关键词： 骨水泥   骨质疏松   椎体压缩骨折   经皮椎体强化   有限元分析  

摘要： 背景:采用双侧经皮椎体强化治疗骨质疏松性椎体压缩骨折中,作者发现当骨水泥注射总量达4 mL及以上时会在X射线片上呈现不同的分布形态,然而关于骨水泥分布形态对骨折椎体生物力学特性的影响鲜有报道。目的:利用有限元法进一步探讨骨水泥填充量及分布形态对骨折椎体生物力学的影响。方法:建立L_1-L_3骨质疏松有限元模型,在L_2节段模拟椎体压缩骨折,在骨质疏松性椎体压缩骨折模型上分别模拟4 mL及6 mL骨水泥注入量及双侧部分融合(FH型)、完全融合(FO型)、对称分离(SA型)、非对称分离(SN型)4种骨水泥分布形态,共获得9组模型。在相同边界条件下进行三维有限元求解,比较L_2骨折椎体的应力及位移。结果与结论:(1)9组模型的最大应力均集中于L_2骨折区域,各骨水泥填充骨折模型的L_2最大应力和最大位移均小于无骨水泥填充骨折模型,说明骨水泥填充治疗骨质疏松性椎体压缩骨折有效;(2)与4 mL骨水泥填充相比,6 mL骨水泥填充在提高骨折椎体稳定性的同时可显著降低骨折椎体应力,增强椎体强度;(3)在相同运动状态下,FH型组骨折椎体应力均为最小,其次为SA型组,该两组接近,FO型组骨折椎体应力最大,在侧弯动作中尤为明显,可能与骨水泥团块形状导致侧方应力集中有关;FH型组骨折椎体位移最小,FO型组骨折椎体位移最大;(4)结果显示,增加骨水泥注入剂量可以降低骨折椎体应力,提高稳定性,但会增加渗漏风险;双侧对称弥散分布骨水泥(FH型、SA型)在恢复椎体强度及稳定性上均优于完全融合、非对称分离骨水泥,因此,临床上行双侧经皮椎体强化治疗骨质疏松性椎体压缩骨折时,首先保证双侧对称弥散分布,优先推荐双侧部分融合型分布,可获得合适的应力刺激及较好的稳定性。

关键词： 口腔种植   盾构术   根盾片厚度   生物力学   并发症   三维有限元  

摘要： 背景:口腔种植盾构术有效维持了唇侧软硬组织,但术后根盾片暴露、移位等并发症发生率较高,推测种植牙长期行使功能后根盾片可能受到了过大负载而导致其暴露及移位。目的:通过三维有限元法,探讨正常咬合下不同根盾片厚度对根盾片、牙周膜、种植体及周围牙槽骨应力分布、应力峰值、位移等的影响,分析不同根盾片厚度与根盾片暴露、移位及折裂发生的力学相关性。方法:在数据库中选取1例符合上颌中切牙种植盾构术适应证患者的锥形束CT资料,通过逆向建模技术构建上颌骨和根盾片模型,根据种植体相关部件参数,通过正向建模技术构建种植体相关部件模型。将各模型导入Solidworks 2022软件,根盾片厚度分别设为0.5,1.0,1.5,2.0 mm。使用ANSYS Workbench 2021软件模拟分析正常咬合情况下各模型中根盾片、牙周膜、种植体及周围牙槽骨的应力分布、应力峰值、位移情况。结果与结论:(1)各组模型中根盾片的应力集中于腭侧颈部、两侧边缘与唇侧下缘,随着根盾片厚度的增加,模型中根盾片的等效应力峰值及位移呈下降趋势,厚度0.5 mm组模型中根盾片的等效应力峰值达到176.20 MPa,超过了牙体组织屈服强度150 MPa;(2)各组模型中牙周膜应力集中于颈部边缘及上部区域,随着根盾片厚度的增加,模型中牙周膜的等效应力峰值及位移呈下降趋势;(3)各组模型中种植体应力集中于种植体颈部与种植体-修复基台连接处,唇侧均较腭侧集中,随着根盾片厚度的增加,模型中种植体的等效应力峰值呈上升趋势;(4)各组模型中皮质骨应力主要集中于种植体颈部周围和根盾片下缘周围,唇侧较腭侧集中,随着根盾片厚度增加,模型中根盾片周围骨的等效应力峰值呈降低趋势,种植体颈部周围骨的等效应力峰值呈上升趋势;模型中松质骨的应力主要集中于种植体唇侧颈部周围、螺纹顶端、根尖部和根盾片下缘周围,唇侧较腭侧集中,随着根盾片厚度增加,模型中根盾片周围骨的等效应力峰值呈降低趋势;各组模型中皮质骨的最小主应力集中于种植体颈部周围,呈扇形分布,随着根盾片厚度的增加,皮质骨的最小主应力呈上升趋势;(5)结果显示不同根盾片厚度对盾构术系统产生了不同的生物力学影响,0.5 mm厚的根盾片易出现根盾片折裂,对于骨宽度充足的患者,2.0 mm厚根盾片是一个能降低根盾片暴露、折裂、移位并发症风险的选择,同时预备过程中应注意保护牙周膜,对根盾片两侧及下缘作圆顿处理。

