基于髋部和脊柱定量CT有限元分析...
基于髋部和脊柱定量CT有限元分析...
摘 要
国际临床骨密度学会(ISCD)已经形成了新的基于定量CT(QCT)的脊柱及髋部有限元分析(FEA)的临床应用官方建议。ISCD定量CT工作组回顾了QCT临床应用证据，并在2015年临床骨密度测量发展大会提出了新的报告建议。在这里，我们对支持ISCD官方建议的医学证据、理论基础、争议和进一步研究的建议进行探讨。第一部分和第三部分论述了髋关节QCT的临床应用，并讨论了利用以其它疾病诊断为目的的CT扫描(如结肠成像)，从而进行骨质疏松症随机筛查的临床可行性。
引 言
本文为定量CT(QCT)工作组报告的第二部分，陈述了QCT临床应用的演进，并为国际临床骨密度学会(ISCD)新的官方意见提供了相关证据。本部分重点阐述了基于定量CT有限元分析(FEA)骨强度评估的临床价值，并介绍 ISCD对FEA新的官方立场。第一部分介绍了髋部QCT的临床应用价值，第三部分基于体素/张量的形态学分析、统计学参数图等先进方法。第三部分还论述了如何从获得的CT扫描获得可靠的骨密度(BMD)信息，以解决除了骨质疏松症之外的诊断问题(比如CT扫描通常不使用标准QCT应用中使用的扫描内标定模型)。基于FEA的骨强度测量的临床应用已在之前的文章中简要讨论过，但自那时以来，又发表了大量的临床研究，巩固并进一步证明了将整体几何结构和局部骨密度整合到脊柱、髋部或前臂骨强度计算中FEA的价值。
FEA方法学概述
有限元(FE)法常用于机械工程中，以计算刚度、强度以及受外力影响的复杂结构的内部应变和应力。常有人将骨骼比喻为老式的钢桥，因为它与骨小梁结构有惊人的相似性。因此，FEA被用来模拟骨骼的力学行为、提高保真度已经40余年。计算由最终可能导致骨折的外部载荷引起的骨内应变和应力的复杂问题，可通过创建具有已知材料属性的元素网格来解决，在局部和整体上均衡力和力矩。大多数用于骨骼分析的FEA软件仍处于试验阶段，但VirtuOst软件(ON
Diagnostics，Berkley，CA)最近获得美国食品和药物管理局(FDA)的批准，用于鉴别骨折风险患者和随访治疗效果。
在骨骼方面，μFE模型不同于均匀FE模型，前者需要高空间分辨率图像，以便显示仅含有骨骼材料的网格元素。然而在脊柱和髋关节中，高分辨率在活体是无法实现的，为了说明这一点，图1选用的是桡骨远端。从全身临床CT扫描获得的QCT图像上应用均匀的FE模型进行后处理。在整个椎体或髋部应用网格分析技术，使得其在单位毫米的图像内同时包含有矿化骨和骨髓。均匀化(homogenization)这一术语用于表示确定骨髓混合物特性的平均化过程，是FE分析的基本输入参数。
通过双能量X射线吸收测定法(DXA)测量面积骨密度(aBMD)，通过QCT测量体积骨密度(vBMD)和通过骨强度的FE分析预测衰竭的可行性已经被许多体外研究在骨骼标本中所证实。对于这些研究的阐述，骨强度在物理参数中被明确定义为一种施加在骨骼上导致其位移并最终骨折的力。力-位移曲线(force-displacement curve)的斜率被定义为刚度。曲线上能达到的最大力Fu表示破坏骨骼所需的极限力(也称为极限载荷或破坏载荷)。最大力Fu点的曲线下的面积(AUC)表示产生骨折所需的能量。强度(Strength)是一个更常应用于材料研究而非结构研究的概念，但在后一种研究中，它是极限载荷的同义词，并且是最常被报道的FE结果变量。极限载荷随着骨骼体积的增加而增大，但较大的骨骼通常必须在生理和病理载荷条件下(例如跌倒)支持更大的重量。对于均匀材料(例如一处均匀变形的骨小梁)，力-位移曲线可以被转换成应力-应变曲线(stress-strain curve)，其中应力被定义为施加的力除以样本的抵抗面积。应力和应变之间的线性关系的斜率表示杨氏模量(Young’s modulus)。破坏材料所需的最大应力称为极限强度。应力应变曲线下的面积具有单位体积能量密度的物理意义。