骨科有限元分析介绍

1、颈椎

颈椎，指颈椎骨。颈椎位于头以下、胸椎以上的部位。颈椎共有七块颈椎骨组成，除第一颈椎和第二颈椎外，其他颈椎之间都夹有一个椎间盘，加上第七颈椎和第一胸椎之间的椎间盘，颈椎共有6个椎间盘。每个颈椎都由椎体和椎弓两部分组成。椎体呈椭圆形的柱状体，与椎体相连的是椎弓，二者共同形成椎孔。所有的椎孔相连就构成了椎管，脊髓就容纳其中。

颈椎又是脊柱椎骨中体积最小，但灵活性最大、活动频率最高、负重较大的节段。            

1.1  人体颈椎（一节与多阶段）三维有限元模型的建立

问题描述：

颈椎三维有限元模型的建立是各类有关颈椎生物力学问题分析的基础，根据研究问题目的不同，可以分别建立单一椎体或者多阶段椎体有限元分析模型，甚至在此基础上增加肌肉作用，为精确研究各类颈椎生物力学问题提供了保证。

主要结果：

单一椎体、多阶段椎体以及包含肌肉作用的各种三维有限元分析模型。

1.2  人工椎间盘置换术前后颈椎活动能力的有限元分析

问题描述：

人工椎间盘置换术在颈椎病患者中颇受欢迎，且疗效满意。这主要取决于手术后患者颈椎活动能力的提高。通过对椎间盘及椎体内应力的改变的研究，可以评价人工椎间盘置换术对颈椎节段活动及临近节段的生物力学特性的影响。也为临床手术疗效的预测提供参考。

主要结果：

人工椎间盘临近节段的椎间盘及椎体内应力大小及改变情况，人工椎间盘置换术后颈椎活动能力的评价。

1.3  椎板切除后的生物力学特性分析

问题描述：

颈椎椎板切除减压术通过切除双侧椎板达到减压或暴露椎管的目的。由于此术对颈椎结构破坏较大，故相应的颈椎生物力学改变在所难免，导致术后远期易引起颈椎后凸畸形，对其产生的机理需有待研究。

主要结果：

椎板切除前后，颈椎的稳定性及各部分韧带的受力情况，以及椎板切除前后，颈椎结构的活动度。

1.4  小关节切除术对颈椎生物力学的影响

问题描述：

脊柱小关节不但控制活动节段的运动方向，而且还有重要的承载功能。因此不同程度的小关节切除后对颈椎段的生物力学特性和稳定性有何影响是医患人员关注的重点。通过建立小关节切除前后的颈椎有限元模型进行对比分析获得影响结果。

主要结果：

小关节切除前后的三维有限元分析模型；切除小关节后颈椎的应力情况，以及颈椎的稳定性情况。

1.5  颈椎椎体的爆裂骨折的三维有限元分析

问题描述：

   随着交通和建筑业的发展，颈椎损伤有渐增的趋势，颈椎爆裂骨折就是其中一种。通过分别测定颈椎爆裂骨折前后的运动变化，可以为治疗颈椎损伤提供一些生物力学依据。

主要结果：

   正常颈椎关节的活动度以及爆裂骨折后颈椎关节的活动度。

2、腰椎

   腰椎：椎体较大；棘突板状水平伸向后方，相邻棘突间间隙宽，可作腰椎穿刺用，关节突关节面呈矢状位。人体有五个腰椎，每一个腰椎由前方的椎体和后方的附件组成。椎板内缘成弓形，椎弓与椎体后缘围成椎孔，上下椎孔相连，形成椎管，内有脊髓和神经通过，两个椎体之间的联合部分就是椎间盘。它是由纤维环和髓核两部分组成。髓核位于椎间盘的

中央，它是一种富含水分、呈胶冻状的弹性蛋白。在髓核的周围是纤维环，一层层的纤维环把两个椎体连接在一起，并把髓核牢牢地固定在中央。

2.1  人体腰椎三维有限元模型的建立

问题描述：

   腰椎一般由椎体、椎弓根、椎工板、横突、乳突、棘突和锥孔等部分组成，因此结构极其杂。而研究腰椎病的机理需要准确的三维有限元分析模型，因此精确建立腰椎三维有限元模型是一项重大而艰巨的任务。

