基于CT图像和逆向工程方法建立正常人体腰椎三维有限元模型

背景：利用有限元法可以分析静止及活动时正常脊柱的生物力学,并预测应力时的风险。目的：建立腰椎L3~L5三维有限元模型。方法：选取一名健康30岁男性志愿者L3~L5薄层CT扫描图像,使用工具软件Geomagic和Ansys,应用逆向工程原理构建三维有限元模型,设定边界条件进行加载,记录角位移及应力集中部位,计算模型的平均刚度。结果与结论：建立L3~L5椎体三维有限元模型,包括椎体、韧带、椎间盘、纤维环和小关节,模型总单元数51905个,通过定量和定性两方面验证模型有效。说明所建立的L3~L5椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特征,可用于进一步脊柱生物力学研究。     

骨质疏松腰椎三维有限元数字化模型的建立

目的:探讨利用螺旋CT建立骨质疏松腰椎三维有限元模型的高度数字化方法,以为腰椎骨质疏松的生物力学实验提供标准模型。方法:实验于2004-06/10在南方医科大学生物力学实验室完成。选取老年男性正常人体脊柱标本1具,范围从L4～L5,先行X线检查以排除可见的脊椎病变及损害。经螺旋CT沿横断面1mm层厚扫描,以jpg格式输出其断面图像并转入微机保存。利用三维重建软件Mimics建立L4～L5段正常脊柱骨性结构的三维模型,再经过自由造型系统进行表面光滑化处理及对1mm层厚引起的数据丢失予以修补。利用有限元软件Ansys的前处理功能,在脊柱模型骨性结构的基础上,补充建立终板、椎间盘、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带等结构。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行智能有限元网格划分。结果:①正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分结果:利用三维重建软件Mimics和有限元软件Ansys成功进行正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分。共有82563个单元,131204个节点,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。②骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立:利用有限元软件Ansys的前处理功能,对不同组织的物理特性进行定义,椎体和后部结构的弹性模量均减少30%左右,符合真实的生物力学要求,真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性,成功建立骨质疏松腰椎三维有限元模型。结论:建立的骨质疏松腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本,是理想的研究骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型,可应用于骨质疏松腰椎损伤程度的评估。     

人工椎间盘置换对腰椎小关节应力影响的三维有限元分析

背景:近年来随着对脊柱生物力学研究的深入,人工椎间盘被认为是治疗腰椎退行性变较理想的方法,但目前对人工腰椎间盘的生物力学研究还非常有限.目的:建立腰椎运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型并进行生物力学分析,观察人工椎间盘置换对腰椎小关节应力的影响.方法:在已建立的正常腰椎运动节段三维有限元模型的基础上去除L4～5椎间盘、上下终板的有限元单元,加入SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘的有限元模型,保留L4～5椎间隙的纤维环及相关韧带,形成L4～5运动节段人工椎间盘置换的三维有限元模型.对三维有限元模型在垂直压缩、前屈、后伸、侧弯等不同载荷下进行生物力学分析,记录小关节的应力,并与正常运动节段三维有限元模型相应部位的应力进行对比.结果与结论:生物力学分析结果显示,人工椎间盘置换后:①垂直压缩时上下椎体、双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01).②前屈、后伸时上下椎体前、后方及双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01).③侧弯时上下椎体左右两侧及双侧小关节内应力与正常节段相比差异无显著性意义(P > 0.01).提示人工腰椎间盘置换后小关节应力可保持在正常运动节段的水平,人工腰椎间盘置换可以达到腰椎生物力学性能重建的目的.     

骨质疏松腰椎三维有限元数字化模型的建立

目的：探讨利用螺旋CT建立骨质疏松腰椎三维有限元模型的高度数字化方法，以为腰椎骨质疏松的生物力学实验提供标准模型。方法：实验于2004-06／10在南方医科大学生物力学实验室完成。选取老年男性正常人体脊柱标本1具，范围从L4-L5,先行X线检查以排除可见的脊椎病变及损害。经螺旋CT沿横断面1mm层厚扫描，以jpg格式输出其断面图像并转人微机保存。利用三维重建软件Mimics建立L4-L5段正常脊柱骨性结构的三维模型，再经过自由造型系统进行表面光滑化处理及对1mm层厚引起的数据丢失予以修补。利用有限元软件Ansys的前处理功能，在脊柱模型骨性结构的基础上，补充建立终板、椎间盘、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带等结构。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行智能有限元网格划分。结果：①正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分结果：利用三维重建软件Mimics和有限元软件Ansys成功进行正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分。共有82563个单元，131204个节点，建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。②骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立：利用有限元软件Ansys的前处理功能，对不同组织的物理特性进行定义，椎体和后部结构的弹性模量均减少30％左右，符合真实的生物力学要求，真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性，成功建立骨质疏松腰椎三维有限元模型。结论：建立的骨质疏松腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本，是理想的研究骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型，可应用于骨质疏松腰椎损伤程度的评估。     