杨氏模量、最大应力和能量密度是材料的固有性质，与形状无关。而相反，极限力和刚度是与外形有关的结构特性参数。 材料和结构变量的不同对应用于计算骨强度的成像技术有着重要的影响。例如，QCT或者DXA测量的骨矿物质含量(BMC)像结构特性一样是一个外延变量，因为骨骼体积越大，包含的矿物质就越多而且越坚硬。相反，QCT测量的vBMD是一个与材料特性(如极限强度或极限模量)相一致的内涵变量，因为vBMD本质上是独立于骨骼大小的。因此，当与QCT所测得的vBMD相关联时，极限载荷或刚度应当调整其大小。有趣的是，aBMD与结构特性相关性更好，这很可能是因为DXA能利用单投影并提供面积密度来部分调整大小。混合变量aBMD的强度预测水平取决于解剖部位、载荷配置以及特定的样品采集区域。
一些脊柱和股骨的体外研究结果显示DXA、QCT、FE的结果与骨的结构特性有着很好的相关性(r=0.6～0.9)。在大多数研究与骨破坏性载荷相关或有预测作用的成像技术中，QCT的预测性较DXA略好。在椎体研究中，FE方法预测骨骼负载失效或表观极限强度实验中展现出最高的相关性和最低的误差，但决定系数并不总是明显高于QCT变量。
按尺寸校正的骨骼形态或本质特性、按vBMD校正的骨质量、按面积校正的外力(表观应力)以及按身高校正的位移(表观拉伸)，吸引人们从关注骨强度转移到关注依赖外加负荷和患者体重的骨折风险。基于简单的量纲分析，也有人认为不同于最大受力，最大压力基本独立于骨的大小和重量，因此它可提供一个更为客观的骨折危险因素。
体外实验的阳性结果为流行病学研究脊柱和髋部均一性FE分析的使用提供了坚实的依据，用以确定骨强度或预测脊柱及髋部骨折或确定骨强度随着年龄的变化以及相关治疗。然而，现在被用于估算骨强度的FE技术方法仍然有一些限制，这些限制大致被分为3类。
几何结构和网格
QCT评价骨结构的分辨率有限。在这种情况下，脊柱和髋关节的致密骨往往比图像体素尺寸要薄。虽然有效的算法可以分割髋关节骨皮质，但同时评估皮质厚度和孔隙度仍然是一个重大的挑战。
用于脊柱和髋关节的FEA网格技术主要有两种，一是忽略皮质和骨小梁区别的体素网格技术，二是包括可变或恒定厚度致密层的平滑网格技术。前者使用相同的关系将材料属性分配给致密骨和骨小梁，而后者则为每个分隔间使用不同的关系。固定骨皮层厚度的建模方法提高了椎体内FE预测的准确性。令人惊讶的是，在髋关节中加入骨皮质似乎并没有对椎体的强度预测产生同样的影响。这很可能归因于部分容积伪影、图像分割质量以及每个分隔所使用的材料模型。总的来说，当单元尺寸缩小时，FE分析解决边界值问题必须集中在一种分析解法。
材料特性
骨骼是一种具有多维度、非均质、各向异性和弹性特征的材料，能承受即时的塑性变形和损伤。然而，在基于QCT的有限元模型中，只有vBMD用来决定密质骨和骨小梁的物质特性，受很多因素的影响。
1. 纵向研究中，在细胞外基质(ECM)水平，骨组织的成分与解剖部位、性别、年龄、时间无关。定量背散射电子成像研究也证实这一观点，发现在同一解剖部位的健康骨组织具有相似的钙含量分布。另外一项压痕实验也提示成人椎体ECM的平均杨氏模量与年龄和性别无关。然而，随着年龄增加，骨的微损伤增加，骨的韧性相应地减低。某些特殊疾病如成骨不全等，会改变ECM的物质特性，这种情况应该在FEA中加以考虑。
2. 在骨小梁结构水平，骨的机械性能完全由骨的体积分数决定。所谓的结构是指骨小梁的各向异性及方向。假设结构相似的骨组织具有相同的平均钙含量分布，那么我们就可以从vBMD中估测出骨体积分数。一些研究利用QCT图像估测骨小梁结构，但收效甚微，其原因与临床CT图像的空间分辨率不高有关。
3. 在FE分析中，骨骼vBMD和机械性能之间的关系，与解剖结构、性别、年龄、疾病无关。由于骨构造的不同，vBMD单独使用时常需要区别不同载荷情况下的不同参数。显然，骨质疏松并不改变体积分数、结构和性能间的关系，但其他骨骼疾病的影响不能排除在外，还需要进行调查研究。
