关键词： 桡骨远端骨折   内固定   斜T形锁定板   蝶形锁定板   万向锁定板   位移   应力   有限元分析  

摘要： 背景:桡骨远端C1型骨折属于关节内不稳定型骨折,治疗上存在较大的难度。目前对桡骨远端骨折不同内固定接骨板的临床研究较少,缺乏多种内固定接骨板的生物力学对比研究,在内固定接骨板的选用上仍存在争议。目的:通过有限元分析法比较不同内固定接骨板在桡骨远端C1型骨折治疗中的生物力学特性。方法:使用一名健康女性志愿者的桡骨模型,顺序导入Mimics 21.0、Geomagic Wrap 2017、Solid Works 2021等软件进行处理,制作桡骨远端C1型骨折模型。根据厂家提供的接骨板数据,分别建立桡骨远端掌侧斜T形锁定板、桡骨远端掌侧蝶形锁定板、桡骨远端掌侧万向锁定板和螺钉的三维模型,并且和骨折模型进行装配,在ANSYS 19.0中赋予材料属性,设定各接触面相互作用关系并定义载荷及边界条件,模拟其腕关节压缩、背弯、掌屈和扭转等4种载荷工况,比较其生物力学性能。结果与结论:①3组内固定模型在4种载荷工况下,内固定模型整体位移主要集中在桡骨远端关节面上;模型在背弯、掌屈和扭转载荷工况下的最大位移是轴向载荷下位移的2-6倍,表明轴向载荷工况下内固定系统最稳定;②内固定上的应力远大于骨折块上的应力,内固定物应力主要集中于接骨板在骨折断端附近区域,其中万向锁定板和蝶形锁定板应力分布较为均匀,斜T形锁定板应力集中现象最为明显;③在压缩和扭转载荷下,骨折块的应力主要集中在螺钉孔周围,掌屈和背伸载荷下则是从桡骨远端向近端逐步扩展;在同样的载荷工况下,斜T形锁定板固定状态下骨折块应力最大,万向锁定板固定系统骨折块所受应力峰值最低,蝶形锁定板与万向锁定板固定状态下的骨折块峰值应力仅仅相差0.2-6.0 MPa;④相比于斜T形锁定板和蝶形锁定板,万向锁定板在桡骨远端C1型骨折内固定中应力分布更均匀,固定模型关节面位移更小、稳定性更佳。

关键词： 椎弓根强化   骨质疏松性椎体骨折   椎体成形   应力   有限元模型   骨水泥  

摘要： 背景:椎弓根内骨水泥灌注联合椎体成形已被用于治疗Kummell病和椎弓根溶骨性转移瘤等疾病,但该手术方式对相邻椎体及椎间盘的影响尚不明确。目的:应用三维有限元模型探讨经皮椎体成形联合椎弓根强化术治疗重度骨质疏松性椎体骨折对邻近节段椎体以及椎间盘相关生物力学的影响。方法:选择1位已完成经皮椎体成形联合椎弓根强化术的重度骨质疏松性椎体骨折(L1)女性患者,并提取其术前及术后的CT文件,研究范围为T_(12)-L_(2)(包括伤椎、邻近椎体和椎间盘)。通过Mimics、SolidWorks和Geomagic等软件分别建立了术前、术后三维脊柱功能单元的有限元模型。在T_(12)上终板垂直方向加载500 N力矩和10 N·m旋转力矩,模拟前屈、后伸、侧屈和旋转等运动方位,分析手术前后相邻节段椎体终板和椎间盘的应力变化情况。结果与结论:①成功建立了术前和术后脊柱功能单元的三维有限元模型;②通过计算得出,在模拟载荷下,术后T_(12)下终板应力分布更均匀且最大应力值减小,与术前相比无显著差异(P>0.05);术后L_(2)上终板应力分布更均匀且最大应力与术前无显著差异(P>0.05);同样,术后T_(12)/L_(1)、L_(1)/L_(2)椎间盘应力分布也更均匀且最大应力值均显著减小(P<0.05);③因此,经皮椎体成形联合椎弓根强化能够有效改善术后相邻椎体终板和椎间盘的应力分布,并能够减小应力,最终降低术后再骨折风险以及显著延缓椎间盘退变。

