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踝关节有限元模型的特性及临床应用 被引量：1
1
作者 张楠 孟庆华 鲍春雨 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第9期2343-2349,共7页
背景:踝关节是人体中最复杂的关节之一,包括腓骨、胫骨及距骨等骨性结构,以及韧带、肌肉和肌腱等软组织。有限元模型作为一种重要的工程分析技术,已广泛应用于生物工程研究的各个领域。然而,很少有文献介绍踝关节有限元模型的每个解剖... 背景:踝关节是人体中最复杂的关节之一,包括腓骨、胫骨及距骨等骨性结构,以及韧带、肌肉和肌腱等软组织。有限元模型作为一种重要的工程分析技术,已广泛应用于生物工程研究的各个领域。然而,很少有文献介绍踝关节有限元模型的每个解剖结构应选择什么样的材料性能,以满足不同的研究目的。目的:在前人踝关节有限元研究的基础上,总结踝关节有限元模型建模方法、材料特性、模型验证以及临床和康复应用。方法:检索PubMed数据库、中国知网,检索时限为2000-2024年,英文检索词为“ankle joint,finite elements,material selection,ligament injury,osteoarthritis等”;中文检索词为“踝关节,有限元,材料选择,韧带损伤,骨关节炎等”,对入选的71篇文献进行归纳总结。结果与结论:①踝关节结构复杂,准确的解剖结构和材料是建立仿真模型的基础;②踝关节的有限元建模可以深入了解踝关节的生物力学特性,开发新的置入材料,预测踝关节疾病,改进手术技术,并指导康复锻炼;③过去的研究大多没有考虑体温和关节液对模型的影响,未来需要解决这个问题;此外,踝关节作为下肢重要的负重关节,还可以进行屈曲、伸展和旋转活动,踝关节有限元模型模拟复杂运动将是未来研究的重点。 展开更多
关键词 踝关节 有限元 生物力学 材料选择 韧带损伤 骨关节炎
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松辽盆地干热岩热储水力压裂参数敏感性分析
2
作者 张延军 孙铭浩 +1 位作者 于子望 刘玉龙 《郑州大学学报(工学版)》 北大核心 2026年第1期88-94,共7页
水力压裂是提取地热能的关键技术,通过提高储层岩石的渗透性来增加产热量。为此,以松辽盆地干热岩热储层为研究对象,基于ABAQUS软件建立水力压裂二维数值模型,结合正交试验法,对影响水力裂缝特性的参数进行了敏感性分析。结果表明:数值... 水力压裂是提取地热能的关键技术,通过提高储层岩石的渗透性来增加产热量。为此,以松辽盆地干热岩热储层为研究对象,基于ABAQUS软件建立水力压裂二维数值模型,结合正交试验法,对影响水力裂缝特性的参数进行了敏感性分析。结果表明:数值模拟结果相比室内试验结果的误差为2.6%,说明该模型用来研究水力压裂是准确可靠的;通过极差分析法对各参数进行敏感性分析可知,对裂缝宽度影响最大的因素是岩石弹性模量,压裂液排量的影响程度最小;对起裂压力影响最大的因素为水平应力差异系数,岩石弹性模量的影响程度最小。研究结果可以为松辽盆地干热岩储层水力压裂施工提供一定的指导。 展开更多
关键词 干热岩 水力压裂 数值模拟 敏感性分析 有限元
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临近基坑开挖条件下有限土体主动土压力分析
3
作者 房凯 王硕 刘念武 《河南理工大学学报(自然科学版)》 北大核心 2026年第1期161-169,共9页
目的临近基坑同时开挖时,坑间有限土体双侧的基坑变形均会对土压力的分布产生影响,合理分析并确定其有限土压力特性已成为工程面临的重要问题。方法为了表征临近基坑开挖条件下有限土体土压力,利用离散元分析临近基坑同时开挖条件下有... 目的临近基坑同时开挖时,坑间有限土体双侧的基坑变形均会对土压力的分布产生影响,合理分析并确定其有限土压力特性已成为工程面临的重要问题。方法为了表征临近基坑开挖条件下有限土体土压力,利用离散元分析临近基坑同时开挖条件下有限土体的变形规律和临近基坑开挖对土压力发展的影响机理,通过不同区域土体单元的受力分析构建临近基坑开挖过程中有限土体主动土压力的分析模型,并对不同挡墙位移条件下有限土体土压力的发挥特性进行分析。结果结果表明,临近基坑开挖时,与单侧基坑开挖情况相比,临近基坑两侧同时开挖条件下挡墙所受有限土体土压力更小,两种情况下的土压力差值受有限土体宽高比和挡墙位移影响,有限土体宽高比越小,压力差值越大;随着挡墙位移的增加,两者土压力差值先增大后减小,当挡墙位移达到土体整体主动状极限态所需位移量的1/2时,土压力差达到最大值。结论所提方法可以较好表征临近基坑同时开挖条件下的土压力分布特征,为受两侧挡墙位移影响条件下的有限土体主动土压力计算提供理论支撑。 展开更多
关键词 主动土压力 有限土体 临近基坑 离散元方法
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正畸上颌牙列远中移动的三维有限元分析
4