有限元法分析举重运动员预备提铃动作过程中腰椎节段的受力变化

背景:多年来,国内外学者对腰椎的生物力学特性进行了大量的研究,但是由于腰椎生理结构的复杂性以及研究手段的局限性,很多问题有待于进一步探索,特别是对举重运动员腰部损伤的防治是目前亟待解决的问题.目的:建立人体完整腰段脊柱三维有限元模型,分析举重运动员预备提铃动作时腰椎节段的受力特点.方法:引入"组装搭配式"思想,利用Dicom数据,建立人体脊柱腰椎节段(L1～5)完整的、真实的三维有限元模型.并模拟举重运动员预备提铃动作时,各椎体及椎间盘所受应力情况.结果与结论:举重运动员预备提铃动作时,各椎体应力分布在椎体前下方,此处应力水平明显高于其他部位,椎体后部结构中椎弓根处出现应力集中现象,应力也处于较高水平.椎间盘应力分布在纤维环的中部和前部,但是前部更为明显.此时,不同椎体、腰椎间盘所承受的应力不同,其应力表现为自上向下呈逐渐增大趋势.各椎体的应力值大于其下方椎间盘的应力值,各椎体应力值是其下方椎间盘的四五倍.证实实验所建腰椎节段三维有限元模型可以用于模拟脊柱腰椎节段的生物力学特性研究.     

椎体后凸成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景:椎体后凸成形术自应用临床以来取得了令人鼓舞的临床效果,但是术后邻近椎体发生骨折时有报道.从生物力学角度来分析邻近椎体发生骨折的可能原因具有重要价值.目的:以有限元方法观察椎体后凸成形术对相邻椎体生物力学的影响,分析相邻椎体继发骨折的原因.方法:利用MIMICS软件对1例T12压缩骨折椎体后凸成形术前后的CT图片进行预处理,后导入ABAQUS软件中建立T10～L2的三维有限元模型,设置0.3,1.0,4.0 MPa三种轴向载荷进行生物力学分析,观察不同载荷下模型整体及各部分的Von Mises应力,重点评价椎体后凸成形术对骨折相邻椎体生物力学的影响.结果与结论:成功建立了椎体后凸成形术前后的三维有限元模型,当轴向压力以0.3,1.0,4.0 MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加.椎体后凸成形术后脊柱胸腰段各部位的应力开始重新分布,增强椎体(T12)的相邻椎间盘(T11～12、T12～L1)及相邻终板(T11下终板、L1上终板)的应力增强区域增加;T12相邻椎体(T11,L1)所受最大应力明显增加,但远端椎体(T10,L2)的最大应力明显减少.提示椎体后凸成形术后引起上下相邻椎体继发骨折可能与术后生物力学行为的改变有关.     

三维有限元在正常与后凸畸形胸腰椎体力学性能比较中的应用

目的:比较分析T12、L1脊柱椎体下表面在纵向压缩载荷下的应力分布及变化趋势,为胸腰段脊柱后凸畸形患者的治疗及康复提供生物力学依据。方法:通过新鲜脊柱标本CT扫描影像建立正常的T10-L2段脊柱三维计算机模型,再通过自由造型系统重建脊柱后凸畸形15°模型。对两种模型均施加纵向800N压缩载荷,比较分析T12、L1椎体下表面的应力分布及变化趋势。结果:正常T12、L1椎体在承受纵向压缩载荷时,主要载荷集中在椎体后部以及脊柱的后部结构;后凸畸形T12、L1脊柱主要靠椎体承受纵向压缩载荷,且载荷主要集中于椎体前部。结论:在纵向压缩载荷下,正常脊柱T12-L1段椎体后部容易损伤和骨折,后凸脊柱T12-L1段椎体前部容易损伤和骨折。     