4. 皮质骨的性能通常由松质骨推断得来，这使得椎体或髋关节的测量值不能准确匹配。
5. 利用线性FE分析，骨结构的刚度常与强度具有良好的相关性。但是，总的来说，非线性分析可提供更好的强度结果。
总之，骨的物质特征对载荷率及周期数敏感。如：髋关节骨折好发于碰撞，而椎体骨折常源于疲劳。大多数FEA专注于准静态单调加载，而载荷率和周期数的参数校正将结果进行标化，并保存于不同个体间的相对骨强度。
载荷情况
对有限元模型进行验证的体外实验经常受到的质疑是，它们并不代表真实的患者在现实生活中的载荷情况。在活体内受到外力的大小和方向，特别是在特定的跌倒中，只能进行粗略估计，从而影响骨强度结果的计算。这个问题是真实存在的，但是这些体外实验的目的并不是完全符合个体的实际情况，而是要对具有代表性的解剖学和负荷模式进行基于QCT的FEA验证。为了解决这一问题，有研究在多种载荷条件下进行FEA，如脊柱轴向压缩、前屈和扭转，以及臀部的不同姿势和坠落场景的模拟，初步结果表明，负荷与椎体刚度值高度相关。最近发表的一项针对步行和爬楼梯的髋关节个体化载荷情况首次进行了FEA研究。这种有限元模型的精化对骨折风险预测的收益还不清楚，仍需要进一步调查。受到其他力学领域的启发，工程师们也开始研究骨骼和关节的随机载荷，以解释骨骼力和力矩的意外变化，这样可能有助于制定更好的统计学策略来评估未来的骨折风险。
综上所述，QCT的FEA是基于力学的基本原理，结合患者的个体情况和通用特性，计算出临床相关负荷下的骨力学性能。准静态骨强度是关键的结果变量，不应与已经包含在有限元模型精化中的形态学性质相结合。体外实验是未来在皮质厚度和材料性能方面进行改进测试的金标准。据报道，使用体素模型对椎体和髋关节的准确性约为15%(均方根误差)。参考更多临床病例的具体负荷情况将有助于提高FEA的准确性，以达到预测骨折风险目标。尽管同质FEA的精度主要依赖于QCT图像采集、校准和处理的精度。然而，骨强度的变异系数可能会被vBMD与材料特性的非线性关系所放大。由于体素有限元模型的生成可以完全自动化，只有更复杂的四面体或六面体网格与皮质的识别可能会适度影响FEA的精度。
以下部分，我们将陈述对FEA的ISCD官方共识。
ISCD官方共识
对髋部和腰椎FEA的官方共识
在以下各节中，脊柱和髋关节的FEA分别指椎体或股骨强度。
FEA可以用于骨折风险评估吗？
ISCD官方共识
基于QCT的FEA可评估骨强度来预测绝经后妇女椎体骨折。
等级：Fair-B-W
基于QCT的FEA评估椎体强度，与脊柱DXA一样，可预测老年男性椎体骨折。
等级：Fair-B-W
基于QCT的FEA评估股骨强度，与髋部 DXA一样，可预测绝经后妇女和老年男性髋部骨折。
等级：Fair-B-W
理由：在男性中，腰2椎体强度的标化风险比(standardized
hazard ratio，HR)要高于腰1-腰4椎体的双能X线吸收测定法(DXA)aBMD值。在女性中，腰2椎体强度的比值比(odds ratio，OR)要高于腰2椎体的vBMD。与脊柱aBMD相似，其他两项女性研究亦显示，区分椎体骨折时，AUC值较大或强度参数相关性较高。
abaqus脊柱算例 -回复
abaqus脊柱算例 -回复
如何使用Abaqus进行脊柱有限元分析
（引言）
脊柱是人体重要的解剖结构之一，其稳定性和功能对人体的正常运动至关重要。为了深入研究脊柱的力学行为和预测潜在的损伤，有限元分析成为了一个非常有用的工具。本文将详细介绍如何使用Abaqus软件进行脊柱有限元分析，并通过一个实际的案例来演示相关步骤。
（背景知识）
在进行脊柱有限元分析之前，我们需要先了解一些脊柱的基本知识。人类脊柱分为颈椎、胸椎、腰椎、骶椎和尾椎五个部分，在正常情况下呈现出自然的生理曲线。通过脊柱中的椎体、椎间盘和椎间关节等结构来负责传递载荷和保持稳定性。这些结构的材料性质和几何特征都是有限元分析中需要考虑的重要参数。
（建立几何模型）