作者 谢丽丽 张昊 寻春雷 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第14期3557-3567,共11页
背景:上颌牙列远中移动是临床常用的非拔牙矫治策略,但临床实现效率低,传统方式易产生支抗丢失和磨牙往复移动,因此,国内外学者不断探索新的治疗途径,并应用有限元分析研究远中移动的力学机制。目的:建立上颌复合体及矫治器三维有限元模... 背景:上颌牙列远中移动是临床常用的非拔牙矫治策略,但临床实现效率低,传统方式易产生支抗丢失和磨牙往复移动,因此,国内外学者不断探索新的治疗途径,并应用有限元分析研究远中移动的力学机制。目的:建立上颌复合体及矫治器三维有限元模型,对比两种远中移动上颌牙列方式的牙齿初始位移和牙周膜应力变化。方法:选择个别正常牙合成人志愿者1例,拍摄颌面部锥形束CT图片,据此建立上颌骨-上牙列-牙周膜-弓丝-托槽-牵引钩-微种植体支抗钉的三维有限元模型,在此模型基础上设置2组加载模式,分别为A组(整体远移2 N组)、B组(推簧分步远移2 N组),每个组别中分别设置3,5,7 mm的牵引钩高度,即A1、A2、A3、B1、B2、B3共6组工况。其中A组模型(A1、A2、A3)模拟支抗钉整体远移方式,B组模型(B1、B2、B3)模拟支抗钉-推簧分步远移方式,A组、B组中微种植体支抗钉颈部加载力值均为2 N,在有限元软件中分析计算牙齿水平向、矢状向和垂直向的初始位移变化以及牙周膜应力分布。结果与结论:①两组加载方式均实现了上颌牙列的远中移动,但移动量和效率不同。在牵引钩高度相同情况下,与A组整体远移的加载方式相比,B组推簧分步远移的加载方式使磨牙实现了更大的远中移动量。在整体远移时,磨牙远中倾斜移动,当牵引钩高度为5 mm时位移量最大;在推簧分步远移时,磨牙呈整体远中移动趋势,当牵引钩高度为7 mm时位移量最大,但切牙有唇倾趋势。在牵引钩高度相同条件下,B组磨牙远移量均高于A组,B2组牙周膜范式等效应力值最大,为31 kPa。②应用微种植体支抗辅助整体远移上颌牙列时,在5 mm牵引钩高度时远移效率表达最高;应用微种植体支抗-推簧分步远移上颌牙列时,在7 mm牵引钩高度时远移效率表达最高;在不同牵引钩高度下,构建的颊侧微种植体-推簧-牵引钩系统均较整体远移方式的效率更高,磨牙倾向整体远移。 展开更多
关键词 上颌牙列 远中移动 微种植体支抗 三维有限元分析 生物力学研究 牙周膜
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数字化设计游离腓骨瓣修复单侧上颌骨缺损的有限元分析
5
作者 翟堃 刘东阳 +4 位作者 马坚 林志瑀 郑茂盛 马小琴 景捷 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第18期4582-4593,共12页
背景:游离腓骨肌皮瓣是目前修复单侧上颌骨缺损的重要手段,临床上多采用单层游离腓骨肌皮瓣及双层折叠式游离腓骨肌皮瓣修复单侧上颌骨缺损,但目前对于二者重建后上颌骨骨性支柱的恢复情况仍缺少相关的生物力学研究。目的:利用三维有限... 背景:游离腓骨肌皮瓣是目前修复单侧上颌骨缺损的重要手段,临床上多采用单层游离腓骨肌皮瓣及双层折叠式游离腓骨肌皮瓣修复单侧上颌骨缺损,但目前对于二者重建后上颌骨骨性支柱的恢复情况仍缺少相关的生物力学研究。目的:利用三维有限元法分析单层游离腓骨瓣及双层折叠游离腓骨瓣修复单侧上颌骨缺损并模拟种植修复后各结构的生物力学特征。方法:收集1例拟行“上颌骨次全切除术同期血管化腓骨肌皮瓣修复重建”52岁男性患者的上颌骨、腓骨CT数据,将数据导入Mimics 21.0软件,通过数字化设计模拟行上颌骨次全切除术并建立单层及双层折叠腓骨修复上颌骨缺损三维模型,再将模型导入Geomagic Studio 2014、SolidWorks 2019、Ansys 18.0等软件建立正常上颌骨复合体(模型A)、模拟种植修复后单层游离腓骨瓣修复单侧上颌骨缺损(模型B)及双层折叠游离腓骨瓣修复单侧上颌骨缺损(模型C)的三维有限元模型,分析比较各模型双侧后牙垂直加载对上颌骨、小钛板及种植义齿的应力分布情况及生物机械稳定性。结果与结论:①模型A、B、C上颌骨应力主要分布在健侧上颌骨近颧骨区域、重建侧腓骨区域以及双侧眶外侧、眶内侧和鼻根部区域;模型B在左侧梨状孔边缘处的应力值明显大于模型C且在该处出现明显红色应力集中区;②模型B在腓骨与牙槽突断端的连接区域在不同载荷下位移均大于模型C,两模型位移最大值出现在患侧加载250 N时,模型B为30μm,模型C为23μm;③模型B、C小钛板的最大应力均位于连接腓骨段与腓骨段之间的转折处的钛板,各载荷下两模型小钛板的最大应力值较为接近,模型B、C小钛板的最大位移在各载荷下均出现在连接腓骨与牙槽突断端小钛板的第一个钉孔处;位移最大值为模型B在该区域患侧加载250 N时,为27μm;④模型B、C种植体在3种载荷下应力均集中于各种植体颈部区域,两模型应力最大值位于末端种植体上,且模型C明显大于模型B,模型B最大应力为58.5 MPa,模型C为160.6 MPa。同时模型B、C最大位移均位于前端种植体上,位移值随载荷的增大而增大,且模型C最大位移值略小于模型B;⑤结果证实:单层式与双层折叠式游离腓骨瓣重建单侧上颌骨缺损后均能较好地恢复上颌骨生物力学支柱,但单层腓骨修复上颌骨在鼻旁处易产生应力集中,导致在受到较大外力作用时会增加该部位骨折的风险,因此采用双层折叠腓骨修复上颌骨更有利于其鼻旁支柱的恢复;这两种修复方式中采用双层折叠腓骨瓣较单层式具有更好的稳定性,但该方式种植义齿局部应力值更大。 展开更多
