骨科有限元分析介紹

1、頸椎

頸椎，指頸椎骨。頸椎位于頭以下、胸椎以上的部位。頸椎共有七塊頸椎骨組成，除第一頸椎和第二頸椎外，其他頸椎之間都夾有一個椎間盤，加上第七頸椎和第一胸椎之間的椎間盤，頸椎共有6個椎間盤。每個頸椎都由椎體和椎弓兩部分組成。椎體呈橢圓形的柱狀體，與椎體相連的是椎弓，二者共同形成椎孔。所有的椎孔相連就構(gòu)成了椎管，脊髓就容納其中。

頸椎又是脊柱椎骨中體積最小，但靈活性最大、活動頻率最高、負(fù)重較大的節(jié)段。

1.1 人體頸椎（一節(jié)與多階段）三維有限元模型的建立

問題描述：

頸椎三維有限元模型的建立是各類有關(guān)頸椎生物力學(xué)問題分析的基礎(chǔ)，根據(jù)研究問題目的不同，可以分別建立單一椎體或者多階段椎體有限元分析模型，甚至在此基礎(chǔ)上增加肌肉作用，為精確研究各類頸椎生物力學(xué)問題提供了保證。

主要結(jié)果：

單一椎體、多階段椎體以及包含肌肉作用的各種三維有限元分析模型。

1.2 人工椎間盤置換術(shù)前后頸椎活動能力的有限元分析

問題描述：

人工椎間盤置換術(shù)在頸椎病患者中頗受歡迎，且療效滿意。這主要取決于手術(shù)后患者頸椎活動能力的提高。通過對椎間盤及椎體內(nèi)應(yīng)力的改變的研究，可以評價人工椎間盤置換術(shù)對頸椎節(jié)段活動及臨近節(jié)段的生物力學(xué)特性的影響。也為臨床手術(shù)療效的預(yù)測提供參考。

主要結(jié)果：

人工椎間盤臨近節(jié)段的椎間盤及椎體內(nèi)應(yīng)力大小及改變情況，人工椎間盤置換術(shù)后頸椎活動能力的評價。

1.3 椎板切除后的生物力學(xué)特性分析

問題描述：

頸椎椎板切除減壓術(shù)通過切除雙側(cè)椎板達(dá)到減壓或暴露椎管的目的。由于此術(shù)對頸椎結(jié)構(gòu)破壞較大，故相應(yīng)的頸椎生物力學(xué)改變在所難免，導(dǎo)致術(shù)后遠(yuǎn)期易引起頸椎后凸畸形，對其產(chǎn)生的機(jī)理需有待研究。

主要結(jié)果：

椎板切除前后，頸椎的穩(wěn)定性及各部分韌帶的受力情況，以及椎板切除前后，頸椎結(jié)構(gòu)的活動度。

1.4 小關(guān)節(jié)切除術(shù)對頸椎生物力學(xué)的影響

問題描述：

脊柱小關(guān)節(jié)不但控制活動節(jié)段的運(yùn)動方向，而且還有重要的承載功能。因此不同程度的小關(guān)節(jié)切除后對頸椎段的生物力學(xué)特性和穩(wěn)定性有何影響是醫(yī)患人員關(guān)注的重點。通過建立小關(guān)節(jié)切除前后的頸椎有限元模型進(jìn)行對比分析獲得影響結(jié)果。

主要結(jié)果：

小關(guān)節(jié)切除前后的三維有限元分析模型；切除小關(guān)節(jié)后頸椎的應(yīng)力情況，以及頸椎的穩(wěn)定性情況。

1.5 頸椎椎體的爆裂骨折的三維有限元分析

問題描述：

隨著交通和建筑業(yè)的發(fā)展，頸椎損傷有漸增的趨勢，頸椎爆裂骨折就是其中一種。通過分別測定頸椎爆裂骨折前后的運(yùn)動變化，可以為治療頸椎損傷提供一些生物力學(xué)依據(jù)。