主要结果：

单一椎体、多阶段椎体以及包含肌肉作用的各种腰椎三维有限元分析模型。

2.2  人工腰椎间盘置换术前后腰椎活动能力的有限元分析

问题描述：

人工椎间盘置换术不仅在颈椎病中得到应用，在腰椎病中也得到了很好的应用。为了让人工腰椎间盘置换术在临床上取得更好的疗效，就必须要了解人工腰椎间盘的生物力学特性，以及人工腰椎间盘置换术前后腰椎的活动能力。

主要结果：

   人工腰椎间盘优化设计后的参数数据；人工腰椎间盘置换术前后腰椎的活动度对比结果，以及对手术疗效的评价。

2.3  骨质疏松症患者腰椎的有限元分析

问题描述：

   骨质疏松症是中老年人中极易发生的一种骨科疾病。骨质疏松导致人体骨骼脆性增加和易发生骨折。骨质疏松症患者腰椎与正常人腰椎有何异常，其生物力学特性有何差异，这是腰椎类病引发的机理之一，也是医患人员关注的热点问题。

主要结果：

  骨质疏松症患者与正常人腰椎三维有限元模型以及其生物力学特性。

2.4  腰椎蜕变及腰椎间盘突出的有限元分析

问题描述：

   因腰椎的椎间盘组织需要承受人体的重量，所以劳损较其他组织重，长期机械负荷被认为是导致椎间盘退变的重要原因，而腰椎间盘突出的病理基础是腰椎间盘退变。腰椎间盘的蜕变及突出都会引起人体腰椎活动节段的能力下降。

主要结果：

   腰椎蜕变及腰椎间盘突出后其应力分布及形变以及腰椎整个结构的活动度情况。

2.5  椎间盘摘除后腰椎生物力学分析

问题描述：

   下腰痛是现代社会中一种常见病和多发病，是导致劳动力丧失的主要原因之一，而椎间盘退行性变是引起下腰痛的常见原因。目前常用的治疗椎间盘退变的方法为椎间盘摘除，但手术的远期效果不佳，主要是椎间盘摘除改变了正常腰段脊柱的生理形态和生物力学机制。因此需要进一步的具体研究椎间盘摘除后腰椎生物力学特性，以便为临床手术提供指导。

主要结果：

   腰椎间盘摘除后的三维有限元模型、垂直压缩、前伸、后伸、侧弯载荷作用下椎间盘摘除后运动节段应力与正常运动节段的比较；

3、寰椎

   寰椎：指高等脊椎动物的第一颈椎。寰椎成环形，没有椎体、棘突和上关节突，而由前弓、后弓和两个侧块构成。侧块介于两弓的侧方，左右各一。每个侧块的上面皆有一个呈卵圆形的上关节面，上关节面特别大，与枕髁形成寰枕关节。其下面有一呈圆形的下关节面，与第2颈椎的上关节面相关节。此外，前弓的正中后部有一小关节面叫齿突凹，与第2颈椎的齿突相关节。

3.1  人体寰椎三维有限元模型建立

问题描述：

   在脊柱损伤中，寰椎损伤所占比重特别大。由于寰椎深埋于颈部的肌肉中，其损伤多不是外力直接作用造成，而主要是由于交通事故、运动等间接造成。因寰椎的位置较高，其损伤后所致枕颈不的不稳对患者的影响较大，甚至危及生命。因此建立寰椎骨折等有限元模型来解释其形成机制，指导手术非常必要。

主要结果：

   人体正常寰椎的三维有限元模型；寰椎骨折、横韧带损伤等有限元模型。

3.2  不同寰椎固定方式有限元模拟

问题描述：

   寰椎骨折及横韧带损伤都会影响寰椎的活动度及稳定性，其治疗方法一般采用固定寰椎结构方式进行治疗。不同的寰椎固定方式带来的手术效果也不一样，其中常用的有头颈胸石膏固定、头颈支具、Halo vest支架以及种植螺钉等等。寰椎固定后生物力学特性是评价手术成功与否的关键因素。

主要结果：

   不同固定方式下寰椎有限元分析模型；寰椎固定后的稳定性以及附近节段活动度。

4、踝骨及关节

踝关节是由胫、腓骨下端的关节面与距骨滑车构成，故又名距骨小腿关节。胫骨的下关节面及内、外踝关节面共同作成的“冂”形的关节窝，容纳距骨滑车（关节头），由于滑车关节面前宽后窄，当足背屈时，较宽的前部进入窝内，关节稳定；但在跖屈时，如走下坡路时滑车较窄的后部进入窝内，踝关节松动且能作侧方运动，此时踝关节容易发生扭伤，其中以内翻损伤最多见，因为外踝比内踝长而低，可阻止距骨过度外翻。

