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生物医学有限元分析涉及领域

·骨科产品  ·医学紧固件  ·眼建模  ·软组织仿真  ·医疗包装  ·医疗电子系统  ·虚拟生物力学  ·膝盖替换  ·人体建模  ·软组织和关节建模·医院设备  ·激光焊接  ·消融导管  ·牙科植入物  ·机械连接器  ·假肢  ·起搏器  ·血管植入物  · 除颤器  ·心脏瓣膜置换手术

人体前交叉韧带生物医学应力分析

背景 ：生物医学力学分析，运动和汽车事故是韧带损伤的重要原因，前交叉韧带（以下简称ACL）的损伤是最常见的韧带损伤。在将人的膝盖关节固定在一起的许多韧带中，ACL尤为重要，因为它可以保持膝盖的稳定性，并通过限制关节运动来帮助防止对膝盖的伤害。ACL主要由连接股骨和胫骨的密集堆积的胶原纤维组成。ACL位于膝盖关节内部，如下图所示：

生物医学力学分析工况：

工况一 ：在ACL的上表面施加单轴位移载荷，总拉伸率为1.12。

工况二 ：ACL发生45度弯曲（膝盖弯曲）

工况三 ：在1.5秒的时间内使股骨表面旋转11.25度。

材料参数与有限元网格模型:

使用SOLID187单元进行网格画分。股骨使用刚性面的。在股骨表面和ACL之间定义了标准接触（KEYOPT（12）= 0）。

使用各向异性超弹性材料模型用于ACL生物医学应力分析仿真。

边界条件和载荷： 

ACL模型的胫骨（底部）侧保持固定，并约束所有自由度。膝关节可弯曲，伸展和旋转。因此，分析考察了ACL在单轴弯曲，拉伸和旋转下的行为这三个生物医学应力分析工况。

生物医学力学分析结果：

工况一 ：拉伸工况

工况二 ：弯曲工况

在最大应力处容易发生损伤撕裂。

  据研究表明，ACL极限抗张力强度(2020±264)N，最大形变(15.9±3.5)mm。ACL刚度为240N/mm，弹性模量为278MPa，极限抗张强度为35MPa[9]。所受应力变化与膝关节屈伸位置、肌肉收缩状态、负重或者非负重都有关系。ACL材料属性的研究不能全面反映运动状态下ACL受力变化。ACL应力变化在不同外力大小、屈曲角度下及不同分束之间是不相同的。屈伸运动中，110N和22N胫骨前向外力下，当屈曲15°时ACL应力最大，为(110.6±14.8)N和(25.7±3.7)N；在屈曲90°时应力最小，为(71.1±29.5)N和(12.8±7.3)N。不同约束在屈伸过程中应力变化也不相同。

工况三 ：旋转工况

  日常活动中ACL最大应力均小于极限应力，一般为极限应力0.0%～44%。正常情况下以股四头肌收缩为主、屈曲度较小情况下(如股四头肌等长收缩、蹲起、主动伸膝等)ACL受力较大；而以腘绳肌收缩为主、屈曲度较大情况下(如腘绳肌等长收缩、60°和90°时股四头肌的等长收缩和股四头肌、腘绳肌协同收缩等)ACL应力则很小。步态循环中早期阶段(脚离地过程)ACL所受剪切力较大，在单脚离地时刻产生最大应力303N。后期阶段(脚着地过程)由于肌肉收缩、地面反作用以及胫骨-股骨之间相互作用，此时ACL受力较小。了解生理活动下ACL受力变化规律，对术后正确康复，避免ACL危险位置和动作，防止负荷过大有重要意义。

其它生物力学分析案例

下图是利用医疗软件输出的足部图片借助mimics和ansa构造出有限元网格模型，在abaqus进行求解生物应医学力分析。

足部骨骼及韧带附着点示意图

模型加载及边界条件   

有限元预测压力中心与实验测量结果对比

骨骼应力云图

高跟鞋后不同步态周期下对足部关节和韧带的影响

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