正常步态下距骨三维有限元模型的建立

桡骨头三维有限元模型建立及生物力学分析组织的前提下重新创建复杂构建的构造、外形、所能承受的重量以及材料力学性能，使传统实验生物力学能够重复与不具有可比性、对身体造成伤害的缺点得到较大弥补。

所以，本实验在建立肘关节三维有限元模型的基础上，立足于各个层面对桡骨的生物力学做了全面深入的研究与分析，而且通过多个侧面给出了治疗桡骨骨折的手段，同时为更加深入地探究做好铺垫，现报道如下。

1 材料与方法1.1 研究对象将1名身体健康的成人志愿者作为研究对象，男，31岁，身高：175 cm，体重：74 kg，不考虑肘关节与前臂受到的损伤及其他疾患。

该研究已经伦理学委员会批准，患者知情同意。

1.2 设备与软件Philips 64排螺旋CT扫描机。

软件为Mimics 16.0（比利时Materialise公司）、Hypermeshl 0.0（美国Altair 司）和LS.*****（美国LSTC公司）。

1.3 数据获得志愿者身穿防护铅衣，应当借助64排双螺旋CT分别实施0°、30°、60°、90°以及120°弯曲度的薄层扫描，并以DICOM格式保存，并将数据导入Mimics 16.0。

1.4 建立肘关节的三维模型在三维软件Mimics中导入CT数据，对图像进行仔细筛选，将四周组织图像完全剔除，同时设定目标图像的阈值，重新构建肘关节、肱骨下部、桡骨、尺骨上部以及环形韧带的三维图像，而且将边界坐标完全对外输出。

借助普遍使用的Auto CAD造型软件Unigraphics NX当做实体搭建模型的平台。

导入由Mimics产生的轮廓数据，进而形成三维实体模型，提高模型的光滑度，将它承受重力的一面与接触面都成为平面。

此外借助Hypermesh软件把相对的肘关节轮廓线I GES线条全部连接以后成为平面，再将几何模型的表面以单元大小1 mm 为单位进行面网格划分，最后采用四面体实体网格划分技术生成四面体，也就是在对模型的线条、平面以及体进行有关操作的基础上得到肘关节三维有限元模型，同时划分有限元网格，构建起有限元网格模型。