关键词 上颌骨缺损 双层折叠腓骨 种植义齿 有限元分析 应力 数字化设计 小钛板 生物力学支柱
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有限元分析弹性髓内钉治疗尺桡骨干双骨折不同进针点的力学差异
6
作者 陈伟 杨玉亭 +1 位作者 王艳 聂伟志 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第15期3772-3779,共8页
背景:经皮弹性髓内钉治疗尺桡骨干双骨折桡骨的进针点主要有Lister结节和桡骨茎突两种选择,但针对上述两种进针点的对比未见报道。目的:通过三维有限元技术分别建立尺桡骨干双骨折Lister结节进针和桡骨茎突进针三维有限元模型,模拟人体... 背景:经皮弹性髓内钉治疗尺桡骨干双骨折桡骨的进针点主要有Lister结节和桡骨茎突两种选择,但针对上述两种进针点的对比未见报道。目的:通过三维有限元技术分别建立尺桡骨干双骨折Lister结节进针和桡骨茎突进针三维有限元模型,模拟人体前臂正常运动,分析其生物力学稳定性及安全性。方法:基于24岁正常成年男性尺桡骨CT图像重建尺桡骨几何形态,应用有限元分析Mimics软件建立尺桡骨干双骨折Lister结节进针和桡骨茎突进针两种不同进针点模型,于Ansys软件中分别对模型施加旋转、屈曲、拉伸、压缩应力,分析其生物力学变化。结果与结论:①通过三维有限元生物力学分析对比尺桡骨干双骨折两种进针点模型在不同应力下的最大位移、应力峰值及应力分布情况,发现Lister结节和桡骨茎突进针点均能有效控制断端移位,尤其在对抗屈曲应力上效果显著;②二者固定稳定性相近,桡骨茎突进针组对抗4种应力时最大位移值略小,但内固定应力更为集中;③两种模型都能有效分散压力,使骨骼应力均匀分布,骨骼及内固定峰值均集中于尺骨鹰嘴进针点,且桡骨茎突进针组在对抗屈曲应力时内固定应力峰值最大,有断钉或应力性骨折风险。 展开更多
关键词 弹性髓内钉 尺桡骨干双骨折 三维有限元 Lister结节 桡骨茎突 生物力学
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自适应有限元分析的降阶单元:研究现状与进展
7
作者 袁驷 袁全 刘双诚 《工程力学》 北大核心 2026年第1期1-10,共10页
新近提出的降阶单元,将有限元常规多项式单元解答的最高次项视为误差项,当作内置的最大模误差估计器;将降低一次的降阶解作为最终解,无需额外计算便可同时完成问题求解和误差计算,一举实现了按最大模控制误差的自适应有限元算法。降阶... 新近提出的降阶单元,将有限元常规多项式单元解答的最高次项视为误差项,当作内置的最大模误差估计器;将降低一次的降阶解作为最终解,无需额外计算便可同时完成问题求解和误差计算,一举实现了按最大模控制误差的自适应有限元算法。降阶单元最初针对结构时程分析的自适应步长算法提出,相继将其推广到一般的一维初值、边值问题和二维边值问题,构造了任意四边形降阶单元、三角形降阶单元和时空降阶单元,已成功求解了一大批线性和非线性二维边值问题以及时间空间耦合问题。近期,又在双验法(先验加后验)自适应分析、时空问题合并单元技术和C1薄板弯曲降阶单元三个方面取得了初步的最新进展。该文对这一系列研究进展做一综述性评述,对三方面的最新进展做一简要报道,并给出典型数值算例进一步展现该法的简易性、有效性、通用性和可靠性。 展开更多
关键词 自适应有限元法 降阶单元 最大模 时空单元 C1薄板单元
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面向冲突消解的空地无人集群分组共识决策方法
8
作者 赵江 陈澍堃 +2 位作者 张璇 池沛 王英勋 《电光与控制》 北大核心 2026年第1期1-7,共7页
针对复杂环境下空地无人集群协调控制与决策问题,提出了一种基于有限状态机切换机制和冲突消解决策库的共识决策方法。首先,建立了双层协同控制框架,提出了空地无人集群时空协调控制方法,可实现集群队形自调节与自主避障;其次,面向空地... 针对复杂环境下空地无人集群协调控制与决策问题,提出了一种基于有限状态机切换机制和冲突消解决策库的共识决策方法。首先,建立了双层协同控制框架,提出了空地无人集群时空协调控制方法,可实现集群队形自调节与自主避障;其次,面向空地无人集群冲突消解任务,设计了基于有限状态机的动态决策切换机制;然后,综合考虑集群动态路径和队形边界,构建了空地无人集群冲突消解决策库;最后,完成了典型协同导航避障数字仿真试验,验证了空地无人集群分组共识决策方法可有效实现编队时空协调与冲突消解。 展开更多
关键词 空地无人集群 分组共识决策 时空协调控制 有限状态机切换 冲突消解规则库
