兔椎体损伤的生物力学研究

发布时间：2020-11-21 02:33

　　 进入21世纪以来,我国的经济飞速发展,人们的生活得到质的改变,人们的出行速度也越来越快,城市的建筑越来越高,但由此给人们带来的人体损伤也逐年增加。据不完全统计,交通伤和坠落伤已经成为人们受伤的主要形式,并且交通事故和坠落造成的脊柱损伤,成为脊柱损伤的主要原因。从我国脊柱脊髓损伤数据库中,可以发现,坠落造成的脊柱损伤比例为24%,而交通事故造成的脊柱损伤为44%。因此,研究脊柱在冲击载荷作用下的损伤特性至关重要,也可为脊柱的损伤防护和修复提供生物力学依据。因而开展了本文的研究工作,主要的研究内容是通过有限元分析和实验测量的方法,获得兔脊柱单椎体在受到冲击载荷时的损伤特性和规律。本文具体的研究内容·如下:(1)基于兔脊柱的CT扫描图像,通过三维重构方法和逆向工程原理,利用医学图像建模、几何建模和有限元建模和分析软件(Mimics、Geomagic Design、HyperMesh和Abaqus),建立了兔单椎体T12的几何和有限元模型。(2)通过采用与前期兔单椎体静态压缩实验相同的固定和加载方式,对建立的T12的单椎体有限元模型进行了有效性验证。通过对比和分析静态压缩的有限元模拟获得的载荷—时间曲线与静态压缩实验获得的载荷—时间曲线,发现有限元模拟结果和实验结果的趋势比较吻合,从而验证了该有限元模型的有效性。(3)建立单椎体T12的有限元模型。首先通过Abaqus进行网格质量的敏感性分析并选择合适的网格数量,然后模拟和分析在不同冲击速率和材料属性变化(即不同骨质疏松程度患者)对椎体应力分布的影响。(4)建立同一脊柱的另一单椎体L1的有限元模型,分析在同一工况下不同单椎体T12和L1的力学性能的差异。(5)通过解剖3只191天兔龄的新西兰大白兔,获得T12和L1的单椎体。在Instron CEAST 9350落地式落锤试验机上对单椎体进行冲击实验,从而获得了单椎体在冲击状态下的力学损伤特性。通过有限元模拟和分析与实验数据处理和分析,可以获得如下的几点结论:(1)通过有限元分析,可以发现不同数量的网格对单椎体的应力等参量的计算结果存在一定的影响,尤其对位移的影响较为明显。当网格数量为74224时,有限元分析的计算结果比其它网格数量下的分析结果要合理的多。(2)在不同的冲击速率下,通过分析单椎体整体位移—时间曲线可以得出椎骨材料跟大多数脆性材料一样,当受到垂直载荷作用时,可发生45度角的破坏形式。并且最大的应力数值主要集中在单椎体的两端,应力的传递方向与骨小梁的走向趋势一致。(3)通过对有限元模型赋予5种不同的材料属性,来模拟5种不同程度骨质疏松的单椎体力学性能分析,发现骨密度越低力学性能越差,也易发生骨折等损伤.材料属性的确定也是有限元分析比较重要的一个内容,最好能有相应的实验来确定材料参数,参考的材料参数仅可以作为方法学习,而不能保证有限元分析结果的精度。(4)通过单椎体的落锤动态冲击实验,获得了单椎体的载荷—时间曲线,而且发现曲线由多个峰构成,造成的原因主要是由于椎骨结构复杂,而且椎骨的材料属性为非均质、各向异性和多孔结构的材料;单椎体破坏的过程主要分为两个阶段,第一个阶段是下关节突和椎弓的破坏,第二阶段是椎体的破坏。本文的研究结果,对了解脊柱在受到冲击载荷时所产生的爆裂性骨折的损伤机制以及单个椎体的力学性能具有重要的意义,也为临床医学上对脊柱损伤的评估、治疗以及防护具有一定的参考价值。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R683;R318.01
【部分图文】：

图 1-1 脊柱解剖图[40]Figure1-1 Spinal anatomy[40]-1 中的前面观视图中可以发现，脊柱呈现上窄下宽的结构骨所需承担的负重有关，当人体受到竖直外力时，脊柱需而上窄下宽的结构不但能增加机体的稳定性，还能有效保观图中还可以发现，从骶骨开始往下，骶骨逐渐变小，主担外力。从后面观视图中可以发现，脊柱的宽度比较均成一条直线，成纵嵴状，位于脊柱中部。颈椎部位的棘突象，胸椎部位的棘突又细又长，向后下方倾斜，腰椎部位后。从右侧观可以发现，脊柱呈 S 状，有四个生理弯曲的颈椎部位，颈椎部位的弯曲可以使人的头部在运动时更加位于胸部，向后凸出，这部分的凸出，使人的胸腔扩大了腰部，向前部凸出，使人体在直立、行走或奔跑时保持直

太原理工大学硕士研究生学位论文椎骨的重要组成部分，因为脊柱所承受的重力主要由椎体所椎骨的前部，呈圆柱形。与椎体相连的另一部分就是椎弓，之间的空圆环就是椎孔，人的信息传递通道脊髓就位于椎孔接在一起后，椎孔形成一条管道，就是椎管。如图 1-2 腰椎侧下为椎骨的椎上切和椎骨的椎下切，上下两椎骨连在一起时下椎骨的椎上切，由于结构的原因，会形成一个圆环，这个要是神经和血管的通过脊柱内外的通道。

图 1-3 胸椎解剖图[41]Figure1-3 Thoracic anatomy[41]体的腰椎共 5 块，解剖示意图如图 1-2 所示，腰椎的椎体相对于体积上比较大，腰椎的椎孔略大于胸椎，但是小于颈椎，呈三角可以看出腰椎的横突又薄又长，是肋骨的残迹，因此横突又称腰的关节面呈矢状面，上下位的关节突的位置为内外关系，因此相靠。在 5 块椎骨中，L5 的椎体最大，而且椎体呈现前高后低的形柱的常见疾病及治疗柱疾病主要是指脊柱的椎骨、关节、韧带、椎间盘等组织发生了结激周边的神经、血管等，引起其他器官和组织出现各种临床症状百八十多种临床症状与脊柱疾病有关，或由脊柱疾病引发[42]。柱疾病主要可以分为退变性脊柱疾病、创伤性脊柱疾病、畸形脊瘤、感染。其中退变性脊柱疾病是所有脊柱疾病中最易出现的疾
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本文编号：2892383