膝关节三维有限元模型的建立及分析张秋月;张春秋;葛洪玉;孟迪【摘要】通过CT扫描数据和三维重建软件,建立考虑半月板,软骨和韧带的包括完整股骨、胫骨、腓骨的全膝关节三维有限元模型,进行单双腿站立两种工况的数值模拟.计算结果表明:单腿支撑时膝关节的应力大于双足站立时的应力.软骨和半月板,均是内侧受力较大易磨损;半月板内缘所受接触应力相对较大,导致内缘容易磨损.半月板在传递载荷中起十分重要的作用,膝关节中半月板磨损或缺失会导致关节内部载荷传导发生变化,导致应力分布不均,造成关节疾病的进一步恶化.文中结果表明:考虑半月板,软骨和韧带的全膝关节模型能够正确反应膝关节在生理载荷作用下的力学行为,半月板在膝关节承载中起重要作用,保护半月板免受伤害,对于保护膝关节具有重要意义,文中工作对膝关节保护、康复以及假体设计和优化有指导意义.【期刊名称】《天津理工大学学报》【年(卷),期】2015(031)003【总页数】5页(P27-30,34)【关键词】全膝关节模型;半月板;数值模拟【作者】张秋月;张春秋;葛洪玉;孟迪【作者单位】天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室,天津300384【正文语种】中文【中图分类】Q811.6膝关节由胫骨、髌骨、股骨等骨组织和半月板、韧带、软骨等软组织组成，具有传递载荷，参与运动，辅助动量守恒和为腿部活动提供力偶的功能.膝关节结构复杂，运动功能全面，也是伤病多发部位，常见于工业生产、交通事故和运动损伤.骨关节炎（OA）是一种慢性退行性关节病，其发病率随着年龄的增长而不断提高.50岁以上的人群中，50%患有骨关节病，65岁以上的人群中，90%女性和80%男性患有此病[1].因此，研究全膝关节的生物力学行为，获得膝关节骨组织和软骨组织在生理载荷作用下的应力分布对于认识膝关节损伤机理和保护膝关节具有重要意义.目前在膝关节研究中采用的主要方法有实验方法和数值模拟方法.国内外经常采用的实验方法有染色法和压敏片法，存在的主要问题是费用高、离体与在体情况差异较大、条件难以控制，同时受伦理限制，还不能通过在体实验获得骨组织和软骨组织的应力分布，而且尸体全膝关节的来源稀少也限制了离体实验．在数值模拟方面，采用平面模型及静态模型对膝关节进行模拟分析，平面模型还不能正确反映膝关节的力学性能．在膝关节研究中采用的三维模型多数只考虑了部分股骨、部分胫骨或者部分腓骨，数值模拟的边界条件与实际还有较大差别，多数膝关节模型没有考虑半月板和关节韧带．2007年，张宇、郝智秀等[2]通过MRI影像数据建立膝关节的三维有限元模型，该模型包括胫骨平台、股骨端、关节软骨和半月板，模型中并未考虑韧带．姜华亮等[3]利用MRI图像和逆向工程技术建立了包含膝关节全部骨骼、软骨、半月板和主要韧带在内的膝关节三维解剖有限元模型，但是研究还不深入．本文运用三维重建软件Mimics和逆向工程软件Geomagic Studio建立了包括股骨、胫骨、髌骨等骨质组织以及股骨软骨、胫骨软骨、半月板和关节韧带在内的全膝关节三维有限元模型，考虑了股骨软骨，半月板和胫骨软骨之间的接触非线性．应用有限元软件ABAQUS对膝关节双腿站立和单腿站立的两种工况进行了数值模拟，计算结果显示，半月板在膝关节承载过程中作用较大，应力数值也较高，半月板损伤会改变膝关节的承载方式，加重膝关节软骨的负担，半月板损伤可能是导致膝关节的损伤的主要原因．1.1 全膝关节模型的创建选取正常男性志愿者1名，无膝部外伤史，X线检查排除损伤、退变等病理变化．对志愿者膝关节进行螺旋CT扫描，扫描层厚0.8 mm，扫描层数为1449层，得到连续横断面以及矢状面图像．扫描数据DICOM格式保存输出．实验前告知志愿者相关内容，并征求其同意．将得到的医学CT扫描数据源图导入Mimics中，得到横断面图，冠状面图和矢状面图．设置灰度值，进行阈值分析，利用软件阈值选择拟重建部分，软件以不同颜色的MASK显示不同的拟重建结构，然后通过编辑、区域增长功能对不同拟重建结构进行编辑和修饰，再通过三维计算功能将蒙皮重建从而获得包括完整股骨、完整胫骨和完整腓骨的膝关节三维模型，将所建模型以STL格式保存导出．将Mimics中处理得到的STL格式文件导入逆向工程软件Gcomagic Studio中，对三角面片数据进行去噪、光滑、去除伪影等处理．通过建立轮廓线，生成大而平整、且规则的曲面片（Patch）最后通过拟合曲面工具将模型拟合生成曲面，以IGES格式导出保存．通过三维软件Proe/Engineer将三维模型的格式转化为．X-T格式，得到全膝关节三维实体模型，最后将三维实体模型导入到有限元分析软件ABAQUS中，设置单元类型和材料属性，划分网格，最终得到膝关节三维有限元模型．软骨和半月板在膝关节中起到了缓冲载荷和冲击的作用．三维重建出的软骨和骨质结构间不能保证良好的粘接，作者在ABAQUS软件中对导入的膝关节模型进行了修复保证了骨质结构和软骨间的良好粘接．考虑到韧带具有保证膝关节稳定的作用，作者在全膝关节模型中也考虑了膝关节的韧带，包括前/后交叉韧带、髌韧带、内侧副韧带和外侧副韧带．膝关节的材料种类较多，材料模型复杂，特别是软骨，理论上分为三层，包括软骨基质和纤维，而且不同层间的软骨纤维排列方式各不相同．如果在全膝关节模型中考虑软骨不同层区的力学性质将使数值计算难以进行．Donzelli等[4]认为无论是弹性材料还是粘弹性材料在软骨承受载荷后短期内没有显著的变化．大量的研究报告也己证实，当进行小变形分析时，可将其简化为连续、均匀和各向同性的线弹性材料．因此，在模型中将骨质结构、软骨、半月板以及韧带视为线弹性材料，膝关节模型各组成部分的单元类型和材料属性如表1所示[5-6]．计算模型中包括骨质结构17 864个单元、软骨88 691个单元、半月板4 485个单元及韧带的34 033个单元．得到包含股骨、胫骨、腓骨、髌骨、软骨、半月板以及关节韧带的全膝关节有限元模型.1.2 有限元模型与边界条件全膝关节模型见图1，模型中股骨与股骨软骨、胫骨与胫骨软骨定义为绑定接触．股骨软骨分别与胫骨软骨和半月板相接触，并且将半月板前脚和后脚固定于胫骨平台．根据膝关节解剖结构，将韧带与相应的韧带附着点进行绑定约束，韧带包括前（后）交叉韧带、髌韧带、内侧副韧带、外侧副韧带．脚踝处采取固定约束，其他位置均不采取任何约束限制，完全依靠韧带约束膝关节的运动，在股骨头处施加集中力载荷，载荷方向沿力线方向．人体单腿站立时，股骨顶端受到的上半身对其的压力为体重的62%[7]．文中考虑单腿站立和双腿站立两种载荷工况．单腿站立时，集中力大小为403 N，双腿站立时，集中力大小为202 N．2.1 单脚支撑接触应力云图图2为单腿站立股骨软骨接触应力分布图，从图2中可以看出股骨软骨所受的最大接触应力值约为0.952 MPa，位于股骨软骨内侧．图3为单腿站立胫骨软骨接触应力分布图，从图3中可以看出胫骨软骨所受最大接触应力为1.318 MPa，位于胫骨软骨内侧边缘处．单腿站立时半月板的接触应力分布如图4所示，半月板所受最大接触应力值约为2.102 MPa，位于内侧半月板的内缘处．半月板内缘较薄，外缘较厚，受到载荷时，内缘受力大于外缘受力，这使得半月板的内缘较容易被磨损．2.2 单双腿站立接触应力比较从表2中可以看出，由单腿站立到双腿站立，随着载荷的增大，股骨软骨、胫骨软骨以及半月板的接触应力都随之增大．无论是双腿站立还是单腿站立情况，半月板所受的接触应力都是最大的，股骨软骨所受的接触应力最小，胫骨软骨所受的接触应力位于二者之间．2.3 半月板对膝关节承载能力的影响从图5中可以看出，在无半月板时股骨软骨受到的最大接触应力为1.99 MPa，胫骨软骨受到的最大接触应力为2.29 MPa．股骨软骨和胫骨软骨受到的接触应力大于包含半月板时受到的应力，接触应力分布相对较集中，其余部位并没有产生应力，在应力较集中的位置软骨容易磨损．由此可知，半月板在膝关节受力传导中扮演了重要角色．在正常关节中，载荷由半月板和软骨共同传导；在半月板磨损或缺失的情况下，载荷主要由关节软骨进行传导，这就增大了关节软骨的磨损风险．膝关节中半月板磨损或缺失会导致关节内部载荷传导发生变化，导致应力分布不均，造成关节疾病的进一步恶化．膝关节股骨软骨、胫骨软骨以及半月板，均是内测受力较大易磨损；半月板内缘处所受接触应力相对较大，导致内缘容易磨损，这与临床统计一致．接触应力中，数值从大到小的顺序依次为，半月板，胫骨软骨和股骨软骨．膝关节单腿支撑时的受力要大于双足站立时受力．膝关节中半月板磨损或缺失会导致关节内部载荷传导发生变化，导致应力分布不均，造成关节疾病的进一步恶化．Seedhor等[8]通过尸体实验发现在负重情况下半月板切除的胫股关节上的应力是半月板完整时的3倍．尚平、许永涛等[9]通过关节镜，对85例半月板损伤患者进行分析发现，半月板损伤能导致软骨损伤．本文中膝关节数据资料通过CT扫描技术获得，截面形态结构完整、立体形态准确，并且保证了膝关节各组成部分的相对位置．建立了全膝关节模型对模型中的骨质结构和软组织选择适合的本构模型定义相应的材料参数．将模型中的韧带定义为体单元而非以往模型中所用的弹簧单元，使模型更加符合实际情况．与以往模型进行对比分析证明了模型的有效性．利用所建立的膝关节三维模型，从股骨头按力线加载，分析研究接触面的应力分布情况．与以往将股骨与胫骨截断并将它们定义为刚体进行加载分析相比，本文建立完整股骨和胫骨并在股骨顶端进行加载更加符合人体力线分布，并且将骨质结构视为弹性体更加符合真实情况．模型中边界约束条件根据模型状况以及相关的文献[10]资料制定，具有较好的边界约束相似性．本文通过数值模拟方法对膝关节力学行为进行研究，对提高人们保护膝关节的意识、减少关节损伤以及生物器械、假体的设计优化都有重要的意义．【相关文献】［1］那键，刘艺，马克勇，等.老年骨性关节炎的分子生物学机制及治疗展望［J］.中国老年学杂志，2010，30（20）：3035-3036.［2］张宇，郝智秀，金德闻，等.基于核磁共振图像的人体膝关节三维模型的建立［J］.中国康复医学杂志，2007，22（4）：339-342.［3］姜华亮，华锦明，许新忠，等.正常人膝关节三维有限元模型的建立［J］.苏州大学学报，2008，28（3）：421-422.［4］Donzelli P S，Spilker R L，Ateshian G A，et al.Contact analysis of biphasic transversely isotropic cartilage layers and correlation with tissue failure［J］.Journal of Biomechanics，1999，32：1037-1047.［5］Li G，Lopez O，Rubash H.Variability of a three-dimensional finite element model constructed using magnetic resonance images of a knee for joint contact stress analysis ［J］. Journal of Biomechanical Engineering，2001，123（4）：341-346.［6］LeRoux，Michelle A，Setton，et al.Experimental and biphasic FEM determinationsof the material properties and hydraulic permeability of the meniscus in tension［J］.Journal of Biomechanical Engineering，2002，124（3）：315-321.［7］范洪辉，李冬松，周振平，等.不同骨质密度下生物型及骨水泥型股骨假体置入后的三维有限元分析［J］.中国骨与关节损伤杂志，2007，22（6）：465-467.［8］戴克戎.骨骼系统的生物力学基础［M］.上海：学林出版社，1985.［9］尚平，许永涛，李全明，等.85例半月板损伤与关节软骨损伤相关性研究［J］.生物骨科材料与临床研究，2004，1（2）：14-15.［10］Pena E，Calvo B，Martinez M A，et al.A three-dimensional finite element analysis of the combined behavior of ligaments and menisci in the healthy human knee joint ［J］.Journal of Biomechanics，2006，39（9）：1686-1701.。