基于CT扫描及CAD技术建立下腰椎三维有限元模型

背景:近年来,计算机技术和有限元理论的飞速发展为构建腰椎模型提供了技术支持,有限元模型的精确性和可靠性显著提高,为研究椎间盘、椎板切除、腰椎融合、脊柱内固定材料等临床相关的生物力学问题提供了更好的平台。目的:应用三维有限元法建立L3～5腰椎活动节段力学模型。方法:通过CT扫描、Unigraphics V18.0软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用CAD数据处理技术,输入相关的材料特性,验证重建模型的有效性。结果与结论:建立下腰椎的三维有限元模型(L3～5),分析结果证明其在仿真分析中是可行的,可以模拟生物力学实验。建立的模型共有6482个节点,31326个单元,生成网格时利用网格生成器的扫掠和优化功能,尽量依据模型的几何外形,使网格生成的最少,兼顾了对建模准确性和计算可行性,同时又能充分满足对腰椎的生物力学研究。     

人工腰椎间盘置换的有限元模型研究

背景:人工腰椎间盘置换是治疗腰椎间盘突出症的新方法,其理论依据需进一步验证.目的:建立腰椎运动节段人工椎间盘置换的有限元模型,用于进一步的生物力学研究.设计:以脊柱L4～5节段三维模型的相关数据为研究对象的单一样本研究.单位:一所大学医院的骨科.对象:实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成.选择1名健康男性志愿者作为模拟对象,对其脊柱T12～S1节段进行层厚2 mm的连续扫描,共获得CT断层图像264幅,并对CT图像每隔15&;#176;进行三维重建,获取用于建立三维模型的相关数据.方法:将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX软件建模形成正常中国男性L4～5运动节段的三维模型,结合SB-ChaiteⅢ型人工椎间盘的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转换成有限元模型.主要结局观察:成功建立了腰椎运动节段的三维模型和有限元模型.结果:建立了腰椎L4～5节段SB-ChaiteⅢ型人工椎间盘置换的有限元模型,模型总节点数为2542个,包括1924个Solid单元,592个Area单元,50个Link单元.结论:通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以建立腰椎人工椎间盘置换的有限元模型,用于脊柱生物力学的进一步研究.     

腰椎运动节段新型有限元模型建立及其生物力学意义

背景:腰椎力学性质较常见的研究方法有动物模型、物理模型和尸体模型,但每种都存在一定局限性.目的:建立腰椎运动节段的有限元模型,为腰椎生物力学研究提供理论依据.设计:以健康志愿者为研究对象的单一样本研究.单位:一所大学医院的骨科.对象:实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成.选择1名健康男性志愿者作为模拟对象.方法:对1名健康志愿者脊柱T12～S1节段进行层厚2 mm的连续扫描,共获得CT断层图像264幅,将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX软件建模形成正常中国男性L4-5运动节段的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转换成有限元模型.主要观察指标:①3DSMAX软件中椎体、椎间盘模型.②SAP2000软件中运动节段有限元模型.结果:建立了腰椎L4～5节段的有限元模型,模型总节点数为2 120个,包括1728个Solid单元,592个Area单元,50个Link单元.结论:通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以建立腰椎运动节段的有限元模型,用于脊柱生物力学的进一步研究.     

建立人工腰椎间盘植入腰椎运动节段有限元模型及其应力分析

背景目前临床所使用的人工椎间盘的结构、材料特性、生物学特性等与正常生理的椎间盘有着很大区别.目的通过三维有限元的方法观察分析人工腰椎间盘在腰椎运动节段中的应力传导作用.设计单一样本观察分析.单位中山大学附属第三院骨科、附属第二医院骨科及南方医科大学生物力学实验室.对象1例健康男性意外死亡的无任何脊柱疾患的脊柱标本及SBChariteⅢ型人工椎间盘建立起脊柱运动节段的人工椎间盘植入有限元模型.方法根据人工椎间盘的工业设计图,利用有限元软件MSC.MARK,建立人工腰椎间盘三维模型;取脊柱健康的腰椎运动节段尸体标本,用螺旋CT机对标本进行扫描,并把图像文件输入计算机保存,在ASC.MARK软件固有的三维坐标系中建立L4-5节段的几何模型.把L4-5运动节段模型中的椎间盘换成人工椎间盘,保持模型L5下终板固定,分别向标本施加4 Nm的前屈、后伸、侧弯及扭转力矩,最后计算人工椎间盘代表结点的受力大小并记录应力的分布.主要观察指标观察人工椎间盘前屈、后伸、压缩、侧屈、旋转运动状态的应力分布情况.结果建立了符合临床实际的人工腰椎间盘植入腰椎运动节段的有限元模型.人工椎间盘的应力分布特点为①在所有的运动状态中,滑动核及盖板的中心部位承受的应力最大,其次为滑动核在运动状态下偏向的部位.②滑动核及盖板上表面比各自的下表面承受其两三倍的应力.③所有的运动状态中,压缩状态下滑动核和盖板的中心部位承受的应力最大.结论建立人工腰椎间盘植入腰椎运动节段有限元模型,在形态、大小及运动特点均与实际的人工椎间盘的结构特点相符,以此进行人工椎间盘应力分布的实验是可行的.     