4.1  人体踝关节三维有限元模型建立

问题描述：

   踝关节作为人体下肢的主要关节，是一个铰链关节，主要功能为负重，由内、外踝和距骨为界构成的一个三面的踝穴组成。由于踝关节所处力学环境及其功能要求使得踝关节成为最易遭受损伤的关节之一。因此建立踝关节完整、损伤以及重建修复下等各种踝关节三维有限元模型以便进行生物力学行为分析很有必要。

主要结果：

   踝关节完好、踝关节损伤以及踝关节修复等各种情况下的三维有限元分析模型。

4.2  人踝关节外侧韧带损伤的生物力学分析

问题描述：

   踝关节韧带损伤在临床上十分常见，发生率在关节韧带损伤中居第一位，其数量约占整个运动损伤的25%，其中内翻扭伤导致踝关节外侧副韧带的损伤又约占踝关节韧带损伤的85%。因此掌握人踝关节外侧韧带损伤的生物力学行为来指导损伤后临床治疗至关重要。

主要结果：

   踝关节外侧韧带损伤三维有限元分析模型及生物力学特性。

4.3不同术式踝关节融合三维有限元模拟

问题描述：

   在人工踝关节置换术尚未成熟的情况下，踝关节融合术仍是终末期骨关节炎治疗的“金标准”。尽管踝关节融合手术已发展成为较为成熟的一种治疗手段，但文献报道仍有不愈合率在5%~37%，相对于外固定架、髓内钉等其他固定术式，加压螺钉固定因其较高的融合率以及更少的并发症一直被认为是首先的融合术式。为了进一步研究各种融合术式生物机制以及更好的指导临床手术，对不同术式踝关节融合进行数字仿真很有必要。

主要结果：

   各类术式踝关节融合的三维有限元分析模型；不同融合术式下踝关节的生物力学特性。

5、颌骨

   颌，构成口腔上下部的骨头和肌肉组织．上部叫上颌，下部叫下颌．颌部的骨头为颌骨．它分为上颌骨和下颌骨。

5.1  人体上下颌骨三维有限元模型建立

问题描述：

快速、精确的三维有限元建模是进行准确计算的基础，模型的几何相似性、力学相似性网格的划分直接影响生物力学的计算结果。下颌骨的结构组成较复杂，几何形态不规则，这给其三维有限元建模带来了一定困难。因此，如何快速准确的建立下颌骨三维有限元模型是进行下颌骨生物力学分析的首要问题。

主要结果：

   下颌骨三维有限元模型。

5.2  下颌支矢状骨劈开术的数字仿真

问题描述：

近年来大量国内外学者将计算机数字仿真技术应用于SSRO的临床手术操作及基础研究中，随着有限元技术在骨创伤和骨愈合领域的应用，使得对SSRO术后下颌骨各部位的应力状态可以进行精确的分析。在建立完整下颌骨模型的前提下，利用三维建模软件实现下颌骨失状骨劈开术的模拟，结合有限元软件进行力学分析，以验证手术方案的可行性。

主要结果：

失状骨应力、应变、位移等信息

5.3  下颌骨体部缺损腓骨重建有限元分析

问题描述：

下颌骨体部缺损腓骨重建是下颌骨重建手术的重要方法之一，通过有限元模拟的结果，可以了解腓骨重建下颌骨后下颌骨及移植骨应力分布特征，为临床下颌骨修复重建提供力学参考。

主要结果：

下颌骨应力、应变、位移，骨连接处应力、应变、位移，手术钛板、钛钉应力分布等信息

5.4  下颌切除手术模拟

问题描述：

下颌切除手术是目前较受欢迎的一种整形整容方式，利用有限元技术可以完成术前术后预测，对手术具有指导意义。

主要结果：

术后位移变形分布等信息。

5.5  考虑实体牙周膜时种植体作用下颌骨受力分析

问题描述：

种植体支抗技术是近年来出现的一种新型支抗技术。由于微螺钉种植体植入区域选择广泛，从而为临床矫治力系的选择设计带来灵活性。研究表明，牙周膜对牙体应力具有一定缓冲作用，因此考虑实体牙周膜时种植体作用下颌骨受力分析，可以较好地反映牙齿受力瞬间的移动趋势，以及牙周膜的受力情况，具有实用的指导意义。