不同颊舌径种植修复的下颌磨牙三维有限元模型的建立目的建立包括XIVE种植体的下颌骨三维有限元模型，详细展现该三维有限元的建模过程。

方法应用Solidworks 2010软件与螺旋CT断层扫描技术相结合的方法，建立XIVE种植体、下颌骨骨块及不同颊舌径的下颌第一磨牙修复体的三维模型。

结果建立了5个结构精准的不同颊舌径种植修复的下颌第一磨牙的三维有限元模型。

其中种植体模型及下颌第一磨牙减径模型的建立，为三维有限元分析方法提供了良好的数学模型。

结论该建模方法建立下颌骨、种植体及不同颊舌径的下颌第一磨牙模型简单易操作，模型的几何相似性及生物力学相似性均达到了实验要求，为以后进行三维有限元分析提供了精准的模型。

标签：牙种植体；下颌骨；颊舌径；三维有限元建模；模型三维有限元方法的基本思想来源于高等数学中的微分，是指将各种复杂的结构看作是由有限个单元组成的整体，在某种程度上模拟真实结构，在连续体上直接进行近似计算的一种数值方法，再逐个研究每个单元的性质，以获得整个弹性体的力学分析方法[1]。

但在实际工作中，不可能去处理无限多的数据，随着计算机技术的不断日益更新，就可以用尽可能多的基本单位去近似地还原研究实体，因此在误差范围内，对实体进行相应的力学分析就成为了可能。

本实验以建立下颌骨、XIVE种植体及不同颊舌径的下颌第一磨牙修复体为例，详细地叙述该实验的建模过程[2]，为三维有限元分析提供了精准的数学模型。

1 材料与方法1.1 材料德国XIVE种植体，长度13 mm，直径4.5 mm，螺距0.84×2 mm，螺纹厚0.84 mm，螺纹高0.5 mm，基台高度4 mm。

1.2 硬件个人计算机一台[配置：Intel（R）Core（TM）2 Duo CPU，2.00 GHz处理器，1 GB内存，160 G硬盘]，美国GE公司的64排超高速三维螺旋CT机。