在Abaqus中进行脊柱有限元分析，首先需要建立一个准确的几何模型。可以使用Abaqus的建模工具手动创建脊柱的几何形状，也可以借助计算机辅助设计（CAD）软件进行建模。对于后者，可以将CAD软件中创建的几何模型导入Abaqus中。无论使用哪种方法，确保模型的几何形状和尺寸准确无误是非常重要的。
（材料属性）
接下来，我们需要为脊柱的各个组成部分指定适当的材料属性，这些属性包括弹性模量、泊松比和密度等。这些属性可以从文献中获取，或者通过实验测定获得。在Abaqus中，可以通过定义材料属性实现这一步骤。对于脊柱的不同区域，可以根据具体需要使用不同的材料属性。
（边界条件和加载）
在分析前还需要指定适当的边界条件和加载情况。脊柱的底部可以设置为约束，以模拟肌肉和其他身体组织对脊柱的固定作用。加载可以通过施加各向同性或各向异性的载荷来模拟日常生活中的静态或动态载荷。在Abaqus中，可以通过设置边界条件和加载应用程序来实现这一步骤。
（网格划分）
网格划分是有限元分析中的关键步骤之一。通过将脊柱模型划分为小的单元，我们可以近似地描述其结构和材料行为。Abaqus提供了多种网格划分方法，如线性划分、四边形单元和三角形单元等。选择合适的网格划分方法可以在保证计算效率的同时，确保准确地获取脊柱的应力和位移响应。
髋关节置换的有限元分析及实验验证
髋关节置换的有限元分析及实验验证
宋新新;董黎敏;张春秋;刘念;陈伟
【摘 要】本研究针对天津某医疗企业新一代髋关节假体置换前后应变分布规律进行了有限元分析及实验验证，通过对比有限元分析结果与实验结果，发现有限元分析结果与实验结果呈现的规律较为一致。本研究表明用有限元法分析髋关节置换的应变情况是可行的，但置换髋关节的模型、模型的参数、边界条件需要进一步优化。从有限元分析结果和实验结果来看，髋关节置换后呈现应变转移情况。实验与仿真均证实了使用髋关节置换前后有相似的力学效应，使用该髋关节假体预计会获得较好的临床使用效果。%The laws of strain distribution were analyzed by finite
element method and verified by experiment before and after the
replacement of artificial hip joint prostheses, which was the newest
product of Tianjin one medical instrument co. in this research. From the
comparison between these data, it could be found that the laws presented
by finite element results and the experimental results were substantially
the same. This study indicates it is feasible to analyze the strain condition
on hip replacement using finite element method. But hip replacement
有限元分析与髋关节研究进展
有限元分析与髋关节研究进展
范清;张菁
【期刊名称】《国际骨科学杂志》
【年(卷),期】2007(28)1
【摘 要】髋关节具有独特的解剖学特点及复杂的生理功能,其生物力学研究日益受到重视.对人体髋关节力学结构进行研究时力学实验主要通过动物模型模拟,在人体直接进行力学实验几乎不可能.有限元分析是计算机力学分析的重要方法之一,可在一定程度上替代生物力学实验,模拟人体生物力学情况.有限元分析在全髋关节置换术前术后应力分布和应力遮挡研究、骨水泥残余应力分析、假体的优化设计、假体表面磨损和术后脱位原因等方面取得了很大进展.有限元分析已成为儿童髋关节发育不良研究的新领域.
