目的建立一個包括后外側復合體（posterolateral complex，PLC）的完整膝關節三維有限元模型，并在該模型上進行模擬重建生物力學分析。 方法以1名26歲男性志愿者為實驗對象，MRI掃描膝關節，獲得膝關節冠狀位、矢狀位和橫軸位圖像數據。應用Mimics 10.01、Hyperworks 8.0等軟件在二維圖像數據上提取膝關節各個切片輪廓數據，分別建立骨組織、半月板、關節軟骨和韌帶的三維模型，在此基礎上應用Unigraphics NX 4.0軟件的網格劃分、材料屬性定義、部件連接、接觸定義功能建立包括PLC的膝關節三維有限元模型。對模型進行位移測試并用于PLC模擬重建生物力學分析。 結果成功制備包括PLC的膝關節三維有限元模型。在134 N前向力作用下，脛骨向前位移為4.83 mm。于膝關節三維有限元模型上進行PLC模擬重建生物力學分析，在10 N·m內翻和外旋力矩作用工況下，模擬重建后膝關節內翻和外旋角度均大于PLC完整時，并且都小于PLC缺失時。 結論采用逆向工程學原理可建立包括PLC的膝關節三維有限元模型，且該模型有效，可作為PLC模擬重建生物力學分析的基礎模型。
目的 建立精細人體全骨盆及髖臼周圍腫瘤缺損后重建的三維有限元模型，探討腓骨移植聯合3 種不同內固定重建骨盆環后的應力分布規律。 方法 采集1 例35 歲正常男性L3 至股骨中段、單側腓骨及內固定系統的CT數據集，建立人體全骨盆及髖臼周圍腫瘤切除后腓骨移植聯合鋼板（Plates）、椎弓根棒（pedicle-rods，PR）、骶髂棒（sacraliliac rods，SIR）3 種內固定方式模擬重建的有限元模型。模擬雙腿站立位，L3 椎體表面施加500 N 的垂直載荷，分析重建后的骨盆、移植腓骨及內固定系統的應力分布情況，并進行評價。 結果 建立了髖臼周圍腫瘤切除后腓骨重建的有限元模型。移植腓骨應力集中多發生在與宿主骨接合處附近，不同內固定系統中，Plates 與螺釘或鈦棒與螺釘接合部分易發生應力集中；Plates 重建時，移植腓骨及健側股骨頸應力較少發生應力集中；SIR 重建時，移植腓骨及健側骨盆應力集中最明顯。 結論 游離腓骨移植、Plates 內固定重建骨盆應力分布與完整狀態趨于一致，是修復髖臼周圍腫瘤切除術后骨缺損的較好方法；有限元模型可作為骨盆生物力學研究的工具。
目的 建立精細下頸椎及三柱損傷后重建的三維有限元模型，探討兩種不同內固定系統重建下頸椎穩定性后的應力分布規律。 方法 采集1 例27 歲正常男性志愿者下頸椎（C3 ～ 7）CT 數據集，應用Mimics 10.01、Geomagic Studio10.0、HyperMesh10.0、Abaqus 6.9.1 軟件建立下頸椎（C3 ～ 7）完整模型、三柱損傷模型、側塊螺釘內固定（lateral mass screw fixation，LSF）系統重建模型和經關節突螺釘內固定（transarticular screw fixation，TSF）系統重建模型。模擬施加75 N 頭顱預載荷和1.0 N?m 純力矩，使模型產生前屈、后伸、側屈和旋轉運動，采用Von Mises 應力峰值分析LSF 和TSF 系統重建螺釘應力分布。 結果 實驗成功建立了正常人C3 ～ 7 三維有限元模型，共包括177 944 個單元，35 668 個節點。該模型在前屈、后伸、側屈和旋轉模擬狀態下的椎間運動范圍（角度）與既往文獻實測結果吻合，提示其符合正常人體參數，可用于下一步實驗研究。實驗成功建立了三柱損傷模型和內固定模型，其中LSF 組Von Mises 應力集中于鈦棒與螺釘接合部分，TSF 組應力集中于螺釘中部。在各種工況下TSF 組的Von Mises 應力峰值明顯高于LSF 組。 結 論 作為頸椎后路不同的穩定性重建技術，TSF 系統較LSF 系統有更高斷釘風險。
為了驗證汽車碰撞過程中人體頸部的損傷情況,建立了人體頸椎C4-C6部分有限元生物力學模型,模型組織包括皮質骨、松質骨、纖維環、髓核、韌帶以及關節面,并在各組織接觸部位設置了接觸,以便更好地模擬模型在前沖擊下的運動趨勢。對模型施加前沖擊載荷,研究各組織的應力及應變分布情況。經過驗證,模型在前沖擊過程中,其位移模擬數據基本在實驗數據區間范圍內,模擬了頸椎C4-C6部分在前沖擊載荷下的運動趨勢,具有較好的生物逼真度,基本反映了人體頸部沖擊動力學響應。