关键词： 膝关节   关节软骨   半月板   生物力学   有限元分析   有限元模型   膝骨关节炎   关节置换   人工智能   综述  

摘要： 背景:有限元分析是一种先进的计算机工程技术,利用数学近似的方法对真实人体进行模拟,可以真实反映膝关节结构内部的生物力学特征,为理解膝关节疾病发病机制、优化手术方案以及开发新型植入材料提供了有效的工具。目的:对膝关节有限元模型的建立及其在膝关节疾病研究中的应用进行综述,并展望了未来的发展趋势。方法:第一作者于2024年4月以“Finite Element Analysis,FEA,knee joint,Finite Element Model,Knee Biomechanics,Knee Osteoarthritis,Knee Prosthesis,Knee Ligaments,Meniscus”为英文检索词在PubMed和EI数据库进行检索,以“有限元分析,有限元模型,膝关节,生物力学,骨关节炎,计算模型,膝关节假体,膝关节韧带,半月板”为中文检索词在中国知网和万方数据库进行检索,最终纳入75篇文献进行分析。结果与结论:①有限元分析法利用医学影像数据获得三维人体模型,将复杂的人体关节结构简化为有限且相互连接的单元,通过对模型施加外部载荷,直观地显示膝关节内部的应力分布。②研究者通过有限元分析深入研究膝关节在不同工况下的内部应力和应变分布,可发现膝关节内部载荷分配平衡改变时,关节软骨的过度载荷及部分区域的负荷下降,这种长期异常应力会引起软骨变形和磨损,最终缺失,对于理解生物力学因素如何引起膝关节退行性变至关重要。③有研究通过有限元分析评估膝骨关节炎患者采用太极拳、步态调整等物理治疗方法的效果,结果显示这些治疗方法减少了软骨的过度负荷,为临床治疗提供了科学理论依据。④临床医生通过有限元分析在手术前进行三维重建、数据测量和模拟手术,能够优化手术治疗策略;此外,还可以通过模拟不同假体的力学特征,改进假体的形状、材料和固定方式,减少患者的并发症,提高患者的治疗效果。⑤人工智能与有限元分析相结合使得有限元模型的构建更为精确和易于操作,极大提高了临床医生医疗实践的效率和患者的治疗效果。⑥有限元分析仅是数字化的模拟,与真实物理状态仍存在一定差异。

关键词： 青少年特发性脊柱侧凸   横向侧推力   纵向撑开力   不对称应力分布   骨的机械调节原理   矫形生物力学  

摘要： 背景:青少年特发性脊柱侧凸不对称的生物力学环境会导致椎体进一步楔形变,严重时或可影响心肺功能,压迫神经。不同侧凸程度的青少年特发性脊柱侧凸应进行运动、支具或手术治疗,然而,因患者的个体差异性,选择不同矫形方式的力学机制仍不明确。目的:基于青少年特发性脊柱侧凸患者的脊柱模型,探究不同矫形方式治疗的生物力学机制,为临床治疗方式的选择提供依据。方法:基于1例青少年特发性脊柱侧凸患儿脊柱CT图像,于Mimics软件中三维重建出脊柱侧凸模型(C7-L5),在T8/T9胸廓处施加横向侧推力,在C7椎体上方施加纵向撑开力,力的大小为20,40,60,80,100,120 N,分析两种矫形方式下椎间盘凹凸侧应力、椎体凹凸侧位移和脊柱Cobb角变化。结果与结论:①横向侧推力下,C7T1-T7T8椎间盘应力无明显变化,T7T8-L4L5节段凹凸侧应力随着侧推力的增加先减小后增大,侧推力对T8T9附近节段的矫正效果明显,随着节段延伸至头端和尾端,矫正效果减弱;侧推120 N时,胸部Cobb角由53.2°变为32.5°,腰部Cobb角由50.2°变为43.9°;②纵向撑开力下,胸椎椎间盘应力先减小后增大,腰椎椎间盘应力均减小,C7位移最明显,节段延伸至尾端,矫正效果逐渐减弱;撑开力120 N时,胸部Cobb角由53.2°变为39.4°,腰部Cobb角由50.2°变为47.6°;③提示两种矫形方式均对脊柱侧凸程度有一定改善,胸部矫正大于腰部矫正,同时凹凸侧不对称的应力分布也得到改善,这有助于骨逐渐恢复正常生长;脊柱侧凸Cobb角较大时,适合采用纵向撑开方式,脊柱侧凸Cobb角较小时,适合采用横向侧推方式;研究结果有助于理解脊柱矫形机制并为矫形方式的选择提供理论依据。