腰椎牵引三维有限元模型分析

目的 :研究腰椎牵引条件下三维有限元分析。方法 :使用Abaqus 6 .1有限元软件建立有限元模型。平卧位腰椎的轴向荷载为 1 50N ,垂直位轴向荷载为 40 0N。牵引力作用于腰椎设定为 40 0N。结果 :牵引下髓核内压力下降 ;牵引下可将垂直位小关节应力解除 ;牵引下纤维环应力增加 ;椎间盘后外侧边缘和中点均有位移。结论 :三维有限元分析可以用于研究腰椎牵引的研究 ,以验证生物力学的研究结果并弥补其不足     

一种基于影像特征经皮椎体成形术生物力学稳定性评估的有限元模型

背景: 生物力学研究表明椎体成形术在注入骨水泥后单个骨质疏松椎体的硬度和强度有很大的增长, 但对于保持椎体力学稳定性所需骨水泥的体积和其注入位置还有待进一步研究。目的: 通过参数有限元模型比较椎体成形手术腰椎 L1- L2 的生物力学稳定性评估椎体成形术的有效性。设计: 非随机对照观察。单位: 北京神经外科研究所。材料: 选择 1 例 54 岁女性骨质疏松性导致腰椎 L1- L2 压缩性骨折患者, 经 CT 确诊, 该患者对实验项目知情同意。通过椎体成形手术前后CT 扫描, 分别得到了各 90 张连续切片, 层厚 1 mm, 每个像素的尺寸是 0.33 mm。方法: 实验于 2005- 10/2006- 06 在北京神经外科研究所完成。①三维有限元模型的创建: 通过整合 CT 和 MRI 图像的解剖结构, 建立了一种腰椎功能性脊椎单元的三维几何模型, 基于该几何模型对搜集到 90 张连续 CT 切片数据进行转换并对图像进行分割, 创建两种分别表示患者通过椎体成形手术前后的 L1～2 段椎体三维有限元模型。②模型评估: 在模型 L1 椎体的上表面分别施加 500,1 000,1 500,2 000,2 500 N 的轴向负载,观察有限元模型腰椎 L1～2 段的位移、应力、应变的分布变化情况; 观察骨水泥体积的增加对有限元椎体模型位移、应力、应变的分布的影响。主要观察指标: ①不同负载下有限元模型腰椎 L1～2 段的位移、应力、应变的分布变化情况。②骨水泥体积的增加对有限元椎体模型位移、应力、应变的分布的影响。结果: ①在轴向负载下 L1～2 段的应力应变随着负载的增大而增大, 在椎间盘的右侧部有很大的应力应变集中。而这一区域也是在负载情况下经常发生损伤的部位。在椎间盘上应力的大小取决于应用于椎体单元负载的大小。负载越大, 应力越大。②通过椎间盘上接触应力的增加, 随着骨水泥体积的增加导致了临近椎体的负载转移。结论: 建立了椎体成形手术前后 L1～2 段椎体三维有限元模型, 在有限元模型上计算腰椎 L1～2 相对位移可以说明椎体三维的生理状态。这一仿真计算也能清楚地显示椎体应力应变的分布和术前术后的变形。     

腰椎L3-L5三维有限元模型的有效性验证：

背景：建立精确的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,精确的腰椎有限元模型报道较少。目的：采用正常人腰椎CT资料建立L3-L5三维有限元模型,并进行有效性验证。方法：健康男性志愿者,39岁,身高175cm,体质量65kg,采用16排螺旋CT机对L3-L5节段进行扫描,得到1．25mm层厚的CT图片共101张,Geomagic9．0软件下建立几何实体模型,然后确定单元类型、划分有限元网格,建立有限元模型进行加载计算。结果与结论：建立了正常人L3-L5三维有限元模型,整个模型共有213736个节点和799779个单元。该模型L3-L4,L4-L5节段活动范围与文献尸体标本生物力学测试结果一致,验证了模型的有效性,可用于实验研究。     

