上颈椎运动节段数字模型建立及三维可视化研究

目的:寻求连续CT断层图像重建上颈椎运动节段数字模型及三维可视化的方法。方法:基于上颈椎连续薄层CT图像,运用Mimics10.01软件重建上颈椎运动节段骨性和各种软组织结构,并导入有限元分析Ansys10中初步进行有限元分析验证。结果:成功建立上颈椎运动节段三维数字模型并实现可视化。模型包括:C0~3骨性结构并区分皮质骨与松质骨、C1~3关节软骨盘、C2,3椎间盘和6种韧带结构。上颈椎有限元模型初步验证结果与体外生物力学实验和临床结果相符,可进一步行各种上颈椎有限元分析。结论:Mimics软件基于薄层CT图像建立上颈椎有限元模型提供了一个更为快捷精确的方法,所建模型逼真,几何相似性好,为研究上颈椎的生物力学性状创造了条件。     

上颈椎不稳有限元模型的建立及分析

目的：建立上颈椎不稳的三维有限元模型,并探索其临床治疗的意义。方法首先建立上颈椎正常的三维非线性有限元模型,在此基础上结合临床上的颈椎不稳病例,通过有限元软件的应用,建立上颈椎不稳的三维有限元模型并进行有限元分析。在屈、伸、侧屈、旋转等工况下,测量并比较上颈椎脱位模型与正常上颈椎模型的活动度(ROM)差异。结果所建上颈椎有限元模型外观清晰逼真,几何相似性良好。上颈椎不稳模型各个工况下的活动度与正常上颈椎模型相比明显增大,与体外生物力学实验结果基本吻合。结论有限元三维模型的建立提供了一种便捷而精确的方法。上颈椎不稳的非线性三维有限元模型能够较好地模拟临床病例,从而指导制定临床治疗策略。     

颈椎（C0～C3）有限元模型的建立及验证

目的：建立具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性有限元模型并验证其有效性。方法：对1名健康成年男性,以层厚0．6mm进行连续颈部CT扫描得到骨窗断层图像,将CT数据导入到三维重建软件Mimics11．0中得到上颈椎的三维图像数据,再导入ANSYS8．1中生成上颈椎的三维骨性模型。依据文献资料及参考CT结果对上颈椎软组织进行建模,包括椎间盘、小关节和主要韧带结构。最后模拟生理载荷下测定模型各节段（C0-C1,C1～C2,C2～C3）的三维运动范围,并将所得结果与体外生物力学实验结果进行对比,验证所建颈椎有限元模型的有效性。结果：建立了一个较为详尽的上颈椎有限元模型。包括76799个10-node Solid 92单元,14670 Shell 93单元,80个2-node Link 10单元．1557个8-node Solid 45单元,56个Shell 63单元。结论：该模型的生物力学和几何学相似性很好．本实验方法是科学的、精确的。     

有限元方法在颈椎生物力学中的应用

目的：研究重建颈椎三维有限元模型。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：建立颈椎的三维有限元模型（C3／4），分析结果证明其在仿真分析中是可行的。结论：建立的颈椎三维有限元模型可以模拟生物力学实验。     

现实与虚拟互动的第3～7颈椎应力分析比较

目的:应用三维有限元方法建立第3~7颈椎有限元模型;分析直立时3~7颈椎不同部位的应力分布;进行定量生物力学与三维有限元模型比较;以期应用于临床实验研究。方法:采用UnigraphicsV18.0软件建立3~7颈椎的实体模型并划分单元,在1.8Nm作用力下,观察节段运动与力-位移反应。结果:分析结果证明其在仿真分析中是可行的。通过进行定量生物力学与三维有限元比较的统计学分析,未见显著性差异。结论:该方法适用于重建人体骨骼结构的有限元模型,所得结果较为合理,几何外形和材料特性均较满意,所得结果与实验检验结果基本吻合,所建立的3~7颈椎三维有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验。希望在应用于临床与实验的过程中进一步修改和完善。     

腰椎间盘摘除新型三维有限元模型研究

目的 建立腰椎L4/5运动节段椎间盘摘除的三维有限元模型,用于进一步的生物力学研究.方法 将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX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转换成三维有限元模型.去除模型中L4～5椎间盘右后侧1/4的纤维环中部全层及约1/4的髓核单元,以模拟腰椎间盘摘除手术.结果 建立了L4/5运动节段椎间盘摘除的三维有限元模型.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椎间盘摘除的三维有限元模型,用于脊柱生物力学的研究.     

