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个体化股骨模型的建立及股骨颈骨折几种内固定的生物力学分析

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个体化股骨模型的建立及股骨颈骨折几种内固定的生物力学分析

作者：杨阳天津医科大学

学位级别：硕士

目的：探讨不同混合比例聚甲基丙烯酸甲酯的力学性能差异。方法：在室温25℃环境下,将自凝牙托粉与牙托水分别按质量体积比1.5：1,1：1,1：1.25,1：1.5,1：1.75,1：2这6种不同混合比例调和,调配时搅拌速率为60次／分。当牙托水基本... 详细信息

目的：探讨不同混合比例聚甲基丙烯酸甲酯的力学性能差异。方法：在室温25℃环境下,将自凝牙托粉与牙托水分别按质量体积比1.5：1,1：1,1：1.25,1：1.5,1：1.75,1：2这6种不同混合比例调和,调配时搅拌速率为60次／分。当牙托水基本与牙托粉结合,无多余牙托水存在,黏着感消失时,即为填塞型盒最适宜时期,此时将混合材料充入直径13 mm、长度100mm的模具中,分别制作出外形相同的聚甲基丙烯酸甲酯试件,对其进行压缩、拉伸和三点弯实验,直至屈服或破裂。结果：牙托粉与牙托水比例1.5：1,1：1组的抗压强度无明显差异（P=0.326）,但均显著高于后4组（P＜0.01）;后3组的抗压强度无明显差异（P＞0.05）。牙托粉与牙托水比例1.5：1,1：1,1：1.25组的抗拉强度无明显差异（P＞0.05）,但均显著高于后3组（P＜0.01）。后3组的抗拉强度无明显差异（P＞0.05）。随着牙托粉与牙托水的比例越来越小,其挠度值逐渐增大,说明韧性越来越好。从前5组来看,随着牙托粉与牙托水的比例越来越小,其弹性模量值逐渐缩小说明试件的刚性越来越差（P＜0.01）。结论：聚甲基丙烯酸甲酯具有较高的强度和刚度,不同混合比例聚甲基丙烯酸甲酯的力学性能有明显差异。随着牙托粉与牙托水的混合比例逐渐缩小,聚合后液态单体的剩余量就越多,其抗压强度、抗拉强度和弹性模量值就越小。目的：寻找一种精确建立个体化股骨模型的方法。方法：在天津医科大学总医院选取健康男性志愿者1例,采用16排螺旋CT对全股骨沿横断面连续扫描,在Mimics中重建符合Dicom 3.0标准的CT图像,用UG软件对工件进行分型,用cimatron数控编程软件排序,而后设置数控加工原点坐标系,装夹、校正工件并生成刀轨制作出模具。通过点云的方法比较模具制作出的模型和原股骨。结果：制作出了个体化的股骨模型,点云比较结果显示误差在允许的范围内。结论：此建立股骨模型的方法是可取的,能够实现预定的要求。目的：对治疗股骨颈骨折的几种常用内固定器进行生物力学对比,为临床选择理想的内固定器提供理论依据。方法：利用聚甲基丙烯酸甲酯（poly methylmethacrylate, PMMA）制作人工股骨模型12个,按照人体股骨颈骨折时最常见的Pauwels 70°角用电锯锯断,造成内收型股骨颈骨折模型。将骨折标本解剖复位后,按手术操作方法用DHS、三枚空心镙钉、PFN和动态套筒式三翼钉不同植入物加以内固定。标本模拟人体单足站立位固定于Instron-8874液压伺服力学实验测试机上,选择股骨近端15个点作为应变测试点,以10 mm/min加载速度、线性载荷0～1200 N分级加载,测定各组于1200 N载荷下各点的应变值、不同载荷下头下沉位移和主压力侧8点的应变值。结果：1200N载荷下各组均在8点处出现峰值,DHS组、三枚空心钉组、PFN组和动态套筒式三翼钉组应变值分别为（-700±35）、（-756±14）、（-1362±136）和（3024±127）με,两两比较差异均有统计学意义（P＜0.01）。同一载荷下,动态套筒式三翼钉组股骨头下沉位移大于空心钉组和PFN组（P＜0.01）,但小于DHS组（P＜0.01）。同一载荷下,动态套筒式三翼钉组在主压力侧8点处的应变值均比其他三组的应变值大,其差异均有统计学意义（P＜0.01）;同一固定组,随着载荷的增大,应变值也是逐渐增大的。结论：动态套筒式三翼钉固定股骨颈骨折稳定可靠。从生物力学角度可以推广使用。