主要結(jié)果：

正常頸椎關(guān)節(jié)的活動度以及爆裂骨折后頸椎關(guān)節(jié)的活動度。

2、腰椎

腰椎：椎體較大；棘突板狀水平伸向后方，相鄰棘突間間隙寬，可作腰椎穿刺用，關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面呈矢狀位。人體有五個腰椎，每一個腰椎由前方的椎體和后方的附件組成。椎板內(nèi)緣成弓形，椎弓與椎體后緣圍成椎孔，上下椎孔相連，形成椎管，內(nèi)有脊髓和神經(jīng)通過，兩個椎體之間的聯(lián)合部分就是椎間盤。它是由纖維環(huán)和髓核兩部分組成。髓核位于椎間盤的

中央，它是一種富含水分、呈膠凍狀的彈性蛋白。在髓核的周圍是纖維環(huán)，一層層的纖維環(huán)把兩個椎體連接在一起，并把髓核牢牢地固定在中央。

2.1 人體腰椎三維有限元模型的建立

問題描述：

腰椎一般由椎體、椎弓根、椎工板、橫突、乳突、棘突和錐孔等部分組成，因此結(jié)構(gòu)極其雜。而研究腰椎病的機(jī)理需要準(zhǔn)確的三維有限元分析模型，因此精確建立腰椎三維有限元模型是一項重大而艱巨的任務(wù)。

主要結(jié)果：

單一椎體、多階段椎體以及包含肌肉作用的各種腰椎三維有限元分析模型。

問題描述：

人工椎間盤置換術(shù)不僅在頸椎病中得到應(yīng)用，在腰椎病中也得到了很好的應(yīng)用。為了讓人工腰椎間盤置換術(shù)在臨床上取得更好的療效，就必須要了解人工腰椎間盤的生物力學(xué)特性，以及人工腰椎間盤置換術(shù)前后腰椎的活動能力。

主要結(jié)果：

人工腰椎間盤優(yōu)化設(shè)計后的參數(shù)數(shù)據(jù)；人工腰椎間盤置換術(shù)前后腰椎的活動度對比結(jié)果，以及對手術(shù)療效的評價。

2.3 骨質(zhì)疏松癥患者腰椎的有限元分析

問題描述：

骨質(zhì)疏松癥是中老年人中極易發(fā)生的一種骨科疾病。骨質(zhì)疏松導(dǎo)致人體骨骼脆性增加和易發(fā)生骨折。骨質(zhì)疏松癥患者腰椎與正常人腰椎有何異常，其生物力學(xué)特性有何差異，這是腰椎類病引發(fā)的機(jī)理之一，也是醫(yī)患人員關(guān)注的熱點問題。

主要結(jié)果：

骨質(zhì)疏松癥患者與正常人腰椎三維有限元模型以及其生物力學(xué)特性。

2.4 腰椎蛻變及腰椎間盤突出的有限元分析

問題描述：

因腰椎的椎間盤組織需要承受人體的重量，所以勞損較其他組織重，長期機(jī)械負(fù)荷被認(rèn)為是導(dǎo)致椎間盤退變的重要原因，而腰椎間盤突出的病理基礎(chǔ)是腰椎間盤退變。腰椎間盤的蛻變及突出都會引起人體腰椎活動節(jié)段的能力下降。

主要結(jié)果：

腰椎蛻變及腰椎間盤突出后其應(yīng)力分布及形變以及腰椎整個結(jié)構(gòu)的活動度情況。

2.5 椎間盤摘除后腰椎生物力學(xué)分析

問題描述：

下腰痛是現(xiàn)代社會中一種常見病和多發(fā)病，是導(dǎo)致勞動力喪失的主要原因之一，而椎間盤退行性變是引起下腰痛的常見原因。目前常用的治療椎間盤退變的方法為椎間盤摘除，但手術(shù)的遠(yuǎn)期效果不佳，主要是椎間盤摘除改變了正常腰段脊柱的生理形態(tài)和生物力學(xué)機(jī)制。因此需要進(jìn)一步的具體研究椎間盤摘除后腰椎生物力學(xué)特性，以便為臨床手術(shù)提供指導(dǎo)。