全颈椎三维有限元模型的建立

目的:建立全颈椎(C1～T1)三维有限元模型.方法:根据一健康成年男性志愿者的颈椎CT与CT重建片,采用断层CT扫描序列图像的自动重建方法,建立全颈椎(C1～T1)三维有限元模型.结果:本研究成功的建立了全颈椎三维有限元模型,它包括C1～T1共8个椎体,本模型高度模拟颈椎结构与材料特性,结构完整,空间结构的测量准确度高,单元划分精细,共有节点数166 979,单元数12 177.结论:所建立的全颈椎有限元模型可以用来进行颈椎生物力学实验.     

寰枢椎三维有限元模型的建立

目的:建立寰枢椎三维有限元模型,为重建寰枢椎的稳定性提供生物力学依据.方法:对颈枕部C0-3标本行CT扫描,获取数据集,通过Mimics10.0软件选取灰度值大于-250 Hu得到C0-3骨和韧带的三维模型,并用Mimics10.0软件对模型进行修饰,以OUT格式导入有限元软件Patran2005中生成四面体网格模型,再输入Mimics软件对模型赋值,完成寰枢椎三维有限元模型,包括密质骨、松质骨及韧带,模型能够高度模拟颈椎结构与材料特性,结构完整,模型节点数9178,单元数40 356.在模型C3的下缘进行边界约束(六自由度为零),在C0处进行前屈/后伸、左/右侧弯、左/右旋转方向1.5 Nm的加载,分析寰枢椎之间的三维运动及各部位的应力.并在实验室以相同加载方法下测量其三维运动范围.分别进行统计学分析.结果:寰枢外侧关节面及枢椎体前部是应力集中部位.寰枢椎间的三维运动(前屈/后伸5.48°/9.85°、左/右侧弯4.69°/4.93°、左/右轴向旋转31.28°/30.56°)与实验室测量(前屈/后伸8.10°/8.49°、左/右侧弯4.79°/4.93°、左/右轴向旋转28.2°/29.3°)相当.结论:利用Mimics和Patran2005建立寰枢椎有限元模型,具有较高的真实性和精确度,能够模仿寰枢椎生物力学分析.     

下腰椎的三维有限元分析

目的为研究下腰椎活动提供三维有限元力学模型。方法选取成年男性的下腰椎典型CT影像,建立几何模型后利用有限元划分和分析软件建立有限元模型,设定边界条件并加载负荷,记录下腰椎在前屈、后伸、侧屈和轴向旋转等不同工况下的运动范围和应力分布。结果建立的下腰椎三维有限元模型中4面体单元总数为114953。模型在各工况下的运动范围与体外生物力学试验所测定的结果比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论建立的下腰椎三维有限元模型能够模拟下腰椎的生理活动,可用于进一步的研究。     

腰椎运动节段新型有限元模型研究

目的建立成年男性腰椎L4/5运动节段有限元模型,用于进一步的生物力学研究.方法将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX建模建立正常中国男性L4/5运动节段的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转移成有限元模型.结果建立了正常中国男性L4/5运动节段有限元模型,模型总节点数为2 120个,包括1 728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研究.     

现实虚拟互动技术对角度牵引治疗根型颈椎病研究

【目的】比较不同角度牵引治疗神经根型颈椎病的生物力学差异,探讨角度牵引治疗神经根型颈椎病的合适方式,为临床应用提供理论依据。【方法】符合纳入标准的33例病例实验前均拍摄颈椎CT片。患者分别接受前屈位、中立位及后伸位角度牵引,牵引前后均拍摄标准颈椎侧位X光片,测量牵引前后各节段椎间前、后隙高度的变化;对其中1位患者的颈椎CT片进行三维有限元分析,并模拟不同角度受力下颈椎的生物力学变化。【结果】不同角度牵引下椎间前、后隙高度的变化均以前屈位最为显著,从C2/3至C6/7,前屈位组各节段的椎间前、后隙高度增加值均显著大于中立位组和后伸位组(P﹤0.01),而其中中立位组又显著大于后伸位组(P﹤0.01),三者关系为:前屈位组>中立位组>后伸位组。三维有限元分析结果显示:无论是椎间后隙或是椎间前隙,均以前屈位增加最为显著。但与在体实验相比,后伸位受力分析却显示出几乎相反的结果。【结论】单从椎间隙高度增加的角度来看,前屈位角度牵引对于神经根型颈椎病的治疗最为有利,并可以推测,C3/4、C4/5节段病变的神经根型颈椎病患者可能最适宜接受前屈位角度牵引;另一方面,建议神经根型颈椎病患者应该慎用后伸位角度牵引。     