关键词： 肱骨近端骨折   内侧柱重建   Philos钢板   双钢板   有限元分析  

摘要： 背景:目前临床中治疗肱骨近端骨折的钢板内固定方式仍无绝对标准,但重建内侧肱骨距并有效抵抗肱骨头内翻移位是实现肱骨近端骨折坚强固定的要点。目的:利用有限元分析技术获得3种内固定方式作用于肱骨近端骨折的力学差异,对比何种内固定方法可以提供更加稳定的固定支撑。方法:选择一名健康女性志愿者进行左肩关节的CT扫描,通过有限元分析软件构建肱骨近端骨折伴内侧柱支撑缺损模型。根据钢板内固定方式将模型划分为3组:A组仅在外侧应用Philos钢板固定;B组外侧应用Philos钢板联合内侧微型直行锁定加压板固定;C组外侧Philos钢板联合前内侧微型直行锁定加压板固定。在相同的固定支撑和约束条件下,采用ANSYS分析软件评估3组内固定模型的生物力学稳定性。结果与结论:①3组内固定模型的内固定物应力均未超过450 MPa;②不同载荷条件下,A组肱骨和内固定物的应力较高于B、C两组,而C组的肱骨和内固定物的应力均为最小值;③在屈曲载荷条件下,C组的相对位移对比A、B两组数值较小;④所有载荷条件下,B组的骨折端相对位移是最小的;在内收、外展以及轴向压缩的载荷条件下,B组的相对位移大约只有A组的一半;⑤C组与B组之间的相对位移并没有显著的差异,且C组的相对位移也均小于A组;⑥结果发现,相较于仅应用外侧Philos钢板,外侧Philos钢板与内侧微型直行锁定加压板的联合应用,以及外侧Philos钢板与前内侧微型直行锁定加压板的联合应用,均展现出显著的内固定系统稳定性,后两种组合在内固定系统稳定性上并未呈现出明显差异;综合考虑临床实践中的操作难易程度,外侧Philos钢板与前内侧微型直行锁定加压板的联合内固定方式治疗肱骨近端骨折可能更具优势。

关键词： 正畸矫治   上颌埋伏尖牙   三维有限元   牙周膜应力   阻生牙  

摘要： 背景:在正畸治疗埋伏尖牙过程中,粘接正畸附件的部位、角度、力值对牵引效果及牙周有较大影响,但目前对合适牵引部位、角度和牵引力值大小的相关研究较少。目的:通过三维有限元分析正畸矫治过程中不同牵引力作用下上颌埋伏尖牙的牙周应力分布。方法:选用1例上颌埋伏尖牙患者的锥形束CT扫描数据,建立包括埋伏尖牙、上颌骨骼及其周围支持结构在内的三维有限元模型,在埋伏尖牙唇侧切1/3、中1/3及颈1/3部位,分别施加与牙齿长轴呈60°,90°,120°角的牵引力(30,60,90 g),分析埋伏尖牙牙周膜Von Mises应力分布。结果与结论:①不同工况下埋伏尖牙的牙周应力分布基本相似:在尖牙切1/3施力时,模型中靠近颈部牙周膜Von Mises应力较小,舌面近颈部牙周膜Von Mises应力较大;在尖牙中1/3施力时,模型中靠近颈部牙周膜Von Mises应力较小,唇面近颈部牙周膜Von Mises应力较大;当在尖牙颈1/3施力时,模型中靠近牙颈部牙周膜Von Mises应力较小,唇面中部牙周膜Von Mises应力较大。②当施力部位、角度相同时,随着施加力的增加,牙周膜最大Von Mises应力呈增加趋势;当施加力大小、角度相同时,尖牙切1/3、中1/3及颈1/3部位牙周膜最大Von Mises应力呈递减趋势。在尖牙切1/3部位施加相同大小的力时,随着施力角度的增加,牙周膜最大和最小Von Mises应力均呈减少趋势;在尖牙颈1/3施加相同大小的力时,随着施力角度的增加,牙周膜最大Von Mises应力呈递增趋势。③结果显示,牵引上颌埋伏尖牙尽量在靠近牙颈部的部位粘接托槽,牵引上颌埋伏尖牙时牵引方向与牵引部位有关,牵引力一般为30-60 g之间。