1.3 软件操作系统Windows XP专业版，三维有限元计算软件Solidworks 2010。

标准步态下骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义标准步态下骨盆三维有限元模型构建及其生物力学意义作者：汪光晔，张春才，许硕贵，任可【关键词】骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力Threedimensional finite element pelvic modeling duringstandard gait and its biomechanical significances【Abstract】AIM: T o construct a threedimensional (3D) finite element pelvic model which includes both 3D pelvic muscle and acetabular contact forces during standard gait. METHODS: A normal pelvis from an adult male subject was scanned by CT and the images of every crosssection were obtained. A pelvic model including both threedimensional pelvic muscle and acetabular contact forces during standard gait was constructed with PATRAN 20XXR2 software. RESULTS: The constructed 3D finite element pelvic model clearly reflected the real pelvic anatomy and biomechanical behavior, especially the muscle force and hip contact force. The model was divided into 113 028 nodes and 137 524 units. CONCLUSION: The construction of 3D finite element pelvic model provides basic data which are critical for accurately modeling either normal loads or stresses and strains, or the effects of abnormal conditions.【Keywords】pelvis; threedimensional finite element; acetabular contact force; pelvic muscle force【摘要】目的：构建包含骨盆肌肉及头臼作用力的标准步态下骨盆三维有限元模型. 方法：选择标准成年男性志愿者行骨盆CT扫描成像得到骨盆每层横截面图像, 运用Mimics软件行三维重建，利用有限元分析软件PATRAN20XXR2构建髋臼三维有限元模型,并将标准步态中肌肉收缩力及头臼作用力也设计到该模型中. 结果：所构建髋臼模型共划分为113 028个结点、137 524个单元, 模型模拟了骨盆皮质骨、松质骨、关节软骨以及股骨头结构的材料特性. 所建模型结构完整，空间结构测量准确度高，单元划分精细，重点突出，尤其肌肉及头臼作用力加载模拟形象、逼真，客观反映髋臼真实解剖形态结构和生物力学特点. 结论：构建的髋臼三维有限元模型为正常髋臼或异常髋臼力学研究提供可循模型.【关键词】骨盆；三维有限元；髋臼作用力；骨盆肌肉收缩力0引言对于髋关节的生物力学的研究，有必要了解跨髋关节肌肉的收缩力的大小方向及部位，完整地了解髋臼接触力与骨盆肌肉收缩力力学机制，有助于进一步模拟髋关节力学行为、解剖学与手术后改变的影响，虽然有文献［1-3］讨论过骨盆髋臼生物力学行为，然而这些先前的模型或没包括髋臼接触力或不包括肌肉收缩力. 因此其结果已受到大多学者的质疑. 作为实验研究骨盆与髋臼负载的需要，本实验试图报导一个既包含了肌肉又包含了髋臼接触力的三维有限元模型，这些数据将对于准确模拟髋关节与骨盆的正常负载或异常负载将尤为重要.1材料和方法材料① 成年男性志愿者骨盆（男性，40岁）；② 西门子SOMATOM Volume Zoom CT 机；③DELL工作站；④Mimics软件；⑤Patran 20XX r2 软件；⑥ Windows XP操作系统.方法骨盆三维有限元模型构建具体可以分为3个步骤① 步骤一：对一成年男性志愿者（40岁）的骨盆进行CT断层成像；在CT成像过程中要志愿者在骨盆纵轴方向保持不动，每隔1 mm层厚扫描一次. 所得图像以DIMCOM格式存入CT 机，刻录光盘，从而得到表示骨盆每层横截面的图像. ② 步骤二：将上述以DIMCOM格式存储的图像导入Mimics软件，设定门槛下界灰度值为270，上界不限. 通过Region growing 选择感兴趣区域，进行骨盆三维重建. ③ 有限元分析与计算：三维重建图像以out格式导出，并导入Patran 20XX r2软件，并重新进行格划分，建立皮质骨的外表面与内表面，其内外表面都相互连接，分别建立骨盆的皮质骨及松质体模(图1). 与骨盆骨相互作用的股骨头也被建模，此外关节软骨也被建模，以保证一个光滑且真实的髋关节作用力的加载［4］，除了髋关节头臼作用力(表1)，22块附着在骨盆上的肌肉也被设计到该模型中(表2，图2)，肌肉的生理附着点被绘制到有限元格中，其相关参数皆来自于Pedersen1997年的研究结果［5］.图1髋臼皮质骨(A)与松质骨(B)有限元模型略表1步态循环中支撑相时负载受力参数略设置单元属性根据骨盆的解剖结构特点，骨性结构模拟材料为皮质骨、松质骨、软骨下骨及关节软骨，材料参数的选择参考文献［6-7］（表3）.加载情况固定骶髂关节处的节点模拟骶骨的支持，只对左半侧骨盆进行加载，在耻骨联合处模拟弹性边界条件. 根据步态循环周期中左支撑相的第4个子步相的髋关节的头臼之间的作用力,从股骨头的中心点处进行加载. 此外肌肉收缩力也被考虑，收缩力的方向是根据远近端的附着点获得［8］，并且步态中骨盆肌肉与股骨的相对位置关系也被考虑进去. 本实验中设定股骨头内收15°，同时在前后位上骨盆与股骨头(髋关节的伸屈)的角度是可以变化的(表1). 肌肉的收缩力以分布载荷运用到模型的表面，肌肉的收缩力的方向是由其远近端的生理附着点的连线，并同时兼顾髋关节的屈伸角度对远端生理附着点的坐标影响. 假设条件:本实验所涉及的生物材料均假定为均质、连续和各向同性. 受力时模型各截面不产生相互滑动，各单元有足够的稳定性;材料受力变形为小变形.表25步态载荷中肌肉收缩力的大小(略)表3骨盆三维有限元模型单元属性表略2结果模型建立本研究中，应用CT图像专用的DICOM医学数字图像通讯标准，CT 专用的Mimics图像识别分割建模软件和PATRAN有限元专用软件，将薄层CT横断面图像进行分割识别，建立了适合生物力学研究的髋臼三维有限元模型(表4，图1)，肌肉的生理附着点被绘制到有限元格中，并由肌肉的远近端的附着点获得肌肉收缩力的方向，并兼顾髋关节的屈伸角度对远端生理附着点的坐标影响(图2). 髋臼三维有限元模型共划分为113028个单元，137524个节点. 股骨头采用四节点tet10单元，共划分为37090个单元502个节点. 松质骨模型在髂骨中央有椭圆形孔，及髂前下棘处有缺失，既该两处为皮质骨充满. 旋转观察模型形态与骨盆解剖形态具有满意的相似性，可任意切割和调整几何及材料参数以模拟不同临床与实验状态.表4模型的有限元如下表略模型的受力分析模拟步态4髋关节的头臼之间的作用力及附着在骨盆上的22块肌肉的收缩力对模型进行加载. 得到该情况下髋臼的力场分布(图3). 结果显示：主应力集中在髋臼软骨的臼顶区，传递至软骨下骨后，沿弓状线及臼顶的外上皮质至骶髂关节.3讨论骨盆有限元模型的应用1995年Dalstra等首次详细报告了骨盆三维有限元模型. 20XX年Garcia等应用三维有限元对内固定后的骨盆进行应力分析，研究骨盆骨折后不同固定对其稳定性的影响；20XX年Yew运用有限元分析影响髋关节假体置换稳定性的因素［9］. 国内张春才等［10］报道了应用三维有限元法对骨盆骨折损伤机制的分析. 在骨折内固定的应力分布、人工关节的设计优化研究，骨折危险性预测、骨折愈合、预测骨的塑型以及骨质疏松症研究方面有限元模型已是不可缺少的方法［7］.图3单腿站立位时皮质骨(A),松质骨(B)和髋臼软骨(C)受力分布略本研究应用16排螺旋扫描 CT扫描，并用MIMICS软件直接读取DICOMR的CT文件，选取兴趣区域行3D计算，获得髋臼的三维模型，并导入MSC公司PATRAN 软件，建立了髋臼的三维有限元模型，并对重点部位进行细划分. 与标本的相似程度高，形态结构准确完整. 操作过程使图像失真减少到最小. 以往［4-5］建立骨盆三维有限元模型采用的 CT胶片扫描或照相技术, 在对图像反复采样过程中, 图像的细节和信息在采样过程中丢失较多, 而且工作繁重而导致建模差异较大, 出现建模质量的问题,影响到计算结果的准确性. 本实验三维建模过程为全数据化处理，避免了数据收集过程中关键信息的丢失，最大限度上保证了建模的准确性和精确性.模型的力学相似性本研究结合了结合头臼之间的作用力与肌肉的收缩力，不当在外形上最大限度上保证了建模的准确性和精确性. 并且在力学加载上更与实体相似程度高，更加准确完整. 本研究头臼作用力由股骨头中心点处进行加载，同时参予髋关节运动有关的22块肌肉也被考虑，肌肉收缩力的方向由远近端附着点决定，并同时兼顾了髋关节屈伸角度对肌肉远端附着点的影响；肌肉收缩力大小与方向及头臼作用力大小与方向参考相关文献［5-6］,并转换为本研究的坐标系，更加真实地模拟实际步行情况.髋臼受力的分析生理状况下，骨骼的结构和功能在很大程度上依赖于其所处的力学环境. 在髋臼骨折治疗中, 施加的力学环境, 对治疗效率、准确的愈合是至关重要的. 本研究尝试对髋臼模型进行受力分析, 将骶髂关节和耻骨联合部位锁定后, 模拟步态4下髋臼的力场分布, 结果发现：在股骨头与髋臼接触部位, 最大接触力出现在髋臼的后上区域，提示在髋臼受力部位为高应力状态,皮质与松质最大受力部位较一致，皆出现在髋臼顶部附近(18 kPa, mPa)，软骨的峰值出现在臼顶内侧区( kPa). 本研究的意义说明, 所构建的髋臼三维有限元模型可以分割, 可以进行受力的分析.标准步态下骨盆三维有限元模型建立的意义骨盆肌肉的收缩力的大小、部位及方向与髋臼的接触力对于髋关节异常情况(如畸形、手术)的模拟非常重要. 完整地了解髋臼接触力与骨盆肌肉收缩力力学机制有助于进一步模拟髋关节力学行为、解剖学与手术后改变的影响，以往对髋臼进行有限元分析, 鉴于形状复杂,载荷条件复杂，一般均对其作简化处理, 先前的模型很少有髋关节接触力的三维模拟，或是没有对附近肌肉负荷的三维模拟［1-3,9］. 髋关节周围的实验及理论力学模型运行时都是在缺乏肌肉收缩力的影响上得出的结果，因此分析的结果必然引起误差［5］，了解髋关节的接触与跨髋关节肌肉作用力对于准确模拟手术后几何条件及负载改变是非常重要的. 本研究成功构建一个既包含了肌肉有包含了髋臼接触力的髋臼三维有限元模型，真实模拟人体髋臼解剖形态，肌肉载荷及头臼作用力，而且三维有限元图像还原性好, 能从力学上真实代表实物. 当然，这是全面认识髋臼生物力学改变的第一步，理想的模型将为进一步的研究提供可靠的手段和方法，也将有助于丰富髋臼的相关生物力学研究.【参考文献】［1］ Kaku N, Tsumura H, Taira H, et al. Biomechanical study of load transfer of the pubic ramus due to pelvic inclination after hip joint surgery using a threedimensional finite element model ［J］. J Orthop Sci, 20XX:264-269.［2］ Lalonde NM, Dansereau J, Pauget P, et al. Accessing the influence of repositioning on the pelvis 3D orientation in wheelchair users ［J］. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng, 20XX,14:76-82.［3］Sparks DR, Beason DP, Etheridge BS, et al. Contact pressures in the flexed hip joint during lateral trochanteric loading ［J］. J Orthop Res, 20XX,23:359-366.［4］Huiskes R. Finite element analysis of acetabular reconstruction ［J］. Acta Orthop Stand, 1987,58:620-625.［5］Pedersen DR, Brand RA. Davy DT. Pelvic muscle and acetabular contact forces during gait ［J］. J Biomech, 1997,30:959-965.［6］ Dalstra M, Huiskes R, van Erning L. Development andvalidation of a threedimensional finite element model of the pelvic bone ［J］. J Biomech Eng, 1995,117:272-278.［7］ Dalstra M, Huiskes R, Odgaard A, et al. Mechanical and textural properties of pelvic trabecular bone ［J］. J Biomech, 1993,26:523-535.［8］Dostal WF. Andrews JG. A threedimensional biomechanical model of hip musculature ［J］. J Biomech,1981,14:802-812.［9］ Garcia JM, Doblare M, Seral B, et al. Threedimensional finite element analysis of several internal and external pelvis fixations ［J］.J Biomech Eng, 20XX,122:516-522.［10］苏佳灿，张春才，陈学强，等. 静载荷作用下骨盆三维有限元分析及其生物力学意义［J］. 中国临床康复，20XX,9:66-67。