关键词： 冠状动脉粥样硬化   预扩张   新型扩张球囊   血管损伤   有限元分析   旋刻球囊  

摘要： 背景:目前临床上使用的冠状动脉介入预扩张球囊主要是传统的高压球囊、乳突球囊等,它们在病变血管中可能会出现滑脱进而擦伤血管的情况。目的:评估新型旋刻球囊在血管扩张中的安全性及有效性。方法:(1)有限元分析:通过采集相关人体组织数据建立血管三维有限元模型,随后建立乳突球囊植入血管三维有限元模型与旋刻球囊植入血管三维有限元模型,分析不同充气压下球囊扩张时的血管应力、血管位移、球囊应力、球囊位移。(2)动物实验:将8只新西兰大耳兔随机分成2组,在髂动脉中分别植入乳突球囊与旋刻球囊进行扩张,每组4只。球囊撤出后取材,苏木精-伊红染色与透射电镜观察血管损伤情况。结果与结论:(1)有限元分析:两种球囊的弹力性质无明显差异,在相同充气压下,乳突球囊组血管应力、血管位移、球囊应力、球囊位移均远远大于旋刻球囊组,并且各指标的均匀性优于旋刻球囊组;随着充气压的增加,乳突球囊组血管应力、血管位移、球囊应力、球囊位移增加幅度远远大于旋刻球囊组。(2)动物实验:苏木精-伊红染色与透射电镜观察显示,旋刻球囊扩张造成的血管损伤只局限在内膜,而乳突球囊扩张造成的血管损伤比较严重,内膜、中膜损伤严重,部分节段可以看到血肿形成,血管周围的炎性细胞较多,局部可见有巨噬细胞堆积。(3)结果表明:相较于乳突球囊扩张,旋刻球囊扩张造成血管闭塞以及夹层的风险较小,但有一定出现球囊弯曲的概率。

关键词： 大尺寸非标碟簧   载荷-变形   载荷-应力   有限元分析  

摘要： 以某锤击式振打系统中的大尺寸非标碟簧为研究对象,对其在不同载荷作用下的响应特性进行了研究。分别采用理论及仿真模拟方法,对标准碟簧及大尺寸非标碟簧的载荷-变形及载荷-应力状态进行了分析;并采用仿真分析方法,研究了对合状态下重载非标碟簧的响应特征。研究结果表明,对于大变形工况,有限元法能更准确地描述大尺寸非标碟簧的承载性能;大尺寸非标碟簧承受载荷小于额定载荷时,其载荷-变形量呈现线性特征;承受载荷超过额定载荷后,载荷-变形量呈现非线性特征。分析认为,碟簧载荷与变形量的理论计算方法适用于结构的小变形状态,当载荷超过额定载荷时,碟簧的变形较大,小变形的线弹性理论已经不适用于大载荷工况。随着载荷变大,对合状态碟簧接触面的接触状态会发生突变,从面-面接触变成线-面接触,接触状态的改变会造成碟簧局部应力产生变化,影响碟簧的安全使用。

关键词： 穿斗式木结构   抗震性能   大理   丽江   有限元分析  

摘要： 通过实地调查,分析了大理、丽江地区木结构榫卯结构的配置情况以及二者结构上的差异。为了研究二者的抗震性能与受力特性,通过有限元软件对两个地区的典型穿斗式木结构山架进行低周往复荷载模拟。结果表明:丽江地区穿斗式木结构山架抗震性能优于大理地区,两地木结构的薄弱点均在横向构件与纵向构件的榫卯节点处,榫卯节点的薄弱点位于榫头末端,二者的抗侧刚度均不高,易在水平荷载下倾斜。