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骨质疏松患者行固定平台单髁置换后胫骨假体松动的有限元分析 被引量：1
9
作者 刘文龙 董磊 +1 位作者 肖争争 聂宇 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第9期2191-2198,共8页
背景:骨质疏松症通常被认为是单髁膝关节置换术后假体松动的危险因素之一,然而对于骨质疏松症患者行固定平台单髁置换术后胫骨假体松动的有限元研究较少。目的:通过有限元法探讨固定平台单髁置换后,不同骨密度下松质骨开槽及减少后倾角... 背景:骨质疏松症通常被认为是单髁膝关节置换术后假体松动的危险因素之一,然而对于骨质疏松症患者行固定平台单髁置换术后胫骨假体松动的有限元研究较少。目的:通过有限元法探讨固定平台单髁置换后,不同骨密度下松质骨开槽及减少后倾角度干预后假体周围的滑移及应力特性。方法:利用61岁女性膝骨关节炎患者的膝关节CT扫描数据进行三维模型重建,随后在计算机中对三维模型进行固定平台单髁置换手术,实施胫骨松质骨开槽和减少后倾角度的干预。分别赋予骨质疏松症和非骨质疏松症的材料参数,通过有限元分析法验证胫骨开横槽和改变胫骨后倾角是否会对假体无菌性松动率产生影响。结果与结论:①在固定平台单髁置换的有限元分析中,与非骨质疏松膝关节相比,骨质疏松膝关节骨质承担载荷的能力减弱;②不同骨密度下的胫骨假体相较内外滑移均更倾向于发生前后滑移;③松质骨开横槽后模型发生滑移的程度降低,这种横槽设计可以预防假体松动;④对于骨质疏松症膝关节,减少后倾角度(从6°至4°)后的胫骨承担载荷的能力更强,发生假体松动的可能性降低;⑤同时减后倾角度和开横槽的方案对预防术后假体松动具有优势,这种优势在骨质疏松症膝关节中表现更为显著。 展开更多
关键词 单髁置换 有限元分析 骨质疏松症 固定平台 假体松动 骨科植入物
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短节段置钉联合可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中的生物力学性能 被引量：1
10
作者 陈龙 王小阵 +1 位作者 席金涛 鲁齐林 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第9期2226-2235,共10页
背景:椎体置换可以恢复脊柱前柱的稳定性并矫正畸形,但是传统的可扩张钛合金置换体的弹性模量较大、影像学存在伪影等,增加了邻近节段退变的风险。理论上,聚醚醚酮因具有类似于骨的密度、放射透光性及术中适应性,更适合骨质疏松患者,但... 背景:椎体置换可以恢复脊柱前柱的稳定性并矫正畸形,但是传统的可扩张钛合金置换体的弹性模量较大、影像学存在伪影等,增加了邻近节段退变的风险。理论上,聚醚醚酮因具有类似于骨的密度、放射透光性及术中适应性,更适合骨质疏松患者,但仍缺乏足够的证据。目的:应用有限元分析法探讨后路短节段置钉联合新型可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中的生物力学性能。方法:根据置钉方式及置换体材料的不同,建立4种T_(12)椎体置换有限元模型:模型1,经伤椎的普通椎弓根螺钉联合可扩张钛笼(M1);模型2,经伤椎的普通椎弓根螺钉联合聚醚醚酮置换体(M2);模型3,跨伤椎的骨水泥强化螺钉联合聚醚醚酮置换体(M3);模型4,经伤椎的骨水泥强化螺钉联合聚醚醚酮置换体(M4)。比较分析4组模型在相同边界条件下T_(11)-L_(1)节段的活动范围、内固定系统及邻近节段上下终板的von Mises最大应力。结果与结论:①对比M1、M2组,M2组在4种运动状态下的活动范围值较M1组增加,但差异不明显;M2组置换体在4种运动状态下的最大应力值较M1组减小,而且对邻近节段上下终板的最大应力较M1组减小;②对比M2、M3、M4组,M4组固定节段最大活动范围值最低,而且M4组钉棒系统及置换体在4种运动状态下的最大应力值均最小;M3组椎弓根螺钉在4个运动方向的最大应力值明显最高;M4组邻近节段上下终板在4个方向的最大应力值最低,但3组之间无显著差异;③提示在骨质疏松椎体置换过程中,可扩张聚醚醚酮置换体的生物力学性能与可扩张钛合金-置换体类似,甚至在抗置换体压缩及抗下沉方面性能更好;后路短节段置钉联合可扩张聚醚醚酮-置换体均能提供良好的稳定性,但是经伤椎骨水泥强化螺钉的生物力学性能最好,对内固定及上下终板的影响最小。 展开更多
关键词 有限元分析 胸腰椎 骨质疏松 椎体置换 聚醚醚酮 生物力学
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2021年青海玛多M_(S)7.4地震震后余滑有限元数值模拟
11
作者 魏巍 谭凯 +3 位作者 熊维 鲁小飞 张彩红 李承涛 《地震研究》 北大核心 2026年第1期92-99,共8页