侧向拉力螺钉坚固内固定髁突矢状骨折愈合r进程中的三维有限元分析马璐;曲爱丽;景捷【摘要】目的通过建立侧向拉力螺钉坚固内固定髁突矢状骨折三维有限元模型,分析骨折愈合进程中生物力学相关因素的改变.方法使用Mimics14.0、Imageware13.2及Ansys15.0软件建立Ⅱ型髁突矢状骨折三维有限元模型,模拟临床使用侧向拉力螺钉坚固内固定,设立12周骨折达到完全愈合,通过改变骨折裂隙的弹性模量模拟骨折愈合的进程.分别在0、4、8、12周对骨折愈合过程中的各项生物力学指标进行有限元分析.结果建立了包含有下颌骨、牙列、咀嚼肌、关节盘、关节囊的下颌骨TMJ三维有限元模型,模型共790431节点,526873单元.术后当天拉力螺钉的最大等效应力为71.5549MPa,髁突的最大等效应力为44.5878MPa,应力集中的部分为髁突骨折线的残端侧,其余部位几乎不受力.术后4～12周髁突应力分布的区域由骨折线的残端侧向游离端扩大,但应力的大小无显著变化,约为6.8MPa,拉力螺钉的最大等效应力值由17.8074MPa降至13.9973MPa,虽有递减的趋势,但仍大于髁突所承受的应力.骨折愈合期间整体下颌骨、髁突整体及髁突游离端的最大位移均无明显变化.结论在骨折愈合进程中,双拉力螺钉可为下颌骨SFMC提供坚固有效的固定效果,拉力螺钉的应力遮挡可能与髁突吸收、改建有关.【期刊名称】《宁夏医科大学学报》【年(卷),期】2018(040)004【总页数】6页(P412-417)【关键词】髁突矢状骨折;侧向拉力螺钉;三维有限元【作者】马璐;曲爱丽;景捷【作者单位】宁夏医科大学, 银川 750004;宁夏大学机械工程学院, 银川 750021;宁夏医科大学总医院口腔颌面外科, 银川 750004【正文语种】中文【中图分类】R782髁突矢状骨折（sagittal fracture of the mandibular condyle，SFMC）是髁突骨折中较为特殊的类型，对于发生张口受限和咬牙合紊乱、明显移位和脱位的SFMC，多数学者主张以手术切开、解剖复位、坚固内固定方式治疗[1]。

