第一章 绪论
1.1 课题来源及背景
受到这一创造性工作的启发，同时利用中国―虚拟人‖数据库资源，上海交通大学生物医学制造与生命质量工程研究团队成功申请了―中国力学虚拟人‖这一国家自然科学基金重点项目(项目编号：30530230)，并于 2006 年立项。该项目旨在建立一个标准中国人体的―骨骼-肌肉-韧带‖等组织的基准几何模型与力学仿真系统，并最终形成一个包含人体几何建模、运动分析、动力分析、有限元分析等功能模块，且拥有自己数据库的大型的人体生物力学分析软件供不同领域研究人员灵活使用。其中，标准骨肌系统模型是一个参数化系统，可通过输入具体参数的参数化设计，将基准模型转化为具体研究对象的模块化骨肌系统模型。同时，力学仿真系统亦提供了相应的模块化有限元仿真模型，该模型以人体解剖学结构及各组织材料的不同力学性能为基础，可根据不同研究者需求，对全身或部分骨块及周围组织作相应的有限元分析计算，为适应不同研究者需求，该模型以通用格式开发，与包括 Abaqus、Ansys、Adams 等在内的诸多求解器软件均有接口。因此，该项目研究成果可用于各个专业领域，如骨与关节医疗器械设计、临床医学力学分析、创伤与事故力学分析、康复工程领域、人机工程学以及艺术或体育动作的生物力学分析等。
1.2 国内外研究现状
结果认为在垂向载荷下无论卡环处于哪个位置均不至对其支持组织不构成损伤。Liliana Sandu等运用有限元分析理论，研究了可摘局部义齿中卡环体的疲劳性能，得出结论指出，静力分析时，卡环臂与卡环体连结处是易发生断裂的危险点，疲劳分析指出， 的平均寿命约为 5.5 年。利用三维有限元模型分析了牙合支托的尺寸与形状对其屈服强度的影响，并依据分析结果提出牙合支托设计的基本优化原则：增加牙合支托的宽度及厚度，并尽量避免尖角及卡环过度倾斜。BARTAKOVA基于 CT 二维图像数据，建立牙列缺损的下颌和第一前磨牙及其牙周膜的三维有限元模型，以该余留牙为基牙对其施以颞肌、咬合肌及义齿的模拟作用力，其计算结果与单独施加肌肉力或义齿作用力差别明显。王伟采用 CT 扫描和 I-DEAS 软件，手工建模的方法建立了能够应用接触单元的下颌单侧游离端冠外精密附着体的三维有限元模型。魏敏等应用 Mimics、Pro/Engineer、及 ANSYS 软件对 49 张 CT断层影像进行分析处理，建立了两种精确的上颌可摘局部义齿的三维有限元模型。并得出结论：利用 Pro/Engineer 软件完成上颌义齿模型的制作可减小建模难度；利用 ANASYS 建立三维有限元模型课提高有限元分析效率，适用于口腔医师对有限元模型前期以及后期的处理。王敏等利用该模型分析了分割式及普通可摘局部义齿基牙牙周膜应力分布情况，结果发现在斜向、水平及垂直载荷下基牙牙周膜 Von mises 力的数值范围及分布情况有明显差异。三种载荷下均为戴用分割式可摘局部义齿较小，故而得出结论分割式可摘局部义齿有效起到保护基牙的作用。贾洪宇等基于 CT 图像建立了 RPI 卡环固位可摘局部义齿的三维有限元模型，通过三维有限元分析方法计算不同加载条件下 RPI 可摘局部义齿的应力，得出结论该卡环固位设计的可摘局部义齿在设计时应充分考虑水平与斜向力的作用。
第二章 脊柱腰胸部骨骼系统建模
2.1 引言