2021年青海玛多发生的M_(S)7.4地震,是近30年来巴颜喀拉块体内唯一的1次强地震,震后形变显著,对区域构造运动和地震活动有很大的影响。采用速率强化摩擦准则的应力驱动余滑模型,建立玛多M_(S)7.4地震断层的三维有限元网格模型,以震后6个... 2021年青海玛多发生的M_(S)7.4地震,是近30年来巴颜喀拉块体内唯一的1次强地震,震后形变显著,对区域构造运动和地震活动有很大的影响。采用速率强化摩擦准则的应力驱动余滑模型,建立玛多M_(S)7.4地震断层的三维有限元网格模型,以震后6个月GPS形变资料为约束,研究震后形变的动力学参数。首先计算玛多M_(S)7.4地震断层的同震剪切应力,以此作为震后余滑的驱动源,正演震后余滑,探究震后断层最佳参考滑动速率和摩擦参数。结果表明:余滑与同震破裂在空间分布上有一定的互补关系,余滑主要集中在同震滑动的下倾区域,10~20 km深度范围内的余滑约占震后余滑总量的80%,最大滑动量达到1.1 m。最佳参考滑动速率V_(0)=400 mm/a,摩擦本构参数aσ=0.4 MPa。 展开更多
关键词 玛多M_(S)7.4地震 震后余滑 应力驱动 有限元数值模拟
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无托槽隐形矫治器近中移动下颌第二磨牙的三维有限元分析
12
作者 邱生磊 李道堃 +1 位作者 王春娟 李娜 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第4期832-840,共9页
背景:正畸移动下颌第二磨牙替代缺失的第一磨牙是一种保留天然牙的良好办法,然而使用无托槽矫治器近中移动磨牙时磨牙会发生近中倾斜移动,附件和过矫治的应用对磨牙近中移动的影响尚不明确。目的:探究附件及过矫治对下颌第二磨牙近中移... 背景:正畸移动下颌第二磨牙替代缺失的第一磨牙是一种保留天然牙的良好办法,然而使用无托槽矫治器近中移动磨牙时磨牙会发生近中倾斜移动,附件和过矫治的应用对磨牙近中移动的影响尚不明确。目的:探究附件及过矫治对下颌第二磨牙近中移动位移和生物力学的影响。方法:使用1名志愿者的锥形束CT及口内扫描数据构建左侧下第一磨牙缺失的有限元模型。实验根据左下颌第二磨牙附件位置分为无附件组、颊侧附件组、舌侧附件组和颊舌附件组,4组均设计0°,1°,2°,3°,4°过矫治,总共20组模型。在Abaqus软件中分析计算牙齿位移趋势和应力。结果与结论:(1)无托槽隐形矫治器近中移动左下颌第二磨牙时,磨牙发生近中倾斜和压低,尖牙和前磨牙发生远中倾斜,切牙发生舌侧倾斜;(2)附件应用使第二磨牙位移量增加,使用颊舌附件时位移量最大,在单侧应用附件时磨牙会向无附件侧倾斜,而附件的应用对第二磨牙近中倾斜度无改善;(3)应用过矫治后,磨牙近中倾斜和压低趋势改善,磨牙更接近整体移动,牙周膜应力降低且分布更均匀,且随着过矫治程度增加更显著;(4)附件可以增强过矫治的作用效果,使用颊舌附件时作用效果最强,两者联合应用有利于控制磨牙近中倾斜和压低,但仍无法实现磨牙整体移动。 展开更多
关键词 无托槽隐形矫治器 有限元 磨牙 近中移动 附件 过矫治
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内镜下椎管减压治疗高位腰椎管狭窄症:3种手术模型生物力学稳定性的比较
13
作者 马靖博 杨广南 +4 位作者 刘江 蒋强 张晗硕 韩嘉恒 丁宇 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第3期577-585,共9页
背景:高位腰椎管狭窄症是一种复杂的脊柱退行性疾病,针对发生在高位腰椎(L1-L4)的狭窄,手术选择尤为复杂,现有微创手术各具优缺点,目前鲜有对于治疗高位腰椎管狭窄症不同手术方式生物力学对比及有限元分析的相关研究报道。目的:分析脊... 背景:高位腰椎管狭窄症是一种复杂的脊柱退行性疾病,针对发生在高位腰椎(L1-L4)的狭窄,手术选择尤为复杂,现有微创手术各具优缺点,目前鲜有对于治疗高位腰椎管狭窄症不同手术方式生物力学对比及有限元分析的相关研究报道。目的:分析脊柱内镜下单侧入路双侧减压术、经椎间孔入路内镜下腰椎椎管减压术及交叉过顶减压术治疗高位腰椎管狭窄症的生物力学特点,评估3种手术方式在治疗高位腰椎管狭窄症中的可靠性与有效性,为临床决策提供生物力学证据支持。方法:选择1名健康男性志愿者的腰椎CT图像,借助Mimics、Geomagic、Solidworks和Ansys等软件构建正常L1-L5腰椎节段的有限元模型M0。选择具有代表高位腰椎特点的L2-L3节段,在此基础上分别建立脊柱内镜下单侧入路双侧减压手术模型M1,经椎间孔入路内镜下腰椎椎管减压手术模型M2及交叉过顶减压手术模型M3。使用软件模拟并评估各组模型在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及右旋转6种工况下腰椎全节段的活动度变化以及椎间盘的Von Mises应力极值。结果与结论:①与模型M0相比,模型M1、M2、M3在6种工况下的活动度均增加,其中M1增加最为显著;②手术模型M1和M2在前屈、后伸及右旋转中的活动度增加尤为突出,其他工况的增加比例均不超过7%;③模型M1与M3相比,在后伸及左侧弯时整体关节活动度略有增加,其他方面无明显变化,且L1-L5腰椎节段未达失稳状态;④模型M1的椎间盘应力极值在前屈和后伸载荷条件下增加最为显著,而在左侧弯、右侧弯、左旋转及右旋转载荷下,增加的幅度都不超过5%;⑤结果提示脊柱内镜下单侧入路双侧减压技术在治疗高位腰椎管狭窄症时,由于小关节的偏矢状位解剖特点,完成减压操作会切除更多的小关节,这影响了腰椎整体节段的稳定性;椎间孔入路内镜下腰椎椎管减压技术适用于椎间孔区狭窄患者,对于中央型腹侧狭窄严重的患者,不能充分完成减压;而Cross-Overtop技术能够有效扩大中央椎管和侧隐窝的容积,优化减压效果,在治疗高位腰椎管狭窄症时具有独特的优势。 展开更多