主要結(jié)果：

腰椎間盤摘除后的三維有限元模型、垂直壓縮、前伸、后伸、側(cè)彎載荷作用下椎間盤摘除后運(yùn)動節(jié)段應(yīng)力與正常運(yùn)動節(jié)段的比較；

3、寰椎

寰椎：指高等脊椎動物的第一頸椎。寰椎成環(huán)形，沒有椎體、棘突和上關(guān)節(jié)突，而由前弓、后弓和兩個側(cè)塊構(gòu)成。側(cè)塊介于兩弓的側(cè)方，左右各一。每個側(cè)塊的上面皆有一個呈卵圓形的上關(guān)節(jié)面，上關(guān)節(jié)面特別大，與枕髁形成寰枕關(guān)節(jié)。其下面有一呈圓形的下關(guān)節(jié)面，與第2頸椎的上關(guān)節(jié)面相關(guān)節(jié)。此外，前弓的正中后部有一小關(guān)節(jié)面叫齒突凹，與第2頸椎的齒突相關(guān)節(jié)。

3.1 人體寰椎三維有限元模型建立

問題描述：

在脊柱損傷中，寰椎損傷所占比重特別大。由于寰椎深埋于頸部的肌肉中，其損傷多不是外力直接作用造成，而主要是由于交通事故、運(yùn)動等間接造成。因寰椎的位置較高，其損傷后所致枕頸不的不穩(wěn)對患者的影響較大，甚至危及生命。因此建立寰椎骨折等有限元模型來解釋其形成機(jī)制，指導(dǎo)手術(shù)非常必要。

主要結(jié)果：

人體正常寰椎的三維有限元模型；寰椎骨折、橫韌帶損傷等有限元模型。

3.2 不同寰椎固定方式有限元模擬

問題描述：

寰椎骨折及橫韌帶損傷都會影響寰椎的活動度及穩(wěn)定性，其治療方法一般采用固定寰椎結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行治療。不同的寰椎固定方式帶來的手術(shù)效果也不一樣，其中常用的有頭頸胸石膏固定、頭頸支具、Halo vest支架以及種植螺釘?shù)鹊?。寰椎固定后生物力學(xué)特性是評價手術(shù)成功與否的關(guān)鍵因素。

主要結(jié)果：

不同固定方式下寰椎有限元分析模型；寰椎固定后的穩(wěn)定性以及附近節(jié)段活動度。

4、踝骨及關(guān)節(jié)

踝關(guān)節(jié)是由脛、腓骨下端的關(guān)節(jié)面與距骨滑車構(gòu)成，故又名距骨小腿關(guān)節(jié)。脛骨的下關(guān)節(jié)面及內(nèi)、外踝關(guān)節(jié)面共同作成的“冂”形的關(guān)節(jié)窩，容納距骨滑車（關(guān)節(jié)頭），由于滑車關(guān)節(jié)面前寬后窄，當(dāng)足背屈時，較寬的前部進(jìn)入窩內(nèi)，關(guān)節(jié)穩(wěn)定；但在跖屈時，如走下坡路時滑車較窄的后部進(jìn)入窩內(nèi)，踝關(guān)節(jié)松動且能作側(cè)方運(yùn)動，此時踝關(guān)節(jié)容易發(fā)生扭傷，其中以內(nèi)翻損傷最多見，因為外踝比內(nèi)踝長而低，可阻止距骨過度外翻。