【总页数】5页(P47-51)
【作 者】范清;张菁
【作者单位】200092,上海交通大学附属新华医院小儿骨科;200092,上海交通大学附属新华医院小儿骨科
【正文语种】中 文
【中图分类】R6
【相关文献】
1.有限元分析在髋关节生物力学中的研究进展 [J], 黄小龙;王拓;刘飞;胡华辉;全仁夫 2.有限元分析在人工髋关节中应用的研究进展 [J], 张福江;肖瑜
3.全髋关节置换术后预防髋关节脱位的研究进展 [J], 阮斌铃
4.髋关节置换术中2种不同髋关节假体的有限元分析:应力集中和位移变化比较 [J],
王志坚;李彦旭;韩青;尚晓峰;王金成
5.CroweⅣ型髋关节发育不良患者全髋关节置换术后坐骨神经损伤的研究进展 [J],
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基于 CT和 MRI数据建立人脊柱腰段三维有限元模型
基于 CT和 MRI数据建立人脊柱腰段三维有限元模型
庞胤;赵长义;刘建辉;任国山
【期刊名称】《中国民康医学》
【年(卷),期】2015(27)14
【摘 要】目的：：本研究旨在利用CT及MRI图像DICOM数据对正常人脊柱腰段主要结构进行三维重建，然后对模型进行网格划分和材料属性设定使其成为有限元模型并验证模型的有效性。方法：选取一健康成年男性志愿者进行CT和MRI扫描采集数据，以DICOM格式存储入可读写光盘。利用Mimics14.0软件依据CT数据重建L1~L5椎骨及骶骨上部的三维模型，依据MRI数据重建L1~L5椎间盘髓核的三维模型。将所建模型导入Geomagic12.0软件中对位组装，并生成椎间盘模型和韧带模型。将所有模型导回Mim-ics14.0中组装并自动划分面网格和体网格。将模型导入Ansys13.0中设定材料属性，重划网格，设置接触关系，对第五腰椎椎体和下关节突关节面进行约束。在Ansys13.0中对模型的L4~L5节段分级加力验证模型有效性。结果：建立了人脊柱腰段的三维模型及有限元模型，包含L1~L5的椎骨、5个椎间盘、骶骨上端、前纵韧带、后纵韧带等重要结构。该模型与脊柱标本相比具有较高相似性且可以进行有限元力学分析。结论：基于CT、MRI图像DICOM数据通过Mimics14.0、Geomagic12.0和Ansys13.0软件可以重建出人体脊柱腰段的椎骨、椎间盘等结构的三维模型和有限元模型。三维模型解剖结构相符度高，有限元模型准确有效，可以用于有限元分析。
【总页数】1页(P119-119)
【作 者】庞胤;赵长义;刘建辉;任国山 【作者单位】沧州医学高等学校解剖教研室，河北 沧州 061001;河北医科大学解剖教研室，河北 石家庄 050017;沧州医学高等学校解剖教研室，河北 沧州
061001;河北医科大学解剖教研室，河北 石家庄 050017
【正文语种】中 文
基于CT的股骨精确建模与三维有限元分析
基于CT的股骨精确建模与三维有限元分析
股骨是人体最大的骨头之一，其长、粗、强度高是由其主要功能决定的，即支撑上肢和承受身体重量。股骨髁部是股骨的主要特征之一，根据其不同的形态特征可以分为球形和椭圆形两种类型。精确建模股骨髁部形态，可以帮助了解股骨的生理特征和运动机能，同时有助于开发适合不同人群的假体和手术治疗方案。
本研究基于CT扫描技术对股骨髁部进行精确建模，利用三维有限元分析技术评估了不同类型股骨髁部形态对其强度和承载能力的影响。具体实施步骤如下：
1. 采集股骨CT数据。使用64层螺旋CT扫描仪，对100名健康成年人的股骨进行扫描，获取高于70 HU的图像数据，以1 mm间距重建三维模型。