采用 B 样条逼近处理冷冻切片骨组织轮廓曲线有如下优势：①在熟悉人体解剖学专业人员帮助下，可以获得非常精确的分割结果；②利用 B 样条曲线的局部性性质，调整曲线形状非常便捷；③只需数量很少的特征点便可以得到很精确的逼近曲线；④可以将最后结果写成 IGES 格式文件，容易与各种 CAD/CAE软件进行数据交换。综上所述，上海交通大学生物医学制造与生命质量工程研究所基于参数化节点及周期 B 样条闭曲线最小二乘逼近等算法，编制开发了专业的冷冻切片图像处理软件 CryoSegmentation 对冷冻切片序列中单个切片进行分割，之后在熟悉人体解剖学的医生指导下，统观全部冷冻切片序列，追踪各层图像中每个骨块的连续变化，确定其起止层数，完成对每个骨块的曲线提取工作，形成多层周期 B样条曲线，最终得到人体脊柱胸腰部骨骼的完整线框模型，并存为通用图形格式IGES 备用。在曲面模型构建时，如果轮廓线起始点位置相差较大的话，曲面就会出现扭转。为此，在作直纹面重构之前，需要将轮廓线起始点作对齐处理，使曲面上不同轮廓线的起始点位置最为接近，以消除扭转。本文采用最短距离的方法来寻找
第一章 绪论……………………1
1.1 课题来源及背景…………………1
1.2 国内外研究现状…………………2
1.3 本文的研究目的及内容…………………7
第二章 脊柱腰胸部骨骼系统建模…………………9
2.1 引言…………………9
2.2 脊椎腰胸部解剖学特点…………………9
2.3 基于冷冻切片的人体脊柱胸腰部三维几何建模…………11
2.4 基于中国力学虚拟人原始数据的脊椎胸腰部骨组织系统有限元建模…13
总结
本文选用冷冻切片数据进行了人体脊柱胸腰部几何模型的构建，并依据人体解剖学结构在专门的有限元前后处理软件中对该几何模型进行了三维实体有限元网模型的建立，该模型对椎体皮松质骨、后部结构、终板、纤维环及髓核等不同属性的材料进行了细致划分，从而优化了中国力学虚拟人模型数据库。二）人体生物力学有限元模型建立技巧及原则。取脊柱胸腰部几何模型中腰椎 L3-L4 功能单元为研究对象，探讨了利用专业软件建立有限元模型的技巧及原则，并通过建立网格参数不同的五组模型进行分析计算，对比结果认为，人体脊柱骨骼系统的有限元模型网格参数应设定在 2mm左右，该结论同时为中国力学虚拟人其他模块及更为广泛的人体生物力学研究中，有限元建模时网格参数的选作提供了依据和参考。三）中国力学虚拟人头部系统平台构建。本文选用CT二维图像数据辅以层切法建立了人体头部颅骨复合体的几何仿模型，并对该模型进行了标准化、模块化处理，将本文之前的研究成果应用于本模块建立了有限元模型，并开发了人体骨肌生物力学分析软件头部及牙齿模块，完善了中国力学虚拟人头部模块的建立，同时为人体颅颌系统生物力学问题研究提供了强有力的支撑平台。
参考文献
1张彤, 刘洪臣, 王延荣, et al. 上颌骨复合体三维有限元模型的建立. 中华口腔医学杂志.2000(05).
2白石柱, 无牙上颌骨缺损种植修复优化设计的三维有限元分析. 2005, 第四军医大学.
3张少峰. 有限元法及其在口腔医学研究中的应用. 国外医学口腔医学分册. 1990, 17(2):92-94.
4夏荣，赵云凤，陈安玉. 全下颌种植固定义齿三维各向异性有限元模型的建立. 中国口腔种植学杂志. 1996, 1(1): 10－13.
5周学军，赵志河，赵美英等. 下颌骨三维有限元模型的边界约束设计. 华西口腔医学杂志. 1999, 17(1): 29-32.
6夏荣. 有限元法及其进展（一）. 中国口腔种植学杂志. 1997, 17: 96-100.
7张少峰，马轩祥，欧阳官等. 种植全口义齿的应力分布特点. 实用口腔医学杂志. 1997,13(3): 194-196.
8骆小平，欧阳官，董研等. CT扫描及CAD技术在建立无牙下颌骨及其全口义齿三维有限元模型中的应用研究. 实用口腔医学杂志. 1996, 12(4): 243-245.
9刘路平，由敬舜，徐剑青等. 五种咬合情况下颞下颌关节负荷的三维有限元分析. 中华口腔医学杂志. 1994, 29(6): 368-371.
10赵志河，房兵，赵美英. 颅面骨三维有限元模型的建立. 华西口腔医学杂志. 1994, 12(4):298-300.