关键词： 全膝关节置换   股骨前皮质切迹   骨质疏松   膝关节股骨假体周围骨折   生物力学   三维有限元分析  

摘要： 背景:全膝关节置换后发生膝关节股骨假体周围骨折是常见并发症之一,目前对不同骨质强度条件下发生膝关节股骨假体周围骨折的生物力学研究欠缺,三维有限元分析可为临床提供生物力学基础。目的:探讨不同骨质强度下全膝关节置换过程中发生股骨前皮质切迹的生物力学变化,为临床预防膝关节置换后发生膝关节股骨假体周围骨折提供力学理论基础。方法:获取健康成年人的股骨CT数据,运用Mimics、Geomagic studio、Solidworks软件建立膝关节股骨侧置换三维模型,然后构建不同深度的股骨前皮质切迹模型,将模型导入到ANSYS软件并分析不同骨强度、不同股骨前皮质切迹深度对股骨髁上生物应力的影响,并分析股骨前皮质切迹骨水泥填补前、后的股骨前髁截面应力变化。结果与结论:①任何骨质强度下,髁上应力都随股骨前皮质切迹深度加深而增加;在正常骨质情况下,当股骨前皮质切迹深度在3 mm和4 mm间有一个应力突变点;在骨质疏松情况下,当股骨前皮质切迹深度在2 mm和3 mm间有一个应力突变点;②膝关节置换过程中发生股骨前皮质切迹且深度超过骨皮质厚度时,随着骨质强度降低,股骨髁上应力逐渐增大;③使用骨水泥填补股骨前皮质切迹深度为3 mm的模型,股骨前髁截面应力下降;④结果显示,膝关节置换过程中应该避免股骨前皮质切迹出现,特别是骨质疏松患者;如术中出现股骨前皮质切迹且深度超过骨皮质厚度时,可以采用骨水泥均匀填充股骨前皮质切迹以降低股骨髁上应力,降低膝关节股骨假体周围骨折的发生率。

关键词： 发育性髋关节发育不良   髋关节发育不良   有限元   髋关节   应力   生物力学   儿童   骨盆截骨术  

摘要： 背景:发育性髋关节发育不良常易导致患儿肢体畸形,其诊疗的相关研究已逐渐明确;近来有限元法因其优势在发育性髋关节发育不良的相关研究中受到学者重视。目的:通过文献检索综述有限元法在儿童发育性髋关节发育不良及治疗中的研究进展,分析总结其优势与不足,并探讨未来进一步研究的方向及应用前景。方法:应用计算机在Pub Med、SCI、CBM和中国知网数据库中检索2014年1月至2023年11月发表的相关文献,以“developmental dysplasia(dislocation) of the hip,dysplasia of the hip,finite element analysis(method),pavlik harness,fixation in herringbone position,biomechanics,pelvic osteotomies,pemberton,salter,dega,periacetabular osteotomy,children”为英文检索词,以“发育性髋关节发育不良,发育性髋关节脱位,髋关节发育不良,儿童,有限元,Pavlik吊带,人字型固定,生物力学,骨盆截骨术,髋臼周围截骨术”为中文检索词,同时纳入少量远期文献,通过筛选最终纳入62篇文献进行分析。结果与结论:(1)儿童发育性髋关节发育不良髋关节力学环境异常,髋臼内部压力不均匀、应力增大并集中,关节接触面积减小,股骨颈局部应力集中;(2)在Pavlik吊带及人字型固定位患髋力学环境改善,集中的高应力区域消失,关节接触面积增加,但外展角度过大会导致髋臼及股骨头外侧应力增加;(3)骨盆截骨术治疗后髋关节及骶髂关节应力环境得到改善,3种截骨术没有单一的铰链,其应力负载部位因患儿年龄而存在差异;(4)髋臼周围截骨术治疗后关节接触压力接近正常,而非球形股骨头者恢复困难;(5)术后X射线片表现不能说明关节接触力学达到最佳;(6)提示利用有限元法可以获得体内无法测量的信息,其在虚拟环境中操作不受时间和伦理的限制;能直观地看到正常与发育性髋关节发育不良患者髋关节应力变化的区域,从力学角度说明治疗的有效性,为需要截骨手术治疗的患者建立特定的有限元模型、量身定做手术计划;发育性髋关节发育不良的有限元建模及儿童髋关节材料特性参数尚无规范、统一的标准,由于有限元固有的局限性,目前还不能分析同时包含骨骼、软骨、韧带、肌肉等元素的模型;有限元分析操作难度较大,虽有优势但不具普适性,且目前的研究样本量较少,还需进一步扩大及验证。