4.1 人體踝關(guān)節(jié)三維有限元模型建立

問題描述：

踝關(guān)節(jié)作為人體下肢的主要關(guān)節(jié)，是一個鉸鏈關(guān)節(jié)，主要功能為負(fù)重，由內(nèi)、外踝和距骨為界構(gòu)成的一個三面的踝穴組成。由于踝關(guān)節(jié)所處力學(xué)環(huán)境及其功能要求使得踝關(guān)節(jié)成為最易遭受損傷的關(guān)節(jié)之一。因此建立踝關(guān)節(jié)完整、損傷以及重建修復(fù)下等各種踝關(guān)節(jié)三維有限元模型以便進(jìn)行生物力學(xué)行為分析很有必要。

主要結(jié)果：

踝關(guān)節(jié)完好、踝關(guān)節(jié)損傷以及踝關(guān)節(jié)修復(fù)等各種情況下的三維有限元分析模型。

4.2 人踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶損傷的生物力學(xué)分析

問題描述：

踝關(guān)節(jié)韌帶損傷在臨床上十分常見，發(fā)生率在關(guān)節(jié)韌帶損傷中居第一位，其數(shù)量約占整個運(yùn)動損傷的25%，其中內(nèi)翻扭傷導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)外側(cè)副韌帶的損傷又約占踝關(guān)節(jié)韌帶損傷的85%。因此掌握人踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶損傷的生物力學(xué)行為來指導(dǎo)損傷后臨床治療至關(guān)重要。

主要結(jié)果：

踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶損傷三維有限元分析模型及生物力學(xué)特性。

4.3不同術(shù)式踝關(guān)節(jié)融合三維有限元模擬

問題描述：

在人工踝關(guān)節(jié)置換術(shù)尚未成熟的情況下，踝關(guān)節(jié)融合術(shù)仍是終末期骨關(guān)節(jié)炎治療的“金標(biāo)準(zhǔn)”。盡管踝關(guān)節(jié)融合手術(shù)已發(fā)展成為較為成熟的一種治療手段，但文獻(xiàn)報道仍有不愈合率在5%~37%，相對于外固定架、髓內(nèi)釘?shù)绕渌潭ㄐg(shù)式，加壓螺釘固定因其較高的融合率以及更少的并發(fā)癥一直被認(rèn)為是首先的融合術(shù)式。為了進(jìn)一步研究各種融合術(shù)式生物機(jī)制以及更好的指導(dǎo)臨床手術(shù)，對不同術(shù)式踝關(guān)節(jié)融合進(jìn)行數(shù)字仿真很有必要。

主要結(jié)果：

各類術(shù)式踝關(guān)節(jié)融合的三維有限元分析模型；不同融合術(shù)式下踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性。

5、頜骨

頜，構(gòu)成口腔上下部的骨頭和肌肉組織．上部叫上頜，下部叫下頜．頜部的骨頭為頜骨．它分為上頜骨和下頜骨。

5.1 人體上下頜骨三維有限元模型建立

問題描述：

快速、精確的三維有限元建模是進(jìn)行準(zhǔn)確計算的基礎(chǔ)，模型的幾何相似性、力學(xué)相似性網(wǎng)格的劃分直接影響生物力學(xué)的計算結(jié)果。下頜骨的結(jié)構(gòu)組成較復(fù)雜，幾何形態(tài)不規(guī)則，這給其三維有限元建模帶來了一定困難。因此，如何快速準(zhǔn)確的建立下頜骨三維有限元模型是進(jìn)行下頜骨生物力學(xué)分析的首要問題。

主要結(jié)果：

下頜骨三維有限元模型。

5.2 下頜支矢狀骨劈開術(shù)的數(shù)字仿真

問題描述：

近年來大量國內(nèi)外學(xué)者將計算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用于SSRO的臨床手術(shù)操作及基礎(chǔ)研究中，隨著有限元技術(shù)在骨創(chuàng)傷和骨愈合領(lǐng)域的應(yīng)用，使得對SSRO術(shù)后下頜骨各部位的應(yīng)力狀態(tài)可以進(jìn)行精確的分析。在建立完整下頜骨模型的前提下，利用三維建模軟件實現(xiàn)下頜骨失狀骨劈開術(shù)的模擬，結(jié)合有限元軟件進(jìn)行力學(xué)分析，以驗證手術(shù)方案的可行性。