关键词 高位腰椎管狭窄症 脊柱内镜 椎管减压术 生物力学 有限元分析
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EPE拉/压本构模型构建及其对仿真结果的影响
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作者 孙晓静 付志强 +1 位作者 代兵 唐为梁 《包装工程》 北大核心 2026年第1期161-168,共8页
目的在运输过程中,包装材料受到的冲击无法避免。在冲击仿真时,对材料属性目前仅考虑压缩本构模型,仿真精度较低,为提升冲击仿真的准确性与精度,针对EPE同时构建了压缩和拉伸本构模型。方法基于压缩和拉伸的试验应力-应变曲线,构建压缩... 目的在运输过程中,包装材料受到的冲击无法避免。在冲击仿真时,对材料属性目前仅考虑压缩本构模型,仿真精度较低,为提升冲击仿真的准确性与精度,针对EPE同时构建了压缩和拉伸本构模型。方法基于压缩和拉伸的试验应力-应变曲线,构建压缩和拉伸本构模型。通过ABAQUS中的Low-densityfoams模块对不同高度下(300、450、600mm)结构样的面、棱和角进行跌落仿真分析,与结构样的试验结果进行对比。结果在不同高度的面、棱、角跌落下,仅考虑压缩本构的仿真结果与实验结果对比误差范围为8.09%~30.80%,同时考虑压缩和拉伸本构的仿真结果与实验结果对比误差范围为1.30%~4.86%。结论在跌落试验中,不能忽略拉伸变化对EPE材料力学性能的影响。因此,在进行跌落仿真分析时,将材料的拉伸本构纳入考量,有助于提升工程应用分析的准确性。 展开更多
关键词 发泡聚乙烯 压缩本构 拉伸本构 有限元仿真
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三种内固定技术在腰椎间融合中对邻近节段退变生物力学的影响
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作者 阿卜杜萨拉木·托合提 肖扬 +5 位作者 王轶希 穆斯塔帕·米吉提 陈琪豪 买买提明·赛依提 郭海龙 帕尔哈提·热西提 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第3期586-595,共10页
背景:改良皮质骨轨迹技术由作者团队在2019年提出,是在传统皮质骨轨迹技术基础上的重要改良,先前的研究已充分展示了该技术在固定节段所具备的优良生物力学性能。然而,关于改良皮质骨轨迹技术在邻近节段退变中的具体生物力学变化,尤其... 背景:改良皮质骨轨迹技术由作者团队在2019年提出,是在传统皮质骨轨迹技术基础上的重要改良,先前的研究已充分展示了该技术在固定节段所具备的优良生物力学性能。然而,关于改良皮质骨轨迹技术在邻近节段退变中的具体生物力学变化,尤其是在后路腰椎间融合和经椎间孔腰椎间融合术式下,对邻近节段活动度及椎间盘应力的影响,目前尚缺乏深入系统的研究。目的:探讨改良皮质骨轨迹技术在后路腰椎间融合和经椎间孔腰椎间融合术中对邻近节段退变生物力学的影响。方法:对3具人体尸体标本进行CT扫描,建立并验证3种L1-S1腰椎三维有限元模型,在每个模型中的L4-L5节段模拟行后路腰椎间融合或经椎间孔腰椎间融合术,并分别用3种内固定技术(改良皮质骨轨迹、皮质骨轨迹、传统椎弓根螺钉)固定住L4-L5节段。在L1椎体表面上加载垂直向下400 N的压缩力和7.5 N的扭矩后,记录在模拟脊柱的前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转等6种工况时L3-4、L5-S1节段的活动度及椎间盘最大应力,比较并分析3种内固定技术在两种融合术中对邻近节段退变的影响。结果与结论:①在后路腰椎间融合模型中,改良皮质骨轨迹螺钉组较皮质骨轨迹、传统椎弓根螺钉组在6种工况时的邻近节段(L3-L4,L5-S1)活动度均有所减少;改良皮质骨轨迹螺钉组较传统椎弓根螺钉组在后伸时的上位邻近节段(L3-L4)椎间盘最大应力显著减少(P=0.005),而在下位邻近节段(L5-S1)椎间盘应力表现出较大的分散性;皮质骨轨迹螺钉组与传统椎弓根螺钉组相比同样在后伸时显著减少(P=0.03);②相比于经椎间孔腰椎间融合模型,改良皮质骨轨迹、皮质骨轨迹、传统椎弓根螺钉3种内固定技术在后路腰椎间融合模型中6种工况下的下位邻近节段(L5-S1)活动度表现出减少的趋势,而上下位邻近节段(L3-L4,L5-S1)椎间盘最大应力均表现出了增加的趋势;③提示在后路腰椎间融合模型中,改良皮质骨轨迹技术展现出更优的生物力学特性,尤其在减少邻近节段活动度方面表现显著,有助于减轻邻近节段退变风险。 展开更多