2. 对股骨髁部进行3D建模。采用Mimics v20软件对股骨髁部进行分割处理，提取其二维数据，并通过三维重建技术生成精确的三维模型。同时基于实测数据统计了股骨髁部不同形态特征，包括髁径、髁高、前后径、横径等。
3. 对不同股骨髁部形态进行有限元分析。将股骨模型输入ABAQUS软件，运用有限元模拟技术，构建有限元模型。通过施加力学载荷，分析了不同类型股骨髁部的承载能力和应力分布情况。模拟条件包括卧式支撑、坐式支撑和站立姿势等不同情况。
4. 分析数据并得出结论。根据有限元分析结果，得出了不同形态股骨髁部的应力分布图和承载能力评价，发现球形髁部的股骨强度更高，具有更好的承载能力。
本研究的结果表明，基于CT技术的股骨髁部精确建模和三维有限元分析方法可以帮助分析人体骨骼的生理特征和运动机能，并为临床设计假体和手术治疗提供参考和依据。同时，球形髁部的股骨骨强度更高，更适合作为假体设计和手术治疗的方案。
有限元法在脊柱外科研究中的应用
有限元法在脊柱外科研究中的应用
脊柱外科的研究一直是我国科学家们研究的重点，其中有限元法作为一种新兴的数值计算方法，在脊柱外科研究中也曾有广泛的应用。
有限元法是1620年瑞典科学家古尔德在研究力学问题时首次提出的，至今已有三百多年的历史。它是把物理问题转化为求解离散数值难题的有效数值方法，它也被称为“分析方法”。有限元法可以用于设计飞机、质量估计、结构分析以及各种理论计算。
有限元法在脊柱外科研究中被广泛应用，其主要目的是将脊柱外科研究中各种复杂结构、拓扑、组合几何等归结为极其简单的有限元素，获得复杂结构的数值计算方法。有限元法可以极大地模拟脊柱外科中的复杂工程过程，由于它具有数学和物理的灵活性，还可以考虑复杂的材料特性和装置的结构参数，进而可以更准确地模拟脊柱损伤的发生以及医疗效果的变化。
另一方面，有限元法的应用范围很广，它不仅可用于脊柱外科的研究，还可以用于外科术式的优化设计以及内囊剥离术等脊柱外科手术等。这些有限元法模型可以帮助外科医生们对病例进行更好的理解和预测，从而实现有效的医疗服务。
总之，有限元法不仅在脊柱外科领域中得到了广泛的应用，而且也可以应用于外科手术中，从而改变人们对脊柱外科的研究方式，实现更多的脊柱外科研究成果的转化，以实现脊柱外科的发展。
定量CT对老年髋部骨折患者的股骨近端形态结构研究
定量CT对老年髋部骨折患者的股骨近端形态结构研究
许乐洋;范永前;林伟龙;杨丰建;陈聪;林上进;潘依潇
【摘 要】目的 利用定量CT(quantitative CT,QCT)比较股骨颈骨折及股骨粗隆间骨折在股骨近端几何结构参数上的差异,从而更好地进行髋部骨折的风险预测.方法
对93例因髋部骨折收治入院的患者行QCT扫描测量健侧髋部骨密度及进行髋部几何结构分析.患者年龄70～96岁,平均年龄(82.31±7.76)岁,男性21例,女性72例;股骨粗隆间骨折31例,股骨颈骨折62例.分析髋部几何结构参数包括股骨颈区域的最小横截面积(minimum cross-sectional area,CSA)、横截面转动惯量(cross-sectional moment of inertia,CSMI)、截面模量Z值(cross-sectional
modulus Z,Z score)、屈曲比率(buckling ratio,BR)、皮质骨厚度(cortical bone
thickness,CTh)以及髋关节轴线长度(hip axis length,HAL).结果 QCT所测两种髋部骨折在髋部各区域骨密度差异无统计学意义.发现股骨颈骨折组的CSA小于粗隆间骨折组(P＜0.05);而股骨颈骨折组的HAL大于粗隆间骨折组(P＜0.05);股骨颈骨折组在股骨颈前上象限的CTh小于粗隆间骨折组(P＜0.05).结论 股骨颈CSA较小、HAL较长、CTh较薄的老年人群跌倒后更容易造成股骨颈骨折.