关键词： 脊柱骨折   胸腰椎骨折   有限元分析法   生物力学   应力分析   综述  

摘要： 背景:脊柱骨折最高发部位是胸腰段,其症状为后背部疼痛、后凸畸形、活动受限,或伴脊髓神经损伤引发下肢疼痛、麻木甚至截瘫等并发症。有限元法是一种数字化的计算机建模技术,能真实模拟实物模型并进行受力分析。目的:综述有限元法在脊柱胸腰段骨折中的应用。方法:在中英文文献数据库PubMed、Web of Science、中国知网中检索2024年3月之前发表的有限元分析法在脊柱胸腰段骨折中应用的相关文献,中英文检索词为“有限元分析法(finite element analysis methods)”“生物力学(biomechanical phenomena)”“应力分析(stress analysis)”“胸腰椎骨折(thoracolumbar fractures)”“脊柱骨折(spinal fractures)”,最终纳入55篇文献。结果与结论:①通过有限元法对不同病因(骨质疏松性、创伤性、病理性)导致的胸腰椎骨折进行探索,有利于对各种类型胸腰椎骨折的生物力学特征有更加深刻的认识,完善对胸腰椎骨折的个性化和精细化治疗;②单一样本或数量较少样本的有限元分析具有偶然性,未来的有限元分析需要更大的样本数量来减少样本偶然性带来的误差;③仅骨骼的刚性结构不能满足实物的完整性所具有的生物力学工况,未来的有限元模型需要尽可能纳入实物的所有结构(例如肌肉、韧带等软组织);④有限元法在骨质疏松性和创伤性胸腰椎骨折方面的研究较多,未来需要进行更加深入的研究;病理性胸腰椎骨折领域的研究较少,未来研究范围较广。

关键词： 股骨颈骨折   股骨颈动力交叉钉系统   空心螺钉   有限元分析   生物力学  

摘要： 背景:股骨颈骨折是一种还未被解决的骨折,虽然涌现了空心螺钉、动力髋螺钉及股骨颈动力交叉钉等效果较好的植入物,但对于Pauwels角和剪切力较大的股骨颈骨折的最佳内固定方案尚无定论。目的:采用有限元分析法研究不同置钉位置的股骨颈动力交叉钉联合空心螺钉治疗PauwelsⅡ型中青年股骨颈骨折的生物力学特性。方法:根据提取的志愿者股骨CT数据建立Pauwels角为50°的股骨颈骨折模型,将股骨颈均分为3等分,构建4组模型:A组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈中间1/3;B组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈下1/3;C组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈下1/3+空心螺钉位于股骨颈上1/3;D组股骨颈动力交叉钉主钉位于股骨颈中间偏前内侧1/3+空心螺钉位于股骨颈中间偏后内侧1/3。在1200 N的载荷下测量4组股骨、内固定模型的应力分布及峰值、最大变形情况和骨折断面的应力分布。结果与结论:①通过有限元分析可知,C组的股骨及内固定模型的应力分布及峰值、最大变形情况和骨折断面的应力均小于其余3组;②B组相较于A组有着更小的股骨骨质、内固定物和骨折断面应力和位移,说明股骨颈动力交叉钉头钉放置于股骨颈下1/3比中1/3更稳定;③结果表明,股骨颈动力交叉钉头钉位于股骨颈下1/3联合股骨颈上1/3平行放置螺钉对青壮年PauwelsⅡ型股骨颈骨折具有更好的稳定性,是治疗该类型骨折的有效选择。