关键词：聚甲基丙烯酸甲酯混合比例力学个体化股骨模型数字化医学三维重建股骨颈骨折 DHS 空心螺钉 PFN 动态套筒式三翼钉生物力学

基于CAD/CAM软件的股骨模型三维重建及数控加工

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机械制造与自动化 2011年第3期40卷 123-126页

作者：陈海峰刘浩南京航空航天大学航空宇航制造工程学院江苏南京210016

运用通用CAD/CAM软件Mimics,Imageware,CATIA,对股骨模型进行三维模型重建及数控加工程序编制,配备四轴数控雕刻机床进行数控加工,提出了一套完整的股骨模型三维重建及数控加工的方法。

关键词： CAD/CAM 股骨模型数控编程数控加工

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个体化股骨模型的建立

个体化股骨模型的建立

2009第十七届全国中西医结合骨伤科学术研讨会

作者：王志钢杨阳马信龙马剑雄张园天津医科大学总医院骨科天津市骨科医院

目的:寻找一种精确建立个体化股骨模型的方法.方法:在Mimics中重建符合Dicom 3.0标准的CT图像,用UG软件对工件进行分型,用cimatron数控编程软件排序,而后设置数控加工原点坐标系,装夹、校正工件并生成刀轨制作出模具.通过点云的方法比... 详细信息

目的:寻找一种精确建立个体化股骨模型的方法.方法:在Mimics中重建符合Dicom 3.0标准的CT图像,用UG软件对工件进行分型,用cimatron数控编程软件排序,而后设置数控加工原点坐标系,装夹、校正工件并生成刀轨制作出模具.通过点云的方法比较模具制作出的模型和原股骨.结果:制作出了个体化的股骨模型.点云比较结果显示误差在允许的范围内.结论:此建立股骨模型的方法是可取的,能够实现预定的要求.

关键词：个体化股骨模型

来源： cnki会议评论

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参数化股骨曲面特征模型的构建

计算机辅助设计与图形学学报 2015年第12期27卷 2367-2375页

作者：陈小中何坤金陈正鸣项炜河海大学物联网工程学院常州213022 常州工程职业技术学院智能装备与信息工程学院常州213164 常州市第一人民医院骨科常州213003

为了便于参数化股骨曲面模型的编辑修改,利用曲面特征将股骨的网格模型分割为有医用意义的曲面特征单元,提出建立股骨曲面特征模型的方法.首先结合医学解剖需求,将由平均化点云模型构建的三角网格模型分割为有特定意义的多个区域,构成... 详细信息

为了便于参数化股骨曲面模型的编辑修改,利用曲面特征将股骨的网格模型分割为有医用意义的曲面特征单元,提出建立股骨曲面特征模型的方法.首先结合医学解剖需求,将由平均化点云模型构建的三角网格模型分割为有特定意义的多个区域,构成特征区域;其次设计特征参数及参数间约束关系,通过轮廓线蒙皮创建特征曲面;最后将相邻特征曲面通过过渡曲面连接,生成股骨参数化CAD曲面模型.实验结果表明,该方法能够有效地表达股骨表面形状特征,利用高层参数对股骨模型直观地进行构建和编辑,为股骨假肢设计以及不完整股骨的数字化修复等提供基础工具.

关键词：曲面特征参数化设计股骨模型特征变形

不同材料赋值下股骨静力学有限元模型的力学仿真分析

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中国组织工程研究 2020年第9期24卷 1390-1394页

作者：颜继英邯郸市中心医院骨一科

背景:不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法,而材料属性分配将对生物力学分析结果产生很大的影响。目的:采用不同... 详细信息

背景:不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法,而材料属性分配将对生物力学分析结果产生很大的影响。目的:采用不同的材料属性赋值方法建立3种股骨有限元模型并进行有限元仿真分析,探究不同材料赋值方法对股骨有限元生物力学仿真分析的影响。方法:采集志愿者股骨CT扫描数据,以DICOM格式文件导入Mimics医学影像处理软件重建股骨模型, 对模型分别赋予3种不同的材料属性,即均一材料赋值、皮-松质骨赋值和灰度赋值,并将模型导入有限元分析软件Abaqus 6.14中,设置相同的载荷和边界条件进行应力及位移分析。结果与结论:①3种股骨模型的应力输出结果相差不大,且均在合理范围内;②但是均一材料赋值股骨模型与皮-松质骨赋值股骨模型的最大应力主要分布于股骨干部位,而灰度赋值股骨模型的最大应力分布在股骨颈处,这也与现实状态下股骨骨折部位主要出现于股骨颈部位所吻合;③皮-松质骨赋值模型和灰度赋值模型输出的位移值基本一致;而均一材料赋值的股骨模型位移值最小,并且与其他2种模型位移量相差40% 左右;④提示灰度赋值的方法能够较好地反映人体股骨的生物力学特性,从而可以更准确地模拟真实股骨的生物力学特征,这也为骨科生物力学进行有限元仿真建模提供了重要理论依据。

