明其具有更好的应力分散和抗剪切的作用;A组股骨应力侧的应力明显小于其余两组,且未发生应力集中现象;②A组无论是整体股骨模型、内固定或是股骨头的位移均小于其余两组,说明空心钉联合内侧钢板能够起到更好的稳定作用,可减少髋内翻的发生;③3枚螺钉联合内侧支撑钢板应用于垂直、不稳定且前内侧骨缺损的股骨颈骨折,可显著提高骨折的稳定性,提高对变形力的抵抗力,是治疗该类型骨折的不错选择。

关键词： 耻骨上下支骨折   经皮逆向空心螺钉   微创经皮钢板   逆行耻骨上支髓内钉   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:经皮逆向空心螺钉、微创经皮钢板广泛应用于单侧耻骨支骨折中,但存在误穿髋关节和损伤骨盆内侧滋养动脉等缺点。一种新型逆行耻骨上支髓内钉治疗骨盆前环骨折拥有透射次数少和手术时间短等优点,但目前缺乏上述3种内植物生物力学特征的验证。目的:通过有限元分析方法,比较在不同工况下经皮逆向空心螺钉、微创经皮钢板和逆行耻骨上支髓内钉治疗耻骨上下支骨折的生物力学差异。方法:收集1名志愿者的骨盆CT数据,将数据导入mimics 20、Geomagic Wrap 2021、Soildworks 2019中,建成3种内固定治疗单侧耻骨支骨折的几何模型,分别为空心螺钉组、钢板组、髓内钉组。分别将上述模型导入Ansys 2022软件设置垂直工况、开书样工况、剪切工况进行前处理和计算,比较分析内植物的力学稳定性。结果与结论:①在垂直工况下,空心螺钉治疗单侧耻骨骨折的生物力学稳定性较钢板和髓内钉更为优秀,其内植物应力峰值最小,其余两组对比空心螺钉组峰值增加4倍以上;②在开书样工况下,钢板治疗单侧耻骨骨折有更好的生物力学稳定性,钢板组降低耻骨上支断端应力有较好表现,其他两组的应力较钢板组增加5倍以上;③在剪切工况下,髓内钉治疗单侧耻骨骨折表现出良好的生物力学稳定性,其维持骨盆位移效果最佳,其他两组骨盆位移比髓内钉组增加了25%以上;④提示不同内植物在生物力学上存在差异性:逆行经皮空心螺钉在垂直工况下内植物应力峰值最小,微创经皮钢板在开书样工况下减小耻骨上支断端应力最优,逆行耻骨上支髓内钉在剪切工况下骨盆位移最小,可以将内植物生物力学差异性与患者临床实际情况相结合,选择最优内植物治疗方式。

关键词： 后外侧胫骨平台骨折   腓骨头上入路   有限元分析   万向螺钉   钢板后置   膝关节   应力分散   生物力学  

摘要： 背景:通过腓骨头上入路治疗后外侧胫骨平台骨折时,腓骨头与外侧平台间隙差无法满足所有患者行钢板后置。目的:有限元法分析腓骨头上入路治疗后外侧胫骨平台骨折过程中钢板横臂万向螺钉角度以及数量不同导致固定强度的差异。方法:选用一名30岁健康成年男性志愿者膝关节至踝关节的CT图像,建立有限元模型。根据外侧锁定加压钢板是否后置分为后置组和非后置组,后置组根据2枚万向螺钉的偏移角度分为A-D组(0°,5°,10°,15°);非后置组根据2枚万向螺钉的偏移角度分为E,F组(0°,15°)。采用有限元法评估250,500,750 N载荷下的von Mises应力分布、最大von Mises应力和压缩位移,探究各组之间的力学差异。结果与结论:①有限元分析结果显示:750 N载荷水平下,内固定装置的最大压缩位移趋势为D

关键词： 股骨远端骨折   双钢板   股骨逆行髓内钉   胫骨逆行髓内钉   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:股骨远端骨折的患者年龄呈双峰分布,多见于高能量损伤的青壮年和低能量损伤的老年人。对于复杂的股骨远端骨折,单一的股骨远端外侧微创内固定系统或股骨逆行髓内钉的固定方式可能无法实现骨折愈合的稳定环境,因此常常需要联合固定。目的:设计了一款针对股骨远端A3型骨折的新型联合内固定方式(微创内固定系统+胫骨逆行髓内钉),使用有限元方法与2种常用联合固定方式——双钢板(微创内固定系统+锁定加压钢板)和钉板联合(微创内固定系统+股骨逆行髓内钉)固定的生物力学性能进行对比分析,为股骨远端型骨折临床内固定的选择提供理论依据。方法:选择一名23岁健康男性志愿者的股骨CT图像,基于Mimics与Geomagic Studio软件重建股骨三维模型,并与其他文献所做体外有限元分析数据比较,验证此次制作股骨三维模型的有效性。使用Creo 5.0软件建立股骨远端A3型骨折模型与内固定三维模型,对股骨骨折模型与3种联合内固定方式(微创内固定系统+胫骨逆行髓内钉、微创内固定系统+锁定加压钢板、微创内固定系统+股骨逆行髓内钉)进行装配并行布尔运算,建立3组有限元模型。随后导入Abaqus有限元分析软件中赋予材料属性,施加相同的边界条件与3种载荷(正常站立、缓慢行走、下楼梯)提交计算,分析3组模型受力后内固定应力分布、股骨整体与局部变形情况,评估新型联合内固定方式(微创内固定系统+胫骨逆行髓内钉)的失效风险与抗变形能力。结果与结论:①微创内固定系统+胫骨逆行髓内钉抗变形能力虽然低于微创内固定系统+锁定加压钢板10%左右,但与微创内固定系统+股骨逆行髓内钉相当,具备良好的抗变形能力;②3种联合内固定方式的股骨刚度基本不随步态发生变化;随着载荷的增加,股骨位移量基本呈线性增加,稳定性较高;③微创内固定系统+胫骨逆行髓内钉内固定的失效风险低于其他两种方案,相比微创内固定系统+锁定加压钢板失效风险降低2.94%;④新型联合固定方式在抗变形能力与安全有效性方面均具备一定的优势,为进一步的临床推广应用奠定了理论基础。