主要結(jié)果：

失狀骨應(yīng)力、應(yīng)變、位移等信息

5.3 下頜骨體部缺損腓骨重建有限元分析

問題描述：

下頜骨體部缺損腓骨重建是下頜骨重建手術(shù)的重要方法之一，通過有限元模擬的結(jié)果，可以了解腓骨重建下頜骨后下頜骨及移植骨應(yīng)力分布特征，為臨床下頜骨修復(fù)重建提供力學(xué)參考。

主要結(jié)果：

下頜骨應(yīng)力、應(yīng)變、位移，骨連接處應(yīng)力、應(yīng)變、位移，手術(shù)鈦板、鈦釘應(yīng)力分布等信息

5.4 下頜切除手術(shù)模擬

問題描述：

下頜切除手術(shù)是目前較受歡迎的一種整形整容方式，利用有限元技術(shù)可以完成術(shù)前術(shù)后預(yù)測，對手術(shù)具有指導(dǎo)意義。

主要結(jié)果：

術(shù)后位移變形分布等信息。

5.5 考慮實體牙周膜時種植體作用下頜骨受力分析

問題描述：

種植體支抗技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新型支抗技術(shù)。由于微螺釘種植體植入?yún)^(qū)域選擇廣泛，從而為臨床矯治力系的選擇設(shè)計帶來靈活性。研究表明，牙周膜對牙體應(yīng)力具有一定緩沖作用，因此考慮實體牙周膜時種植體作用下頜骨受力分析，可以較好地反映牙齒受力瞬間的移動趨勢，以及牙周膜的受力情況，具有實用的指導(dǎo)意義。

主要結(jié)果：

牙周膜應(yīng)力分布，牙齒應(yīng)力、位移分布情況。

5.6 三維有限元法在頜間牽引方面的研究

問題描述：

在各類正畸力中，頜間牽引力是其中十分重要、應(yīng)用很普遍的一種。由于頜間牽引被普遍用于臨床，所以在其作用下頜骨及牙齒的受力反應(yīng)就成為正畸醫(yī)師應(yīng)該了解且迫切需要了解的問題，而牙齒及其頜骨的受力分析是一個非常復(fù)雜的問題，而臨床實驗的實現(xiàn)難度很大，因此結(jié)合有限元技術(shù)的數(shù)值仿真實驗成為攻破這一難題的有力工具。

主要結(jié)果：

下頜應(yīng)力、位移分布，牙齒、牙周膜應(yīng)力分布等結(jié)果。

6、其他骨骼及其相關(guān)醫(yī)療器械

6.1 安裝不同假體的膝關(guān)節(jié)受力分析

問題描述：

膝關(guān)節(jié)是人體最大、最重要和結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，人工膝關(guān)節(jié)置換是治療膝關(guān)節(jié)疾病最有效的方法。而三維有限元法是先進(jìn)而有效的生物力學(xué)分析方法，利用該方法從生物力學(xué)角度分析膝關(guān)節(jié)置換后的應(yīng)力分布情況對探討全膝關(guān)節(jié)置換有這重要意義。對膝關(guān)節(jié)假體的設(shè)計以及膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的研究均有積極的指導(dǎo)意義。

