正常及退变下腰椎在不同工况下三维有限元力学分析

发布时间：2017-05-13 05:15

  本文关键词：正常及退变下腰椎在不同工况下三维有限元力学分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目的:下腰椎为人体承受重力的主要结构;下腰椎退行性变是引起成人腰痛的首要原因。本研究基于CT及MRI数据建立了正常及退变下腰椎有限元模型,对正常及退变下腰椎模型在不同工况下进行有限元力学分析;通过此方法了解不同工况下正常及退变下腰椎生物力学特性,为解释下腰椎损伤机制提供有限元模拟生物力学方面的理论依据。有助于临床医生更深入的了解此种疾病的发生与发展,并希望对该疾病个体化治疗提供帮助。方法:1本模型选取健康成年男性,20岁,身高174cm体重68kg,行影像学及临床检查排除相关疾病后行螺旋CT及MRI扫描,扫描范围包括L4-L5下腰椎及椎间盘。最终得到下腰椎CT断层图像236层,核磁断层图像98层;将CT及MRI扫描数据以DICOM格式存储入可读写光盘。2将下腰椎CT断层图像结合人体解剖学数据以DICOM文件格式导入MIMICS13.01软件中,通过MIMICS软件建模形成下腰段三维有限元模型。通过逆向工程软件Geomagic studio12.0对模型进行优化处理形成三维有限元实体模型。3将下腰段三维有限元实体模型导入有限元分析软件Ansys10.0中。对L4、L5椎体及L4/L5椎间盘用三维十节点四面体结构实体单元SOLID进行网格划分;定义椎体的骨皮质、骨松质弹性模量分别为12000 Mpa、100 Mpa,泊松比分别为0.3、0.2;椎间盘髓核及纤维环弹性模量分别为1.0Mpa、450Mpa,泊松比分别为0.49、0.3。最终生成正常下腰椎三维有限元模型。通过改变L4/5椎间盘的弹性模量及泊松比,建立退变下腰椎有限元三维模型。将正常及退变下腰椎模型L5椎体下表面进行固定,在L4椎体上表面施加500N压力模拟轴向压缩;施加10Nm的力矩模拟正常及退变下腰段前屈、后伸、侧弯、旋转等不同工况下腰椎及椎间盘力学变化情况。结果:基于CT及MRI扫描数据,通过MIMICS13.01及逆向工程软件Geomagic studio12.0建立了腰椎及椎间盘(髓核、纤维环)的三维模型。将上述模型导入ANASY10.0中,划分椎体骨皮质及骨松质,耦合椎体与椎间盘之间及纤维环与髓核之间接触关系,设置相应结构属性、弹性模量及柏松比,进行整体及局部网格划分,最终得到正常下腰段三维有限元模型。其中椎体模型2块,单元为20486个,节点为22934个,椎间盘模型(髓核及纤维环)1块,单元为12110个,节点为13150个。利用ANASY10.0软件前处理功能,通过改变髓核及纤维环的弹性模量与泊松比数值,对椎间盘不同组织的物理特性进行重新定义,最终得到椎间盘退变的下腰段三维有限元模型。通过有限元分析软件Ansys10.0软件在不用工况下对正常及退变下腰段模型进行三维有限元力学分析得到正常及退变下腰段形变、位移及力学分布特点:正常及退变下腰段椎体正位时应力主要集中于椎体骨皮质及椎弓峡部;前屈位时应力主要集中于椎体骨皮质前缘及椎弓峡部前外侧;后伸位时应力主要分布在腰椎后缘骨皮质及两侧椎弓峡部后外侧;侧弯时应力主要分布于压缩侧椎体骨皮质、椎峡弓部及椎管周围;轴向旋转时以椎弓峡部应力较大,椎弓根次之;退变下腰段椎体应力情况较正常下腰段椎体应力有所增大。正常下腰段及椎间盘退变下腰段模型前屈位移形变较后伸位移形变范围大,侧弯位移形变较正位位移形变范围增加,而扭转位移形变略小于前屈及后伸位移形变。正常及退变下腰段椎间盘正位时髓核及纤维环均承受着应力,而纤维环的应力集中在后侧,并向后外侧传递,椎弓根附近应力最大,应力由后部向前逐渐减小;前屈位时椎间盘前侧压应力分布较集中;后伸位时椎间盘后侧区压力较集中;侧弯位时压应力主要集中于压缩区;对侧应力相对减少;旋转时压应力主要集中于椎间盘后外侧且纤维环压应力明显增大;退变下腰椎椎间盘应力情况与正常椎间盘相似,但髓核所受应力较前明显减小,纤维环所受应力较前明显增加;正常下腰段及椎间盘退变下腰段椎间盘前屈位移范围大于后伸,侧弯位移范围较正位时向压缩侧移动。结论:通过本实验,我们得到如下结论:1基于CT及MRI扫描数据,通过MIMICS13.01及逆向工程软件Geomagic studio12.0、ANASY10.0建立了腰椎及椎间盘(髓核、纤维环)的三维有限元模型并验证其模型的有效性;通过改变髓核及纤维环的弹性模量与泊松比数值,对椎间盘不同组织的物理特性进行重新定义,最终得到椎间盘退变的下腰段三维有限元模型;2通过对正常及退变下腰段有限元生物力学分析,得到了不同工况下正常及退变下腰段生物力学定量及定性变化情况;为解释下腰椎损伤机制提供有限元模拟生物力学方面的理论依据。有助于临床医生更深入的了解此种疾病的发生与发展,并希望对该疾病个体化治疗提供帮助。
【关键词】：腰椎 椎间盘退变 三维重建 有限元分析 应力 生物力学
【学位授予单位】：河北医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.01;R681
【目录】：

• 中文摘要4-7
• 英文摘要7-11
• 前言11-12
• 材料与方法12-15
• 结果15-18
• 附图18-27
• 附表27-29
• 讨论29-33
• 结论33
• 参考文献33-36
• 综述 三维有限元方法在腰椎生物力学中的研究进展与应用36-47
• 参考文献42-47
• 致谢47-48
• 个人简历48

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 吴山;张美超;李义凯;田强;郭汝松;钟侨霖;;两种坐位旋转手法腰椎应力及位移的有限元分析[J];广东医学;2010年08期

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3 方国华,曾青东,骆剑敏,樊良;腰椎不稳与腰椎间盘退变程度的相关性分析[J];中国脊柱脊髓杂志;2001年02期

4 敖俊;靳安民;方国芳;冯伟;张辉;于博;薛忠林;;前路腰椎间融合后路关节突螺钉固定术螺钉应力的有限元研究[J];中国临床解剖学杂志;2008年04期

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本文编号：361660