主要结果：

牙周膜应力分布，牙齿应力、位移分布情况。

5.6  三维有限元法在颌间牵引方面的研究

问题描述：

在各类正畸力中，颌间牵引力是其中十分重要、应用很普遍的一种。由于颌间牵引被普遍用于临床，所以在其作用下颌骨及牙齿的受力反应就成为正畸医师应该了解且迫切需要了解的问题，而牙齿及其颌骨的受力分析是一个非常复杂的问题，而临床实验的实现难度很大，因此结合有限元技术的数值仿真实验成为攻破这一难题的有力工具。

主要结果：

下颌应力、位移分布，牙齿、牙周膜应力分布等结果。

6、其他骨骼及其相关医疗器械

6.1  安装不同假体的膝关节受力分析

问题描述：

膝关节是人体最大、最重要和结构最复杂的关节之一，人工膝关节置换是治疗膝关节疾病最有效的方法。而三维有限元法是先进而有效的生物力学分析方法，利用该方法从生物力学角度分析膝关节置换后的应力分布情况对探讨全膝关节置换有这重要意义。对膝关节假体的设计以及膝关节置换手术的研究均有积极的指导意义。

主要结果：

膝关节股骨、胫骨、软骨、半月板的应力、位移分布，假体应力、接触压力分布等等。

6.2  髋部接骨板建模与模拟

问题描述：

利用三维建模软件对髋部接骨板、钛钉等器械和工具进行建模，并对手术过程进行模拟。

主要结果：

接骨板、钛钉等医疗器械三维模型，手术流程动画等等。

6.3  双侧股骨头有限元分析

问题描述：

股骨联接髋关节和膝关节，是人体最大的骨头，是人体正常运动不可或缺的支撑和活动单元。运用有限元技术可以得到以下实用信息：股骨力学性能研究，股骨应力分析，预测股骨骨折发生的危险度及其好发部位，指导股骨骨折固定物的设计和改进，手术评价与术式选择。

主要结果：

股骨应力、应变、位移分布等结果，股骨相关医疗器械力学性能等等。

6.4  人工颞下颌关节重建髁突缺损的生物力学研究

问题描述：

对髁突高位切除后的人工颞下颌关节进行设计和手术方式进行生物力学研究，对开发新假体、指导手术都有指导价值。

主要结果：

下颌应力、位移分布等结果。

6.5  股骨骨折固定有限元分析

问题描述：

股骨骨折是临床上最常见骨折之一，股骨是人体最长、最大的骨骼，且是下肢主要负重骨之一，如果治疗不当，将引起下肢畸形及功能障碍。而有限元技术可以作为有效的工具辅助股骨骨折的力学分析，为手术方式和医疗器械的选取和使用提供技术支持。

主要结果：

股骨、骨折面的位移、应力分布等结果。

6.6  骨骼有限元精确建模及骨水泥断裂和疲劳损伤研究

问题描述：

利用模型重建、逆向工程、三维建模软件进行人体骨骼的精确建模，为后期的模拟做好预备工作，另外骨水泥作为一种用于骨科手术的医用材料，在骨科领域起着至关重要的作用，利用有限元技术可以对其使用强度和使用寿命进行有效的分析。

主要结果：

人体各部分骨骼实体模型，骨水泥力学性能分析结果。

6.7  肌肉的三维有限模型的建立及分析

问题描述：

人体的生物力学是骨、关节、韧带、肌肉和肌腱的机械力学作用的复杂组合，人体的任何动作都依赖于这些结构，尤其是肌肉、肌腱和骨骼等基本组成结构的生物力学作用的发挥。当涉及人体结构复杂机理研究的时候，如足部和手部等，它们的骨骼、关节数目较多，是一个复合性的机械结构，在建模时要同时考虑到骨骼、韧带及肌腱在生物力学中的作用，肌肉等软组织结构的建模就不能忽略，此时的建模和分析难度大大加深，但却更加接近真实情况。

主要结果：

韧带、关节、肌肉和肌腱模型，以及它们的力学性能和受力情形。