正常人体下颈椎有限元模型的建立及验证孙玙;王诗成;杨水泉;王新家【摘要】目的建立解剖结构较为精确的下颈椎三维有限元模型并验证其有效性。

方法采用正常成人颈椎CT图像建立C4-C5-C6有限元模型。

在屈伸、侧弯、轴向旋转加载条件下绘制模型的力矩-位移曲线，计算曲线在实验生物力学模型所建立的力矩-位移标准差范围中所占的百分比。

结果和结论建立了正常颈椎C4-C5-C6节段有限元模型，力矩-位移曲线在标准差范围中所占的百分比平均为90%。

%Objective To develop and validate an anatomic detailed finite element model of the lower cervical spine. Methods The fi-nite element model of C4-C5-C6 was constructed using lower cervical spine (C4-C5-C6) CT images of a young healthy man. This model was validated against the standard deviation corridors of experimental data for normal, nondegenerated cervical spines tested in flexion and ex-tension, right and left lateral bending, and right and left axial rotation under physiological loading. Percent of load range deviation was intro-duced to measure the deviation of the model from the standard deviation corridors of experimental data. Results and Conclusion A finite el-ement model of young normal lower cervical spine has been developed and validated. The average percentage of load range was within 90%of standard deviation corridor.【期刊名称】《中国康复理论与实践》【年(卷),期】2013(000)007【总页数】4页(P631-634)【关键词】颈椎;有限元分析;生物力学【作者】孙玙;王诗成;杨水泉;王新家【作者单位】佛山市三水区人民医院，广东佛山市528100;佛山市三水区人民医院，广东佛山市528100;佛山市三水区人民医院，广东佛山市528100;汕头大学医学院第二附属医院，广东汕头市515041【正文语种】中文【中图分类】R681.5[本文著录格式] 孙玙，王诗成，杨水泉，等.正常人体下颈椎有限元模型的建立及验证[J].中国康复理论与实践,2013,19(7): 631-634.下颈椎是颈椎中活动范围最大的部位，也是最容易发生椎间盘变性、关节增生等退行性变的部位。

足部结构有限元模型的建立与应用宋雅伟;尤传豹;于文兵【摘要】BACKGROUND:The finite element analysis used to study the biomechanical properties of foot structure contributes to overcome the disadvantages of traditional mechanical analysis of specimens. OBJECTIVE:To summarize some representative finite element models of the foot and review the establishment methods of finite element models of the foot with biomechanical properties. METHODS:A computer-based online search was conducted in CNKI, Wanfang and PubMed databases by using th e key words of“finite element model, biomechanic, foot structure”from 1999 to 2015. The language was limited to both Chinese and English. Establishment methods of finite element models of the foot structure containing obtaining of model establishment data, establishment of solid model, setting methods of properties of model materials. The application of finite element analysis of the foot structure in sports biomechanics and medical orthotics was summarized to point the characteristics and disadvantages of finite element analysis application in biomechanics. RESULTS AND CONCLUSION:An increasing number of studies on foot biomechanics provide the platform for finite element analysis of the foot applied in biomechanical analysis. Many key technologies, including self-adaption image segmentation method, hexahedron grid product method and establishment of finite element models with various materials have to be utilized to converse the medical images into digital models of finiteelement analysis during establishment of finite element models. Results of model establishment may be affected by limitation conditions, accuracy of image col ection, calculation results of finite element analysis. The reliability of finite element models can be increased by modify technologies and verification methods.%背景：有限元分析克服传统标本力学分析的不利因素，用于研究足部的生物力学研究有独特的优势，是对足部损伤、病理及治疗的临床研究的重要基础。