关键词 腰椎融合 邻近节段退变 皮质骨轨迹 有限元分析 生物力学 数字化医学
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神经根型颈椎病三维有限元建模的方法及验证
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作者 梁龙 刘广伟 +6 位作者 于杰 魏戌 李静 路广琦 朱立国 尹逊路 冯敏山 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第15期3871-3877,共7页
背景:目前涉及神经根型颈椎病的有限元模型研究,要么直接使用正常人影像资料进行模型构建,要么使用1例神经根型颈椎病患者的影像资料构建,其仿真性及代表性不足。目的:探讨神经根型颈椎病三维有限元模型的仿真性能,以期为神经根型颈椎... 背景:目前涉及神经根型颈椎病的有限元模型研究,要么直接使用正常人影像资料进行模型构建,要么使用1例神经根型颈椎病患者的影像资料构建,其仿真性及代表性不足。目的:探讨神经根型颈椎病三维有限元模型的仿真性能,以期为神经根型颈椎病甚至脊柱退行性疾病的后期研究提供参考。方法:首先使用CT扫描1名正常人颈椎,通过多个软件进行几何重建、逆向工程、网格划分、材料赋值等过程,构建出包含椎体(C_(0)-T_(1))、椎间盘(C_(2)-C_(7))、韧带、关节软骨、肌肉等结构完整的颈椎三维有限元模型,并进行模型验证。再对椎间盘退变进行造模,模拟神经根型颈椎病的发生及发展过程;最后通过不同工况加载,测量椎间隙的高度、椎间孔横纵径的大小及变化幅度来进行验证。结果与结论:①神经根型颈椎病三维有限元模型造模成功后,除了椎间孔横径没有变化外,椎间隙高度及椎间孔纵径自中度椎间盘退变到重度椎间盘退变逐渐减小;②动态验证结果显示,加载不同工况后发现,中度和重度椎间盘退变的神经根型颈椎病三维有限元模型的椎间隙高度、椎间孔横纵径变化幅度减小,说明椎间孔的容积及容纳神经根的能力降低。所以此次研究构建的神经根型颈椎病有限元模型符合疾病的发病特征。 展开更多
关键词 神经根型颈椎病 三维有限元模型 脊柱退行性疾病 建模 模型验证 仿真
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基于影像学腰椎退变的生物力学有限元分析 被引量：1
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作者 高升 辛世民 +3 位作者 刘兴权 亢利清 任宝林 王海燕 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第15期3810-3819,共10页
背景:腰椎退化会引起腰痛,了解导致腰椎退变引起疼痛的潜在力学机制是至关重要的。目的:分析正常与退变腰椎在力学性能上的区别,为进一步探寻腰椎退变机制及其相关疗法提供依据。方法:基于健康、腰椎退变男性受试者的腰椎CT图像进行三... 背景:腰椎退化会引起腰痛,了解导致腰椎退变引起疼痛的潜在力学机制是至关重要的。目的:分析正常与退变腰椎在力学性能上的区别,为进一步探寻腰椎退变机制及其相关疗法提供依据。方法:基于健康、腰椎退变男性受试者的腰椎CT图像进行三维重建,建立L_(1)-S_(1)有限元模型。对正常与退变腰椎的生物力学特性进行有限元分析,通过加载生理条件,重点分析前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转6个运动范围的差异,评估具有椎体前缘骨赘的有限元模型在不同运动模式下的腰椎整体、各节段活动范围及椎骨、纤维环、髓核、小关节应力分布。结果与结论:①退化腰椎整体活动范围和节段活动范围均出现了不同程度的下降,特别是在后伸和侧屈运动中,退化的腰椎表现出显著的活动受限;②腰椎的退化改变了力学的环境,邻近节段的椎骨、椎间盘与小关节应力均增大;③腰椎退变导致活动度下降,特别影响后伸和侧屈运动;④L4节段在退变后承受了更高的应力,可能是下腰痛的关键因素;⑤退变腰椎的力学负荷重分配对邻近节段影响显著。 展开更多
关键词 腰椎退变 骨赘 有限元分析 应力分布 力学响应
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有限元模拟下颌骨正中骨折的个性化钛板设计分析
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作者 刘璐 王琦 +4 位作者 王怀升 程亚男 庄妍 陈贺 王心彧 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第14期3568-3575,共8页
