基于CT图像的人体腰椎有限元模型构建与力学分析

发布时间：2019-10-11 08:59

【摘要】：腰椎作为人体的重要承载部位,结构复杂,容易产生损伤。对腰椎进行模型重建与力学分析是研究腰椎力学特性以及预防腰椎疾病的重要手段。针对腰椎结构复杂、材料多样等特点,本文利用有限元法和医学处理软件Mimics对腰椎进行有限元模型构建以及仿真分析研究。主要工作如下：(1)针对目前骨生物力学研究的现状,分析了腰椎有限元模型构建存在的难度,并进行了解决方法的拟定。(2)基于断层CT图像,利用Mimics医学软件对图像进行阀值分析、编辑、网格划分等操作,重构出腰椎的三维模型。在前人材料赋值研究的基础上,对腰椎的组织层进行分离,实现分别的材料赋值,从而重建出完整的腰椎有限元模型。(3)针对腰椎的结构特点,利用Python语言在Abaqus平台上进行腰椎参数化建模的尝试。开发出参数化插件,通过输入腰椎的几何与材料信息,实现了腰椎的快速有限元建模。(4)腰椎作为人体的主要支撑部位,通过AnyBody骨肌系统模拟出不同负载情况下的腰椎受力,作为腰椎力学分析的数据。(5)对腰椎进行力学分析,获得腰椎不同承载情况下的应力与变形位移,证实了重载会造成腰椎应力集中与变形过大,为腰椎病的预防和治疗提供了理论依据。本文通过对腰椎进行三维重建以及材料赋值,构建出了完整的腰椎有限元模型,与以往研究相比,更好的反映出了腰椎的材料特性。同时,参数化建模以及腰椎力学承载能力的探讨也为腰椎临床预防与治疗提供了指导作用。
【图文】：

的孔隙度很高，最高孔隙度接近于１００％，二者的区别也造成了二者在骨中所承担的功逡逑能不同Ｗ及分布区域的差异。逡逑显微镜下，骨由骨单元或哈佛系统组成，如图２．２所示，（Ａ）骨单元呈平行排列，逡逑圆筒状的结构。哈佛管构成骨单元的中屯、（Ｂ图所示），并与四周的骨板层一起构成了逡逑骨单位，也被成为Ｈａｖｅｒｓ邋（哈佛氏）系统，每个骨单元围绕着中央管，同屯、排列。（Ｃ）逡逑陷窝位于板层之间的小腔内，含有一个骨细胞，骨细胞通过骨小管获取营养，同时排除逡逑代谢废物。逡逑护佽居／下控窥＇１邀当逡逑Ａ逡逑图２．２骨骼显微镜下的结构逡逑２．３．２骨骼力学转性与影响因素逡逑２．３．２．１力学特性逦—逡逑１１逡逑

骨组织属于特殊的结缔组织，是胶原纤维和}L基a惢沂�组成的复合材料，这也决定逡逑了骨既具有很高的强度又具有很好的柔初性。逡逑如图２．３所示，骨干在张力作用下的应力－－应变曲线图。从图像可看出，弹性变逡逑形区域内应力与应变呈现出线性关系，骨干此时具有线弹性的特点。弹性区与塑性区的逡逑交界点是屈服点，该点对应骨干最大的弹性极限，应变为屈服极限应变，应力为屈服极逡逑限应力。塑性区内，应力与应变不存在线性关系，此时骨干将产生永久性的变形，造成逡逑骨折等一系列损伤。逡逑坂大�巧0，，，，逡逑ｔ邋／／逦／邋陆化强型０，，逡逑；逦／逦站服片．邋骨乾盈逡逑２邋／逡逑Ｉ逦／邋

本文编号：2547403