主要結(jié)果：

膝關(guān)節(jié)股骨、脛骨、軟骨、半月板的應(yīng)力、位移分布，假體應(yīng)力、接觸壓力分布等等。

6.2 髖部接骨板建模與模擬

問題描述：

利用三維建模軟件對髖部接骨板、鈦釘?shù)绕餍岛凸ぞ哌M(jìn)行建模，并對手術(shù)過程進(jìn)行模擬。

主要結(jié)果：

接骨板、鈦釘?shù)柔t(yī)療器械三維模型，手術(shù)流程動畫等等。

6.3 雙側(cè)股骨頭有限元分析

問題描述：

股骨聯(lián)接髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，是人體最大的骨頭，是人體正常運(yùn)動不可或缺的支撐和活動單元。運(yùn)用有限元技術(shù)可以得到以下實用信息：股骨力學(xué)性能研究，股骨應(yīng)力分析，預(yù)測股骨骨折發(fā)生的危險度及其好發(fā)部位，指導(dǎo)股骨骨折固定物的設(shè)計和改進(jìn)，手術(shù)評價與術(shù)式選擇。

主要結(jié)果：

股骨應(yīng)力、應(yīng)變、位移分布等結(jié)果，股骨相關(guān)醫(yī)療器械力學(xué)性能等等。

6.4 人工顳下頜關(guān)節(jié)重建髁突缺損的生物力學(xué)研究

問題描述：

對髁突高位切除后的人工顳下頜關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計和手術(shù)方式進(jìn)行生物力學(xué)研究，對開發(fā)新假體、指導(dǎo)手術(shù)都有指導(dǎo)價值。

主要結(jié)果：

下頜應(yīng)力、位移分布等結(jié)果。

6.5 股骨骨折固定有限元分析

問題描述：

股骨骨折是臨床上最常見骨折之一，股骨是人體最長、最大的骨骼，且是下肢主要負(fù)重骨之一，如果治療不當(dāng)，將引起下肢畸形及功能障礙。而有限元技術(shù)可以作為有效的工具輔助股骨骨折的力學(xué)分析，為手術(shù)方式和醫(yī)療器械的選取和使用提供技術(shù)支持。

主要結(jié)果：

股骨、骨折面的位移、應(yīng)力分布等結(jié)果。

6.6 骨骼有限元精確建模及骨水泥斷裂和疲勞損傷研究

問題描述：

利用模型重建、逆向工程、三維建模軟件進(jìn)行人體骨骼的精確建模，為后期的模擬做好預(yù)備工作，另外骨水泥作為一種用于骨科手術(shù)的醫(yī)用材料，在骨科領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，利用有限元技術(shù)可以對其使用強(qiáng)度和使用壽命進(jìn)行有效的分析。

主要結(jié)果：

人體各部分骨骼實體模型，骨水泥力學(xué)性能分析結(jié)果。

6.7 肌肉的三維有限模型的建立及分析

問題描述：

人體的生物力學(xué)是骨、關(guān)節(jié)、韌帶、肌肉和肌腱的機(jī)械力學(xué)作用的復(fù)雜組合，人體的任何動作都依賴于這些結(jié)構(gòu)，尤其是肌肉、肌腱和骨骼等基本組成結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)作用的發(fā)揮。當(dāng)涉及人體結(jié)構(gòu)復(fù)雜機(jī)理研究的時候，如足部和手部等，它們的骨骼、關(guān)節(jié)數(shù)目較多，是一個復(fù)合性的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在建模時要同時考慮到骨骼、韌帶及肌腱在生物力學(xué)中的作用，肌肉等軟組織結(jié)構(gòu)的建模就不能忽略，此時的建模和分析難度大大加深，但卻更加接近真實情況。

主要結(jié)果：

韌帶、關(guān)節(jié)、肌肉和肌腱模型，以及它們的力學(xué)性能和受力情形。

1：生物力學(xué)建模和有限元分析:一對一培訓(xùn)、一對多培訓(xùn)、咨詢答疑、純視頻教學(xué)。軟件包含了mimics、geomagic、solidworks、ANSYS，從建模到力學(xué)分析。上課時間很靈活，隨到隨學(xué)。

2：承接醫(yī)學(xué)有限元分析項目委托：頸椎、腰椎、肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、義齒、種植體、上下頜骨、黏膜、牙冠 、心血管、醫(yī)療器械等分析