关键词： 太极   八法五步   股骨   Anybody骨肌模型   有限元分析   生物力学   关节受力   下肢骨  

摘要： 背景:Anybody骨肌建模系统,使用数学建模技术模拟人体骨骼、肌肉和环境的关系,可对人体的逆向动力学进行研究,得出下肢关节力等指标。目的:分析练习太极拳动作时下肢骨主要关节的应力分布规律,为其科学训练和锻炼价值提供依据。方法:在北京体育大学武术学院选取8名太极拳健将级运动员进行7组步法动作和右腿股骨CT的数据采集。使用BTS红外捕捉系统、Kistler三维测力台采集太极(八法五步)7组步法动作的运动和力学数据,利用Anybody 7.2骨肌模型的多体动力学仿真技术计算下肢关节动力学参数,结合Workbench 19.2对股骨进行应力计算分析。结果与结论:①利用Workbench软件分析得出了7组步法动作的股骨应力结果,7组动作的应力峰值由大至小顺序是:退步捋势(22.00 MPa)、退步採势(19.379 MPa)、左右移步挤按(9.35 MPa)、左右移步肘靠(6.30 MPa)、进步掤势(4.68 MPa)、进步挒势(2.57 MPa)、中定独立势(0.31 MPa)。②在7组步法动作中2种向后退步动作股骨应力最大(P<0.05),且在7组动作运动过程中的股骨最大应力位置均不同。③上述结果证实,在太极(八法五步)7种步法动作练习时,股骨应力阈值和最大应力位置会随着5种方向(7组动作)运动不同而变化,通过连续训练能够全面地刺激股骨体,进步动作对于股骨体正面和外侧上端影响较大,退步动作对股骨体后面和内侧影响较大,左右横向步法动作主要是股骨体两侧对称受力。④初学者要根据不同步法动作的受力特点来进行针对训练,进步动作和退步动作训练时要注重太极拳的旋转用力以及左右横移步法动作训练时的内侧对抗用力,根据自身薄弱问题,对太极拳训练步法有所侧重,进而达到更好的锻炼效果。

关键词： 桩核   弹性模量   有限元分析   计算机辅助设计与制造   最大应力值   等效应力  

摘要： 背景:桩核修复是牙体缺损修复的一种常规选择,然而不同桩核材料的修复效果存在差异。目的:利用有限元方法评估不同弹性模量桩核修复模型中桩核与牙根黏结剂部位的应力分布情况。方法:在三维建模软件中构建一个三维根管治疗过的上颌中切牙模型,进行全瓷冠修复,修复中的桩核材料分别使用纳米陶瓷树脂(弹性模量12.8 GPa)、复合树脂(弹性模量16 GPa)、混合陶瓷(弹性模量34.7 GPa)、玻璃陶瓷(弹性模量95 GPa)、钛合金(弹性模量112 GPa)和氧化锆(弹性模量209.3 GPa),将模型约束在皮质骨中,在中切牙牙冠舌侧1/3处加载与牙体长轴呈45°的100 N集中力,通过最大主应力分析修复模型中桩核、牙本质及桩与牙根黏结剂的应力分布。结果与结论:(1)当使用弹性模量较高的桩核材料时,修复模型中的桩核应力较集中;当使用弹性模量接近牙本质的桩核材料(纳米陶瓷树脂和复合树脂)时,桩核的应力分布较均匀;无论桩核材料如何,各修复模型中牙本质上的应力分布相似;使用弹性模量更高的桩核时,修复模型中桩与牙根黏结剂处显示出更多的应力集中。(2)纳米陶瓷树脂模型中桩核、牙根及桩与牙根黏结剂处的最大应力值分别为31.00,33.21,0.51 MPa,复合树脂模型中桩核、牙根及桩与牙根黏结剂处的最大应力值分别为36.84,33.14,0.59 MPa,混合陶瓷模型中桩核、牙根及桩与牙根黏结剂处的最大应力值分别为64.05,32.83,1.00 MPa,玻璃陶瓷模型中桩核、牙根及桩与牙根黏结剂处的最大应力值分别为112.30,32.69,1.73 MPa,钛合金模型中桩核、牙根及桩与牙根黏结剂处的最大应力值分别为120.00,32.17,1.86 MPa,氧化锆模型中桩核、牙根及桩与牙根黏结剂处的最大应力值分别为148.80,31.85,2.28 MPa。(3)桩核材料的弹性模量越高,进行桩核修复时桩核处的最大应力值越大,桩核材料弹性模量对修复模型中桩与牙根黏结剂处与牙本质的最大应力值无明显影响。