【期刊名称】《复旦学报（医学版）》
【年(卷),期】2018(045)005
【总页数】8页(P644-651)
【关键词】定量CT;髋部;骨密度;几何结构;骨折
【作 者】许乐洋;范永前;林伟龙;杨丰建;陈聪;林上进;潘依潇 【作者单位】复旦大学附属华东医院骨科 上海200040;上海市老年医学临床重点实验室 上海200040;复旦大学附属华东医院骨科 上海200040;上海市老年医学临床重点实验室 上海200040;复旦大学附属华东医院骨科 上海200040;上海市老年医学临床重点实验室 上海200040;复旦大学附属华东医院骨科 上海200040;上海市老年医学临床重点实验室 上海200040;复旦大学附属华东医院骨科 上海200040;上海市老年医学临床重点实验室 上海200040;复旦大学附属华东医院骨科 上海200040;上海市老年医学临床重点实验室 上海200040;复旦大学附属华东医院骨科 上海200040;上海市老年医学临床重点实验室 上海200040
“腰-盆-髋”模型模拟腰椎定点坐位旋转手法的有限元分析的开题报告
“腰-盆-髋”模型模拟腰椎定点坐位旋转手法的有限元分析的开题报告
一、研究背景
腰痛是一种常见病症，严重影响了人们的生活质量和工作效率。定点坐位旋转手法是一种常见的治疗腰痛的物理治疗方法，目前在临床中得到了广泛应用。然而，定点坐位旋转手法对腰椎的生物力学特性影响尚未得到详细的研究，因此本研究将采用有限元分析方法研究腰椎在定点坐位旋转手法中的应力分布和变形情况。
二、研究目的
本研究旨在通过有限元分析方法模拟腰-盆-髋模型在定点坐位旋转手法中的力学响应，探讨定点坐位旋转手法对腰椎的生物力学特性影响和作用机理，为定点坐位旋转手法在临床上的应用提供理论基础和参考。
三、研究内容
采用生物力学建模和有限元分析技术，建立腰-盆-髋模型，应用Ansys Workbench软件对定点坐位旋转手法进行有限元分析。研究内容包括：
1. 建立腰-盆-髋有限元模型，包括腰椎、盆骨和髋骨。
2. 对模型进行分析，构建模拟定点坐位旋转手法的边界条件。
3. 分析定点坐位旋转手法对腰椎的应力分布和变形情况，研究定点坐位旋转手法对腰椎的生物力学特性影响和作用机理。
4. 对模拟结果进行分析，总结定点坐位旋转手法的优缺点和注意事项，为临床应用提供参考。
四、研究方法 采用生物力学建模和有限元分析技术，将腰-盆-髋模型导入Ansys
Workbench软件中，建立有限元模型。对模型进行分析，将定点坐位旋转手法的边界条件应用到模型中，在手法作用下进行有限元分析，分析腰椎的应力分布和变形情况。最后进行数据处理和结果分析。
五、预期结果
本研究预计得出定点坐位旋转手法施加下的腰椎应力分布和变形情况的有限元分析结果，探讨定点坐位旋转手法对腰椎的生物力学特性影响和作用机理，为定点坐位旋转手法在临床上的应用提供理论基础和参考。同时，还将总结出定点坐位旋转手法的优缺点和注意事项，为临床医生提供指导意见。
六、研究意义
通过有限元分析方法探讨定点坐位旋转手法对腰椎的生物力学特性影响和作用机理，能够为临床医生提供理论指导，提高手法操作的准确性和疗效。由于腰痛是一种常见病症，本研究的结果对于改善患者的生活质量和工作效率具有一定的现实意义。
脊柱有限元分析
脊柱有限元仿真分析
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脊柱有限元仿真分析
关键字：脊柱，有限元，仿真，骨头，CAE
本文用HyperMesh建立了脊柱及其软骨的有限元模型，运用ABAQUS对脊柱受力情况进行了有限元分析，获得了脊柱的应力（stress）应变（strain）和变形（displacement）云图，可用于脊柱的相关研究。
1、获得人体骨骼3D模型