关键词： 冈上肌   肩关节   关节盂   生物力学   有限元分析  

摘要： 背景:目前研究冈上肌的精细解剖及各亚区域的生物力学表现的实验较多,但是对冈上肌不同区域的损伤所带来的肩关节应力的影响鲜有耳闻。很有必要了解不同区域的冈上肌损伤对关节软骨及关节盂的应力大小及分布的影响,从而给临床诊治提供一些理论支持。目的:探究在三维有限元软件中模拟不同程度的冈上肌断裂对肱骨软骨面、关节盂唇及关节盂软骨关节面的最大应力值。方法:获取正常健康的肩关节CT或MRI导入Mimics、Geomagic进行提取模型,再通过Soildworks对模型构建,再对各个模型的冈上肌进行不同程度的损伤,模拟出不同区域的断裂。最后导入机械软件Ansys,进行三维有限元生物力学分析,计算肱骨软骨面、关节盂唇及关节盂软骨关节面的应力数值。结果与结论:①随着冈上肌损伤程度的加重肩关节软骨面及盂唇的应力也会增加;②冈上肌前部在各区域中最为重要;③不同程度的冈上肌断裂对肩关节盂唇面的软骨应力大小有影响,而应力的分布区域无明显改变;④提示肩关节水平外展起始时,前部发挥着重要的作用,其次为后部深区;当冈上肌前部损伤时肩关节软组织应力增加明显,还容易引起关节盂唇顶部及关节盂软骨前下方的损伤。

关键词： 颈椎后纵韧带骨化症   颈椎前路椎体骨化物可控前移融合术   有限元分析   韧带骨化物   内植物   生物力学  

摘要： 背景:颈椎前路椎体骨化物可控前移融合对颈椎力学的影响尚未明确,既往研究主要集中在颈椎前路椎体骨化物可控前移融合的手术技巧、中长期疗效和术后并发症等。目的:运用有限元方法分析颈椎前路椎体骨化物可控前移融合对颈椎后纵韧带骨化物和内植物生物力学的影响。方法:选择一名健康男性志愿者进行全颈椎薄层CT扫描,应用有限元分析软件构建正常全颈椎模型,与既往文献进行对比验证其有效性;随后在模型上构建累及C4、C5和C6节段的连续型颈椎后纵韧带骨化物的术前模型;以术前模型为基础,创建颈椎前路椎体骨化物可控前移融合手术三维有限元模型,约束2个模型C7椎体下表面,于C1椎体上表面施加50 N的轴向力和1.0 N·m的力矩,在屈伸、侧弯、旋转6个工况下,分析颈椎前路椎体骨化物可控前移融合对骨化物和内植物应力的影响。结果与结论:①从术前模型得出骨化物应力主要集中在C4/5节段,在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6个工况下骨化物最大应力分别为10.1,148.6,68.9,74.8,83.8和85.1 MPa;②颈椎前路椎体骨化物可控前移融合术后,骨化物应力集中分布区域未见明显改变,但该手术会改变骨化物应力大小,除在前屈位颈椎前路椎体骨化物可控前移融合模型骨化物应力较术前模型增大(+44.7%)外,在其他5个工况下,骨化物应力较术前模型明显降低,其中后伸位下降最明显(-74.1%),在左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转下骨化物应力分别下降62.2%,63.3%,66.4%,67.9%;③钛板、螺钉应力主要集中在头尾两端,后伸应力最大(149.5 MPa),前屈应力最小(43.3 MPa);4个椎间融合器应力主要集中在C3/4、C6/7融合器,应力主要分布在融合器的上下表面周围,后伸应力最大(30.8 MPa),前屈应力最小(11.5 MPa);内植物(钛板、螺钉和椎间融合器)应力主要集中于头尾两端,应力较大易导致头尾两端钛板、螺钉断裂和内植物下沉;④提示颈椎前路椎体骨化物可控前移融合能明显降低骨化物应力,可能有助于防止过度增生从而压迫神经,在术后需密切关注头尾两端螺钉松动、断裂或钛板移位、断裂等情况。

关键词： 应力集中   回弹   有限元分析   折弯速度  

摘要： 回弹、开裂、起皱等缺陷是折弯成型过程中的重要缺陷,严重影响成型质量和尺寸精度,因此利用ANSYS LS-DNYA模块针对数控折弯圆棒的过程进行非线性有限元分析,实现对圆棒的折弯效果有效模拟和准确预测。针对圆棒折弯速度设置4组分析实验组,并进行弯曲分析,重点研究最大应力的位置和脱约束的指定节点自由回弹量。针对回弹量仿真数据,设置回弹补偿5组实物折弯试验,经过现场折弯试验证明,有限元分析数据准确可靠,研究结果为圆棒数控折弯的工艺优化和折弯质量提升提供了参考。