关键词：股骨模型材料赋值有限元仿真应力位移数字骨科生物力学

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斯氏针置入股骨头不同方式的生物力学分析

中国组织工程研究 2022年第9期26卷 1313-1317页

作者：许新忠吴钟汉余水生赵耀徐春归张鑫郑嵋戈荆珏华安徽医科大学第二附属医院骨科安徽省合肥市230000

背景:对于不同年龄段的人群,股骨颈骨折有其不同的骨折线走向特点,有着不同的治疗策略。如何在手术治疗中提高复位质量、避免股骨头坏死及内固定失效,成为骨科学者面对的共同挑战。通过对股骨头颈部模型进行力学测试,期望获得相关数据,... 详细信息

背景:对于不同年龄段的人群,股骨颈骨折有其不同的骨折线走向特点,有着不同的治疗策略。如何在手术治疗中提高复位质量、避免股骨头坏死及内固定失效,成为骨科学者面对的共同挑战。通过对股骨头颈部模型进行力学测试,期望获得相关数据,为提高复位稳定性及复位质量指明方向。目的:通过静态拉伸实验和疲劳实验得出斯氏针不同方式置入股骨头的力学特点。方法:选取天津正天医疗器械有限公司生产型号为ZLW02SJA的斯氏针,规格φ3.5*300 mm,样品材质为317不锈钢,按照2个步骤进行研究。步骤一:静态拉伸实验,使用1枚或者2枚斯氏针,按照前方或者侧方打入股骨头的方式组合,共计8种方案,每一方案将斯氏针打入Sawbone股骨头相应深度,以20 mm/min的速度对斯氏针进行拔出力测试,记录拔出力值。步骤二:疲劳拉伸实验,汇总前8次实验拔出力的平均值,取2个最大拔出力的75%值分别进行疲劳拉伸测试。结果与结论:①经过静态抗拔出力测试,得出抗拔出力最佳的2种方案为方案五和方案七,其中方案五的打入方式为自前而后,皮质骨厚度为4.3 mm,松质骨厚度为25.7 mm,斯氏针数量为2枚,置入深度为股骨头2/3;方案七的打入方式为侧方大转子,皮质骨厚度为3.0 mm,松质骨厚度为26.3 mm,斯氏针数量为2枚,置入深度为股骨头2/3;②然后选用这2种方案的最大拔出力的75%分别进行至少300次疲劳循环,2种方案均能完成疲劳测试,斯氏针最稳定的打入方式为方案五,其具有较大的拔出力,在斯氏针打入股骨头复位过程中可以与股骨头相对稳定的产生牵引;③结果显示:抗拔出力实验和疲劳实验均提示打入2枚斯氏针强于1枚斯氏针,而打入2枚斯氏针的情况下自前而后方向进针优于侧方大转子进针。

关键词：斯氏针股骨头力学股骨颈骨折静态拉伸疲劳拉伸股骨模型

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髋臼力和肌肉力对股骨有限元分析结果的影响

哈尔滨工业大学学报 2011年第S1期43卷 303-308页

作者：仲照明宫赫肖智韬董心吉林大学机械科学与工程学院工程力学系长春130025

建立基于CT影像的股骨有限元模型,研究髋臼力和各个肌肉力对有限元分析结果的影响.对于完整股骨模型(模型I),施加髋臼力和各种肌肉力并计算.对于股骨近端模型(模型II),施加相同大小不同作用面积的髋臼力并计算.通过对计算结果的分析表明... 详细信息

建立基于CT影像的股骨有限元模型,研究髋臼力和各个肌肉力对有限元分析结果的影响.对于完整股骨模型(模型I),施加髋臼力和各种肌肉力并计算.对于股骨近端模型(模型II),施加相同大小不同作用面积的髋臼力并计算.通过对计算结果的分析表明,臀中肌肌肉力对股骨内应力分布影响最大;髋臼力的作用面积越大,模型各单元应力越小,施加载荷位置的单元此趋势尤为明显.可以为大量个体化有限元计算预测股骨强度提供载荷简化的主要依据.