本文通过CT扫描，获得原始数据，再通过三维重建技术获得人体骨骼的精确三维模型，以便有限元分析使用，人体骨骼模型如下图所示。
2、建立胫骨骨折有限元模型
本文针对脊柱进行有限元分析，为了减小计算量，只选脊柱的一部分进行有限元分析，提取脊柱模型如下图所示。 脊柱有限元仿真分析
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首先简化骨骼的几何模型，修改其中的缺陷。使用HyperMesh对胫骨划分网格，生成脊柱有限元买模型，如下图所示,微信搜索：博洋CAE，可找到我。
骨头是一种复杂的不均匀的材料，分为内层和外层，外层较为紧致，内层较为疏松，建立有限元模型时，考虑的两种不同骨骼材料，将骨骼分为内层和外层，如下图所示。
脊柱有限元仿真分析
3
脊椎骨与软骨之间定义接触，两块脊椎骨之间也定义接触。在最下面的软骨底面添加固定约束，在最上面的软骨顶面施加700牛顿的载荷，边界条件完成后的有限元模型如下图所示。
3、结果分析
下图为vonMises应力分布云图，其中脊椎骨，在云图中颜色较深。 脊柱有限元仿真分析
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下图为位移应力分布云图 脊柱有限元仿真分析
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4、结论
本位建立了脊柱限元模型，分析了脊柱受力情况下的应力以及变形等，可为脊柱相关分析分析提供有意义参考。
本人为大连理工大学研究生，长期从事有限元仿真分析工作，有着丰富的工程实践经验，可代做（或指导）各种有限元分析，价格合理，质量有保证。
基于CT精细扫描构建人体胸腰段脊柱三维有限元模型的方法及意义
山东医药２００９年第４９卷第ｌ４期
基于ＣＴ精细扫描构建人体胸腰段脊柱
三维有限元模型的方法及意义
李孝林 （长江大学医学院，湖北荆州４３４０２３）
［摘要］ 目的探讨基于ＣＴ精细扫描构建人体胸腰段脊柱三维有限元模型的方法及临床意义。方法将以 各向同性分辨率０．６２５ ｍｍ薄层扫描所得的层厚０．６５ ｍｍ人体胸腰段连续断层２１０层Ｄｉｅｏｍ格式ＣＴ图像，直接读 入Ｍｉｍｉｃｓ后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理，去除冗余数据，三维化处 理后获得胸腰段三维几何面网格模型，将其保存为后缀名．１ｉ８的Ａｎｓｙｓ文件，直接导人Ａｎｓｙｓ有限元分析软件进行 体网格划分，再将体网格转入Ｍｉｍｉｃｓ，根据ｃＴ值赋值，再次导人Ａｎｓｙｓ添加韧带、关节约束后生成三维有限元模 型。结果快捷建立了外形逼真、计算精确的人体胸腰段脊柱三维有限元模型。结论应用精细ＣＴ扫描技术，图 像Ｄｉｃｏｍ标准，Ｍｉｍｉｃｓ软件能直接与Ａｎｓｙｓ软件进行对接，并能根据ｃＴ值直接赋值使胸腰段脊柱三维有限元模型 的建立更加快捷、精确。 ［关键词］ｃＴ图像；脊柱；胸腰椎；有限元模型；Ｍｉｍｉｃｓ软件 ［中图分类号］ Ｒ７８３．４ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］ １００２－２６６Ｘ（２００９）１４－０００８－０３
Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｏｆ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ａ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
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