腰椎单节段术后失稳三维有限元模型的建立

目的建立腰椎L4-5单节段退变模型,模拟腰椎后路椎板减压术(后部结构分级切除)建立术后不同程度失稳有限元模型,为进一步开展腰椎失稳的生物力学研究奠定基础。方法利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对健康志愿者腰椎的薄扫CT图像进行预处理,建立L4-5节段完整三维模型,并进行面网格化,在此基础上模拟手术分级切除L4-5椎体后部结构,进一步建立L4-5节段术后不同程度的失稳模型,再将面网格化的三维模型导入ABAQUS软件进行体网格化,并定义材料及截面属性、定义韧带及其属性、定义椎体间以及椎体与椎间盘相互作用,并加载载荷进行计算。结果成功建立了腰椎单节段后路椎板减压术术后不同程度失稳的三维有限元模型,几何相似性好,经验证模型有效,计算可收敛。结论腰椎单节段术后失稳三维有限元模型具有良好的生物逼真度,适用于临床科研分析,为进一步生物力学研究奠定了良好的模型基础。     

Biomechanical responses of the intervertebral joints to static and vibrational loading: a finite element study

OBJECTIVE: This study was performed to investigate the time-dependent responses of the intervertebral joint to static and vibrational loads. DESIGN: A poroelastic finite element model was established to analyse the fluid flow, stress distribution and deformation of the intervertebral disc. BACKGROUND: Long-term exposure to whole body vibration is highly associated with disc degeneration and low back pain. It is hypothesized that moderate vibrational loading may increase the efficiency of fluid and nutritional transport of the intervertebral disc while prolonged static and excessive vibrational loading may have deleterious effect. METHODS: A three-dimensional finite element model was established using the actual geometry of the L4-L5 lumber motion segment. Nonlinear poroelastic properties were assigned to the intervertebral disc and cancellous bone. Static and vibrational loads were applied and the responses of fluid flow and stress distributions were analysed. RESULTS: The finite element model showed that the loads carried by the annulus and the facets increased with time under static loading. The fluid flow and deformation of the intervertebral disc were dependent on the loading frequency. CONCLUSION: Vibration loading may be able to enhance disc fluid exchange via the fluid pumping mechanism. RELEVANCE: The predicted responses implied that vibrational motion may be important in facilitating fluid and metabolic transport of the intervertebral disc.     

以三维有限元分析两种方法L4／5椎间融合后的螺钉应力

背景：作者未查及使用乏维有限元方法分析椎弓根螺钉内阚定并自体髂召’植骨或椎间融合器植骨后螺钉应力情况的相关报道。目的：在L4～L5节段有限元模型上建立椎弓根螺钉内吲定并椎间双枚椎间融合器置入和椎弓根螺钉内固定并椎间自体髂骨植骨的模型,分析两种不同方法植骨后螺钥的应力分布情况。方法：选择1名健康男性,年龄20岁,借助CT扫描和有限元软件,建立L4-Ls节段的三维有限元模型。在验证有效的模型上建立后路椎弓根乍钉棒系统内固定＋双枚椎间融合器植骨模型（模型A）和后路椎弓根钉棒系统内固定＋椎间自体髂骨植骨有限元模型（模型B）,然后在各模型上分别施加载倚,观察螺钉应力分布情况。结果与结论：建立两种不同后路内固定并植骨融合术式三维有限元模型,在不同载荷情况下,发现模型B螺钉应力值均大于模型A,且差异具有显著性意义（P〈0.05）,差值最大部位为螺钉尾部。结果提示后路椎弓根钉棒系统内固定＋椎间自体骼骨植骨后更容易出现椎弓根螺钉断裂情况。     

不同植入物固定L1节段爆裂性骨折的三维有限元分析

背景：胸腰段椎体爆裂性骨折临床十分常见,通过前路或者后路内固定重建稳定是日前常用的方法,作者未A及有关内固定应力情况的相关报道。目的：通过三维有限元法分析在L1节段爆裂性骨折情况下前路钛网重建钉棒内固定和后路椎弓根内固定两种方式中内固定物应力的分布情况,并进行两种方式稳定性的比较。方法：选择1名健康男性志愿者,通过CT扫描和有限元软件建立T12-L2节段的三维有限元模型。在验证彳丁效的彳丁限元模型上分别模拟L1节段爆裂性骨折,建立前路L,节段钛网重建钉棒内固定模型（模型A）和后路短节段椎弓根钉棒内固定模型（模型B）,在各模型上施加载荷,观察内固定应力分布情况,进行稳定性的比较。结果与结论：建立T12-L2节段的三维有限元模型。两种内固定方式有限元模型_任不同载荷实验中,模型A应力：蔓婴集中在钛网区域,模型B应力主要集中在钉棒的交接处。模型A的稳定性优于后者,模型A的T12平而的甲均应力值小于模型B,差异有显著性意义（P〈0．01）。说明前路术后钛网发生沉降和后路术后钉棒处断裂均可能与局部应力集中有关。前路钛网重建钉棒内固定较后路椎弓根内固定稳定性更好。