研究人體頸椎及相關疾病生物力學機制,創建一個解剖精細、非線性的正常人全頸椎(C0~T1)三維有限元模型。模型基于1例女性健康志愿者頸椎CT數據建立,采用MIMICS13.1、Hypermesh11.0、Abaqus 6.12-1等有限元軟件依次創建、預處理、運算和分析。在生理靜態載荷下分別模擬頸椎活動(前屈、后伸、側彎和旋轉),觀察應力集中部位;測量相鄰椎體相對活動度(ROM)。本模型經文獻中ROM結果驗證可靠;預測生理載荷下枕骨大孔前部及側部是上頸椎的應力集中點;中下段頸椎的應力集中點大部分為活動方向對側的椎弓根和小關節突。全頸椎(C0~T1)非線性有限元模型的建立,可以為深入了解頸椎及其相關疾病的生物力學機制提供更理想的理論研究平臺。
本研究為了探討頭部尺寸及腦組織材料參數對頭部轉動響應的影響, 采用實驗設計的方法, 應用已驗證的3歲、6歲兒童和第50百分位成人頭部有限元模型進行轉動仿真。研究結果表明:在相同的轉動載荷條件下, 頭部尺寸及轉動方向對頭部轉動響應不具有顯著影響, 腦組織黏彈性材料的各個參數對頭部轉動響應的影響也不顯著, 但相對于衰減常數和體積模量, 頭部轉動響應對腦組織剪切模量最為敏感。所以, 在研究轉動載荷條件下的腦損傷標準時, 腦組織材料參數的選取對仿真結果的準確性尤為重要。
本研究基于計算機斷層掃描(CT)圖像數據建立并驗證正常人頸椎C4~7三維有限元模型, 為研究中醫手法治療頸椎慢性疾病的生物力學機制提供模型平臺。基于受試者頸部CT圖像, 依次運用Mimics 17.0、Geomagic 12.0及Abaqus 6.13等軟件創建正常人C4~7節段有限元模型。在模型上分別模擬前屈、后伸、左右側彎和左右旋轉工況, 計算椎體間相對動度(ROM), 將計算的結果與文獻結果進行對比分析, 并觀察模型在1 Nm載荷下6種工況下模型的主要應力分布情況。本研究成功建立了正常人頸椎C4~7三維有限元模型, 共包含591 459單元、121 446節點, 模擬了椎體、椎間盤、韌帶、關節等幾何結構與材料特性。模型在前后屈伸、左右側彎和左右旋轉6種工況下的ROM與實驗研究數據基本一致, 在1 Nm扭矩或彎矩載荷下, 模型主要應力分布基本反映了正常人頸椎生理活動時的主要應力分布情況。本研究建立的正常人頸椎C4~7三維有限元模型精確逼真, 符合頸椎的生物力學特性, 可用于研究中醫手法治療頸椎慢性疾病的生物力學分析。
由于可用于實驗的兒童尸體的缺乏，采用具有較高生物仿真度的胸部有限元模型是研究兒童胸部損傷機理的重要手段。在已驗證有效性的 6 歲兒童胸部有限元模型基礎上構建了等效肌肉模型和具有真實幾何形狀的肌肉模型，通過重構兒童胸部正碰尸體實驗分析肌肉生物仿真度對胸部損傷的影響。對比實驗結果表明，等效肌肉模型的胸部接觸力、胸部最大壓縮量和肋骨最大范梅塞斯應力稍大于真實肌肉模型；心臟和肺的最大主應變都略小于真實肌肉模型；真實肌肉模型曲線與尸體實驗通道的相關性要大于等效肌肉模型。通過以上對比，本文研究結果認為具有真實幾何形狀肌肉的兒童胸部有限元模型應該能更準確地反映胸部受到碰撞時的生物力學響應。
基于已驗證有效的 3 歲組和 6 歲組兒童乘員胸腹部有限元模型，本文重構了兒童尸體胸部撞擊實驗。通過合理設計有限元仿真實驗方案，探討了撞錘大小、胸部組織材料參數和胸部解剖學結構特征參數等因素對 3 歲、6 歲兩組兒童胸部碰撞響應的影響。研究結果表明，針對不同大小的撞錘沖擊時，3 歲組兒童胸部接觸力峰值變化量遠大于 6 歲組，對撞錘改變的響應更敏感；而針對胸部組織材料參數的不同，由于本研究中 3 歲組和 6 歲組兒童胸部組織材料參數差異較小，其對胸部損傷響應的影響不明顯；針對胸部解剖學結構特征參數而言，3 歲組和 6 歲組兒童胸部因內臟大小、位置等幾何解剖學結構的不同，導致碰撞時肋骨變形對內臟擠壓位置和擠壓程度不同，從而其胸部損傷有明顯不同。因此通過本文的研究結果可以得出以下結論，根據兒童解剖學結構特征構建高生物仿真度的有限元模型對研究其胸部損傷機理具有重要意義。
下肢截肢后殘肢的肌肉萎縮對患者康復十分不利。為探明殘肢肌肉萎縮的生物力學機制，本研究利用大腿截肢患者殘肢的磁共振斷層影像（MRI），建立了包含肌肉、骨骼以及主要血管的殘肢有限元模型，研究分析了下肢假肢接受腔對殘肢軟組織及血管的生物力學影響。結果發現，旋股外側動脈降支因擠壓而發生的狹窄最為嚴重，股深動脈的狹窄則相對較小；旋股外側靜脈的降支、股靜脈、股深靜脈狹窄的程度依次降低，大隱靜脈的狹窄程度較為嚴重。前側肌群中應力應變最高；下側肌群在股骨的末端處出現應力集中，并且其他生物力學指標在下側區域中也相對較高。本研究在一定程度上揭示了接受腔對血管的擠壓是導致肌肉萎縮的重要原因，這為進一步研究殘肢肌肉的萎縮機制和采取有效的預防措施提供了理論參考。