人体髋关节三维有限元模型的建立及其生物力学意义【摘要】目的:构建正常人体髋关节的三维有限元模型，作为该部位进一步有限元分析的基础。

方法:采用活体髋关节为标本，应用CT扫描技术及图形数字化方法获取髋关节的三维坐标，输入有限元分析软件，并通过确定材料特性参数和网格化，建立髋关节的三维有限元模型。

结果:所构建髋关节三维有限元模型客观反映髋关节真实解剖形态及其生物力学行为，还原性良好，可以满足有限元分析的需要。

结论:采用CT扫描资料建立的三维有限元模型切实可靠，实体建模法将有限元模型的几何特征和边界条件的定义与有限元网格的生成分开进行，减少了模型生成的困难。

所构建的髋关节三维有限元模型，可以为髋关节力学行为以及骨折内固定、髋关节成型术的力学基础研究提供精确模型。

【关键词】髋关节三维有限元模型生物力学有限元分析 CT Abstract: Objective:To establish a three-dimensional finite element model of normal human hip as a foundation of finite element analysis in this area. Methods:Normal hip joint in vivo was used as specimen. CT scan was used to obtain configuration, three-dimensional coordinate of the hip joint was obtained using autoCAD software. With the software of finite element analysis determining property parameter of material and meshing, a three-dimensional finite element model of the hipjoint was set up. Results:The constructed three-dimensional finite element model of normal human hip joint objectively reflected the real hip joint's anatomy and biomechanical behavior and could satisfy the need of finite element analysis. Conclusion:It was reliable to build three-dimensional finite element model with CT scan data and to simulate real and complicated geometry figure accurately. By the method of building the three-dimensional finite element model depends on entity, define border condition, determine the geometry character of finite element model, and meshes the model, respectively. The difficulty of building the finite element model can be reduced. The consruction of three-dimensional finite element model of normal human hip joint provides basic data for research on mechanical behavior of hip joint, internal fixation after fracture and hip arthroplasty.Key words: hip joint; three-dimensional finite element model; biomechanics; finite element analysis; computer tomography近年来，医学与工程力学的结合，使分析有限元作为一种较新的生物力学研究手段，逐渐应用到医学领域。

・６４・中华创伤骨科杂志２００８年１月第ｌＯ卷第ｌ期ｃｈｉｎＪ０ｒ【ｈｏｐＴｍｕｍａ，Ｊａｎｕａｒｙ２００８，Ｖ０１．１０，Ｎｏ．１骨盆三维有限元模型的建立及意义张景僚顾立强张美超【摘要】目的旨在建立可靠的骨盆三维有限元模型，并对其进行分析与验证，为临床骨盆损伤模拟仿真提供生物力学依据。

方法选择正常志愿者１例，行骨盆多排螺旋ｃＴ扫描，Ｍｉｍｉｃｓ９．１重建三维图像，Ｆｒｅｅｆ０Ｈｎ软件对模型进行修饰，以．ｉｇｅｓ格式导入有限元软件Ａｎｓｙｓ９．ｏ中，添加骨盆韧带等结构，构建正常骨盆有限元模型，加载后分析各部位应力。

结果建立了高精度骨盆三维有限元模型。

模型共有２２１１３９节点、１４３１１５个单元。

皮质骨、松质骨、耻骨联合、关节软骨为ｓｏｌｉｄ３２（固态３２）单元，全部韧带为１ｉｎｋ（连接）单元。

加载后行有限元分析结果表明骨盆稳定，韧带添加合理，仅在坐骨大切迹部位存在应力相对集中现象，结果贴近实际，与其他生物力学试验结果一致。

结论利用Ｍｉｍｉｃｓ和Ｆｒｅｅｆｏ肋建立正常骨盆有限元模型，具有较高真实性和精确度，能满足Ｉ｜缶床骨盆损伤模拟仿真分析的需要。

【关键词】骨盆；韧带；三维重建；有限元；应力Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆａｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｉＩＩｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｐｅｌｖｉｓ朋Ｈ．７ｖＧ＾憎Ｚｉｏｏ‘，Ｇ∥ｎ—ｑｉｏ，皤，ｚ删ⅣＧ讹ｉ—ｃ＾∞．＋Ｄ印。

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下颌骨截骨整形手术三维有限元模型的建立Establishment of three-dimensional finite element model for mandibular angle osteotomyZHANG Jin1, LUO Qi 1, WANG Jing-peng1, LIU Da-lie1, HUANG Shi-qing2(1.Department of Plastic Surgery,ZhujiangHospital,the South Medical University, Guangzhou 510282,Guangdong,China;2.Institute of Applied Mechanics,Jinan University, Guangzhou 510632, Guangdong,China):ObjectiveTo study the biomechanics of mandibular angle osteotomy, a more precise method for establishment of the three-dimensional (3D) finite element model of edentulous mandible and Temporomandibular Joint (TMJ) is presented.MethodsThe CT images of a young female volunteer were analyzed and managed with DICOM standard and Mimics software. Tension-only Link10 element and contact element were both used for boundary condition in ANSYS software.ResultsA whole 3D finite element model comprising the mandible, TMJ, muscles and ligaments was established. Conclusion A 3D finite element model of mandible and TMJwith highly biomechanical similarity was established for the further study of the biomechanics in the mandibular angle osteotomy.随着计算机技术不断进步,有限元法逐渐成为力学研究中最为重要的分析方法之一,并广泛应用于工程设计制造领域,近年来在生物力学研究中也得到广泛的应用。

跟骨骨折3D 模型制作的探讨
云致硕;黄家生
【期刊名称】《医疗装备》
【年(卷),期】2015(000)006
【摘要】目的：探索跟骨骨折3D模型的制作。

方法：将CT扫描层厚1mm的DICOM格式图像导入Mi-misc软件，经过设定灰度阈值、蒙罩编辑、应用空腔填充等方法逐层对扫描图像进行填充构建两病例的三维模型。

并导出STL格式的文件。

结果：运用3D打印机打印出1∶1的三维模型都能真实的反映跟骨骨折的情况。

讨论： Mimics 软件可快速、有效生成三维模型，3D打印机打印的真骨模型为医生提供术前评估，模拟手术，定制植入物等，简化了手术操作，缩短了手术时间，提高了手术质量和治疗效果，减少了手术风险。

