本文采用三維有限元方法評價不同球-窩曲率半徑的ProDisc人工頸椎間盤在植入頸椎后的生物力學差異,為人工椎間盤的設計改進和臨床應用提供生物力學參考依據。首先建立C5-C6節段的三維有限元模型并驗證,同時建立曲率半徑分別為4、5和6 mm的人工頸椎間盤有限元模型并分別植入C5-C6節段,對所有置換模型都施加74 N的軸向壓縮預載荷和1.8 Nm的前屈/后伸、左右側彎和軸向旋轉力矩,進行有限元計算。計算結果顯示球窩結構的曲率半徑會改變植入節段的屈伸關節活動度,而在其他載荷下差異不明顯。增大曲率半徑可改善聚乙烯內襯應力集中現象,但同時也會伴隨小關節力、韌帶張力增大的不良結果。因此,人工椎間盤的設計應綜合考慮保留運動節段的關節活動度同時又不致小關節、韌帶、聚乙烯等的應力過大,以免影響長期臨床效果。
體外沖擊波是治療骨關節炎的一種有效方法, 研究骨結構對體外沖擊波治療的影響以及進一步提高體外沖擊波治療療效都具有重要的應用價值。本文建立了沖擊波治療骨關節炎的有限元模型, 并制作人工骨結構及高速攝像系統對模型加以驗證, 證明所建立模型的有效性。最后利用所建的模型, 預測了沖擊波治療骨關節時的能量分布。結果表明骨結構的存在會使得沖擊波治療時能量產生折射, 且折射角與骨結構的位置相關。有限元方法結合磁共振/計算機斷層掃描成像可以更好地保障體外沖擊波治療骨關節炎的治療劑量及精度。
為了探索磁探測電阻抗成像應用于肺部呼吸監測中的可行性，針對新型磁探測電阻抗成像技術的正問題，以真實人體肺部數據構建成像體物理模型，采用了有限元方法得到成像體內部的電勢和電流密度分布，然后根據畢奧-薩伐爾定律分別獲得呼氣末與吸氣末成像體外部的磁感應強度仿真數據。結果表明，吸氣末時成像體周圍的磁感應強度值比呼氣末小 8.875%。研究結果顯示了呼吸時由于肺容積、電導率的不同而導致周圍磁感應強度的差異等信息，為后續磁探測電阻抗成像的圖像重建以及臨床疾病檢測奠定了基礎。
改良電休克和磁休克均是重度抑郁癥的有效治療方法，改良電休克治療療效較好但會使患者產生認知和記憶障礙的副作用，而磁休克治療幾乎不會產生副作用，但療效相比于改良電休克較弱。為研究造成這兩種不同結果的原因，本文對比了改良電休克和磁休克治療方法在真實大腦中產生的電場強度及其空間分布的差異，并通過有限元方法對由磁共振成像得到的真實頭模型進行改良電休克和磁休克治療的電場強度仿真計算。改良電休克治療仿真的電極位置使用雙邊刺激的標準位置，磁休克治療仿真的線圈形狀為圓形線圈。使用電場強度與神經激活閾值的比值分布評估大腦中的刺激強度及刺激的聚焦性。結果顯示，改良電休克治療在腦區中產生的刺激強度比磁休克治療更強，且激活腦區范圍更廣；其在灰質區域的刺激強度是磁休克治療的 17.817 倍，在白質區域的刺激強度是磁休克治療的 23.312 倍，在海馬組織中產生的刺激強度是磁休克治療的 35.162 倍。改良電休克治療激活了超過 99.999% 的腦區，然而磁休克治療只激活了 0.700% 的腦區。因此，與磁休克治療相比，在腦區中產生的刺激強度更強、激活腦區范圍更廣可能是改良電休克治療療效更好的原因。另一方面，改良電休克治療在海馬組織中產生的高強度刺激可能是造成認知和記憶障礙副作用的原因。基于本文研究結果，期待未來可以研究更精確的臨床量化治療方案。