关键词： CT影像股骨模型有限元分析髋臼力肌肉力

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基于CT图像的股骨三维重建及有限元分析

基于CT图像的股骨三维重建及有限元分析

作者：胡悦广西科技大学

学位级别：硕士

股骨作为人体骨骼中最为粗大的长骨,是运动系统中主要的支撑结构。鉴于股骨疾病的高发性,股骨的力学分析和治疗手段已成为骨科疾病中的研究热点。目前,假体置换技术是治疗该疾病最可靠的方法,但在临床应用中面临着因个体化差异而导致的... 详细信息

股骨作为人体骨骼中最为粗大的长骨,是运动系统中主要的支撑结构。鉴于股骨疾病的高发性,股骨的力学分析和治疗手段已成为骨科疾病中的研究热点。目前,假体置换技术是治疗该疾病最可靠的方法,但在临床应用中面临着因个体化差异而导致的并发症频发、假体脱落等诸多问题,极大影响患者术后的日常生活。患者骨骼模型的建立是个体化有限元建模与分析、术前规划方案制定、术后治疗效果评估、人工关节定制等的重要基础。因此,本文研究了人体骨骼的数字化建模问题,主要研究内容如下:针对传统图像分割算法的分割结果难以满足实际应用以及现有分割网络精度较低等问题,提出一种基于U-Net网络改进的AP-UNet分割模型。该模型通过在网络的编码器和解码器中引入注意力模块,来实现对CT图像股骨特征更精确的捕获。同时在网络底层中添加金字塔池化模块,以获取更为丰富的多尺度股骨特征。实验结果表明,AP-UNet可以有效地分割出CT图像中的股骨区域,并且分割效果优于其他主流的分割模型。针对滚球算法进行重建时不但效率低下,还产生大量孔洞或冗余三角形的问题,提出一种基于多半径的改进滚球算法。首先,对点云法向进行一致性调整,确保曲面重建的平滑性和连通性。其次,根据整体点云均密度和不同区域平均点云间距数值统计直方图,作为滚球半径选取的参考信息。最后,通过实验验证了该算法可以有效避免孔洞和冗余三角形的产生,重建出的股骨模型质量较高。针对重建的股骨三维模型,经单元选择、材料属性赋值和载荷设定等操作完成有限元模型的建立,对股骨有限元模型不同姿态下股骨的受力结果进行分析。通过有限元分析精确地掌握股骨应力和应变变化特点,分析结果验证了股骨模型的有效性,对预测骨科疾病风险和制定预防计划的研究也能够发挥重要作用。

关键词：股骨模型深度学习三维重建有限元分析

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基于ANSYS人体膝关节的生物力学分析

生物医学工程与临床 2017年第5期21卷 459-464页

作者：石更强吴山山陆嘉苑周泽上海理工大学上海200093

目的研究作为膝关节置换前虚拟移植的第一阶段工作,重建人体膝关节股骨的三维有限元模型,并基于股骨模型进行应变方面的有限元分析,得到可供下一阶段假体设计的可靠数据。方法选择1例上海市闵行区中心医院35岁女性股骨截面进行自上而下... 详细信息

目的研究作为膝关节置换前虚拟移植的第一阶段工作,重建人体膝关节股骨的三维有限元模型,并基于股骨模型进行应变方面的有限元分析,得到可供下一阶段假体设计的可靠数据。方法选择1例上海市闵行区中心医院35岁女性股骨截面进行自上而下的、层厚为1 mm CT断层图像。采用ANSYS软件对CT图像进行重建膝关节三维模型并进行网格划分,之后进一步进行应力及生物力学特性方面的研究,模拟正常人在静止站立情况在不同载荷条件下的受力分析及应变情况,来验证所建模型的可行性。结果建立一个节点数为155 522、四面体单元数为107 833的股骨三维体网格模型;分别赋予1、5、10种材料值,再施加450、600、700、800、900 N的集中载荷,得到垂直载荷下的最小应力值为45.2~45.4 MPa,最大应力值为90.5~90.8 MPa。结论膝关节的生物力学分析对于膝关节假体的植入角度和位置及今后膝关节假体的外形设计及材料方面的研究具有重要的参考价值。

关键词：膝关节股骨模型生物力学 ANSYS软件仿真研究