前者投资大，效果好。

后者投资小，制作及时，效果也不错，但操作稍复杂。

【总页数】3页(P30-32)
【作者】云致硕;黄家生
【作者单位】佛山市顺德区勒流医院设备科;佛山市顺德区勒流医院骨科，广东佛山528322
【正文语种】中文
【中图分类】R683.42
【相关文献】
1.3dsmax大场景模型制作中面数的精简方法探讨——以萍乡学院漫游动画为例[J], 孙正广;邬翠峰
2.3D颞骨教学模型的制作与探讨 [J], 杨静雅;黄文华;游少鹏;谭晋川;徐飘;林琼萍;田广永
3.3D游戏模型制作与时代发展探讨 [J], 王学涛
4.基于3DVIA Composer快速制作三维仿真动画及建立模型的方法探讨 [J], 王莉
5.基于3DVIA Composer快速制作三维仿真动画及建立模型的方法探讨 [J], 王莉
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正常与骨质疏松髋关节模型的建立及有限元分析郭苏童;冯德宏;郭宇;王凌;丁育健;刘仪;钱正瑛;李明洋【期刊名称】《中国组织工程研究》【年(卷),期】2024(28)9【摘要】背景:骨密度是临床上判断骨骼强度的金标准,但骨密度对骨量变化的敏感较低,只有骨量明显降低时骨密度才会出现大幅变化,故骨密度对骨强度变化和骨折危险度的预测能力有限。

目的:建立正常与骨质疏松髋关节模型,分析单腿站立工况下正常及骨质疏松患者髋部应力及形变情况。

方法:选择1例健康成年女性志愿者为研究对象,年龄36岁,获得该志愿者的髋部CT数据并以DICOM格式保存。

对髋关节模型进行三维重建,通过灰度赋值法赋予材料属性,按照经验公式,获得正常与骨质疏松髋关节模型。

设定相同的边界条件和载荷,模拟单腿站立位状态下正常与骨质疏松髋关节应力及形变情况。

结果与结论:①在正常及骨质疏松髋关节有限元模型中,股骨颈内侧区域应力分布较为集中;②在髋骨中,应力分布主要集中于髋臼上部;③正常髋关节模型比骨质疏松性髋关节模型在股骨颈内侧、髋臼上部的应力峰值大,可能是由于骨质疏松性骨骼骨强度降低导致;④正常及骨质疏松髋关节模型的Von Mises峰值都集中于股骨颈内侧,髋骨Von Mises峰值较小,说明骨质疏松对髋骨受力整体影响相对较小;⑤单腿站立位下形变方面,正常髋关节模型最大形变位于髋臼与股骨头处,骨质疏松髋关节模型最大形变位于股骨大转子上部;⑥提示有限元分析法模拟骨质疏松症骨组织的相关参数,可能会提高临床上对骨质疏松患者骨强度变化的监测和骨折风险的预测能力,从生物力学角度解释了股骨转子间、股骨颈是骨质疏松性髋部骨折的好发部位。

【总页数】5页(P1342-1346)【作者】郭苏童;冯德宏;郭宇;王凌;丁育健;刘仪;钱正瑛;李明洋【作者单位】南京医科大学附属无锡人民医院骨科;北京中诺恒康生物科技有限公司;南京医科大学附属无锡人民医院医学工程处【正文语种】中文【中图分类】R459.9;R318;R452【相关文献】1.骨质疏松症全髋关节有限元模型的建立与分析2.脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立3.正常人与骨质疏松患者胸腰椎三维有限元模型的建立及分析4.三维有限元分析种植体支持平面型及弹性衬垫型磁性覆盖义齿在正常骨及骨质疏松状态下的应力因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

正常人大开口状态下颞下颌关节有限元模型的建立刘靖;孙明旭;周锐志;黄昕;谷方【期刊名称】《青岛大学医学院学报》【年(卷),期】2016(0)3【摘要】目的精确构建大开口状态颞下颌关节的有限元模型。

方法分别采集同一成年男性志愿者大开口时口腔锥形束投照计算机重组断层扫描(CBCT)和核磁共振(MRI)影像数据,提取CT数据的骨组织影像和MRI数据的关节盘等软组织影像,导入Mimics软件中分别建立下颌骨、颞下颌关节窝和颞下颌关节盘的三维模型。

将构建的三维模型应用Mimics、Geomagic studio和Pro/E软件进行装配融合形成完整的颞下颌关节结构,最后将获得的模型数据导入Hypermesh 12.0软件进行网格划分和局部优化,建立大开口位时颞下颌关节的有限元模型。

结果建立了较为精确的大开口位颞下颌关节的有限元模型。

结论大开口位颞下颌关节有限元模型的建立,对其生物力学分析及颞下颌关节紊乱病病因的进一步研究具有重要意义。

【总页数】4页(P265-267)【关键词】计算机重组断层扫描;磁共振;颞下颌关节;有限元分析【作者】刘靖;孙明旭;周锐志;黄昕;谷方【作者单位】青岛大学口腔医学院;青岛大学附属医院放射科【正文语种】中文【中图分类】R782.6【相关文献】1.包含颞下颌关节的颅面三维有限元模型建立 [J], 王世雄;王旭霞;张文娟;刘宛鑫;赵姝亚;陈云;张君2.带有微种植体下颌骨及颞下颌关节三维有限元模型的建立及其价值分析 [J], 张博;李德超;赵刚3.包含推杆式矫治器的牙列-颌骨-颞下颌关节的三维有限元模型的建立 [J], 李丽华;方平;宋锦璘;米方林;李娜4.建立包含颞下颌关节下颌骨双侧下颌支矢状劈开内固定后的有限元模型 [J], 马文;侯敏;宋大立;杨静文;戴智;程家龙;柴国良;周卫源;张瑞泽5.建立包含颞下颌关节下颌骨双侧下颌支矢状劈开内固定后的有限元模型 [J], 马文;侯敏;宋大立;杨静文;戴智;程家龙;柴国良;周卫源;张瑞泽;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。