背景:个性化钛板治疗颌面部骨折不仅可以缩短手术时间,还能提高患者满意度。然而,关于个性化钛板最优形状设计及其对骨折愈合的影响目前仍缺乏系统研究。目的:利用有限元对下颌骨正中骨折的个性化钛板进行优化设计。方法:将初始钛板及... 背景:个性化钛板治疗颌面部骨折不仅可以缩短手术时间,还能提高患者满意度。然而,关于个性化钛板最优形状设计及其对骨折愈合的影响目前仍缺乏系统研究。目的:利用有限元对下颌骨正中骨折的个性化钛板进行优化设计。方法:将初始钛板及颌骨模型导入软件中进行静力学分析,依据静力学分析结果进行拓扑优化。基于拓扑优化结果设计个性化钛板的基本形状。将个性化钛板、平行双板钛板、垂直双板钛板分别在双侧切牙咬合(工况1)、右侧磨牙咬合(工况2)、右侧切牙咬合(工况3)3种工况下进行有限元分析,筛选出在下颌骨正中骨折固定中力学性能最优的钛板。根据分析结果对个性化钛板进一步优化设计,设计直线型、上弯型、下弯型3种形态,通过有限元分析择出最优形态。以1 mm厚的上弯型个性化钛板为基础,设计梁(横梁和斜梁)分别为0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0 mm宽度的钛板,通过有限元分析确定合适的梁宽度,完成个性化钛板的优化设计。结果与结论:①依据拓扑优化结果设计了一款“8”字型个性化钛板。有限元分析结果显示,在工况1中,平行双板钛板组钛板最大等效应力值最小,垂直双板钛板组骨断端最大位移值最小;在工况2和工况3中,个性化钛板组钛板最大等效应力值和骨断端最大位移值均最小,力学性能更优。②在3种工况下,直线型个性化钛板组、上弯型个性化钛板组与下弯型个性化钛板组的钛板最大等效应力值和骨断端最大位移值差异较小,但上弯型个性化钛板组钛板应力分布更均匀。③对于1 mm厚的上弯型个性化钛板,当梁宽度≥1.6 mm时,钛板最大等效应力和骨断端最大位移值较为稳定;当梁宽度<1 mm时,骨断端最大位移值超出骨折初期愈合的范围,不利于愈合。④在下颌骨正中骨折有限元分析中,“8”字型结构个性化钛板较“一”字型具有应力分布更均匀、固定更稳固的优势,最终确定1 mm梁宽、1 mm厚的上弯型个性化钛板为下颌骨正中骨折的个性化钛板最优设计方案。 展开更多
关键词 个性化 钛板 优化 颏部 下颌骨 骨折 固定 有限元分析
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腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎影响的有限元分析
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作者 李春超 居来提·买提肉孜 +3 位作者 解学晨 张乐 王轶希 帕尔哈提·热西提 《中国组织工程研究》 北大核心 2026年第15期3820-3831,共12页
背景:基于有限元分析的腰椎生物力学建模技术,因能够量化评估腰椎活动度和椎间盘等结构的应力分布特征,已成为研究腰椎疾病发生机制和手术方案优化的重要工具。目前常见的腰椎有限元模型包含椎骨、椎间盘、终板、关节软骨和韧带等,现有... 背景:基于有限元分析的腰椎生物力学建模技术,因能够量化评估腰椎活动度和椎间盘等结构的应力分布特征,已成为研究腰椎疾病发生机制和手术方案优化的重要工具。目前常见的腰椎有限元模型包含椎骨、椎间盘、终板、关节软骨和韧带等,现有研究中的腰椎有限元模型普遍未考虑腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎节段稳定性的影响。目的:通过建立包含腰椎深层固有肌群的腰骶椎骨骼肌肉有限元模型,并利用有限元分析比较腰骶椎骨骼有限元模型与腰骶椎骨骼肌肉有限元模型的生物力学差异。方法:基于1名27岁健康志愿者的CT数据重建腰骶椎骨骼有限元模型,在此基础上重建腰椎深层固有肌群。通过有限元分析不同工况增加腰椎深层固有肌群被动支撑后腰椎活动度、椎间盘应力和椎体皮质骨应力的变化,评估腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎的调节作用。结果与结论:施加相同的载荷后,在前屈、后伸、左右侧弯、左右轴向旋转、前屈与轴向旋转复合的工况下:①腰椎活动度:添加肌肉被动支撑的腰骶椎骨骼肌肉有限元模型活动度均小于腰骶椎骨骼有限元模型,且肌肉种类越多活动度越小,其中包含腰椎横突间外侧肌和腰椎回旋肌的腰骶椎骨骼肌肉模型活动度小于腰骶椎骨骼有限元模型,而包含腰椎横突间外侧肌、腰椎回旋肌和腰椎多裂肌的腰骶椎骨骼肌肉模型活动度是最小的;②椎间盘和椎体皮质骨应力:腰骶椎骨骼有限元模型中,肌肉被动支撑因素的加入降低了椎间盘和椎体的最大应力值,但是它们的应力呈现出相似的分布,而且应力降低程度与肌肉数量相关,其中包含腰椎横突间外侧肌和腰椎回旋肌的腰骶椎骨骼肌肉有限元模型椎间盘和椎体皮质骨最大应力值小于腰骶椎骨骼有限元模型,而包含腰椎横突间外侧肌、腰椎回旋肌和腰椎多裂肌的腰骶椎骨骼肌肉模型椎间盘和椎体皮质骨最大应力值是最小的。提示腰椎深层固有肌群被动支撑对腰椎活动范围、椎间盘应力和椎体皮质骨应力都起到了减缓作用,尤其在前屈、后伸、左右侧弯、前屈与轴向旋转复合的工况下减缓效果较好。 展开更多
关键词 腰椎 肌群 模型 有限元分析 腰椎活动度 椎间盘 皮质骨 应力
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