累及椎板型颈椎棘突骨折有限元模型的建立和分析

目的建立累及椎板型颈椎棘突骨折有限元模型（累及椎板型颈椎棘突骨折模型）并行活动度及应力分析,明确此型骨折对颈椎稳定性的影响。方法采集男性健康志愿者颈椎CT数据,运用有限元软件构建颈椎（C0~T1）全节段模型（正常颈椎模型）,并与文献报道数据进行对比验证,正常颈椎模型活动度通过比较验证后,在正常颈椎模型基础上建立C7累及椎板型颈椎棘突骨折模型,测量C7累及椎板型颈椎棘突骨折模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下的活动度,与正常颈椎模型进行比较,测量颈椎骨性结构及韧带的生物应力变化。结果建立的正常颈椎模型同文献报道的颈椎活动度比较符合有限元建模标准,在正常颈椎模型上结合临床骨折病例建立的累及椎板型颈椎棘突骨折模型外观逼真,活动度比较结果显示：在C6~7节段,骨折模型的前屈、侧弯及旋转活动度比正常模型减小（减少0.24°~1.60°）,而后伸活动度略微增大（增加0.30°）;在C7~T1节段,除后伸活动外,其余活动度均比正常模型要大（增加0.91°~3.53°）,且活动度变化范围较为明显（单侧旋转活动度增加36.7%）;其余节段两个模型活动度相差无几。累及椎板型颈椎棘突骨折模型在侧弯及旋转工况下应力值较正常模型相对升高。结论累及椎板型颈椎棘突骨折模型能较好地模拟临床实际骨折病例,C7累及椎板型棘突骨折模型有限元分析提示骨折局部稳定性变差,预示颈椎不稳发生,一旦发现颈椎不稳或神经损伤,需及时手术治疗。     

脊髓型颈椎病患者三维有限元模型的构建与生物力学分析

目的：构建颈部三维有限元模型(finite element model,FEM),初步分析脊髓型颈椎病(cervical spondylotic myelopathy,CSM)患者与对照者颈部生物力学的差异,为CSM发病机制的研究提供生物力学依据。方法：以1名CSM患者作为力学模拟实验对象进行三维CT扫描,并构建颈部三维FEM依照患者的年龄、性别、身高、体重等参数选取本团队已有的健康颈部三维FEM作为对照,比较患者和对照者在颈椎正常受力情况下椎体、椎间盘、韧带及脊髓的应力差异,以及后仰伸运动后最大应力的差异。结果：成功构建CSM患者及对照者FEM模型,并进行力学分析,CSM患者颈椎椎体受力差异C5~C6节段最明显,对照者和患者的最大应力部位均在椎体前缘,CSM患者椎体前缘的最大应力小于对照者;CSM患者椎间盘应力分布不均匀,最大应力部位集中在椎间盘底部后缘的两侧;CSM患者各韧带的应力分布不均匀,其中后纵韧带应力最大。CSM患者颈椎在后仰伸运动时范围受限。结论：CSM患者相对于对照者可能存在颈部椎体、椎间盘及韧带受力平衡的改变和颈椎运动范围的受限,这可能与CSM力学发病机制相关。     

基于DICOM数据建立人体颈部有限元模型

目的建立人体颈部有限元模型,用于生物力学研究。方法对标准成年男性进行多层螺旋CT扫描,应用DICOM数据和Mimics软件进行三维重建,在TrueGrid里完成网格划分,结合有限元分析软件ANSYS构建完整颈部模型并在LS-DYNA下进行动力学检验计算。结果该模型参照人体解剖结构模拟了颈椎、椎间盘、韧带和肌肉等组织,共由14758个单元构成,仿真结果与国外实验数据对比基本相符。结论此方法建立的颈部有限元模型能较好地模拟生物力学实验,可用于今后动力学响应分析。     

颈前路零切迹椎间融合固定系统椎间融合术对邻近椎间盘生物力学影响的有限元分析

目的 探索颈前路零切迹椎间融合固定系统(Zero-P)椎间融合术对邻近椎间盘生物力学的影响,为颈椎病中远期疗效的评估提供参考.方法 采用正常成人颈椎薄层CT图像建立下颈椎(C4~C7)有限元模型,并验证其有效性,在此基础上建立单节段颈椎(C5/6)植入Zero-P系统后的有限元模型.分别加载前屈、后伸、侧弯、旋转等应力负荷,计算正常下颈椎及单节段颈椎(C5/6)植入Zero-P后相邻节段椎间盘的应力.结果 成功地建立了人体正常下颈椎、单节段(C5/6)植入Zero-P融合器后的下颈椎有限元模型.颈前路Zero-P椎间融合术后对邻近颈椎间盘应力较术前明显增大,以前屈及侧弯时更显著.结论 颈前路Zero-P椎间融合术可增加相邻椎间盘应力,术者需权衡利弊,充分考虑手术方式的影响,术后相应调整康复计划以减轻邻近节段负担.     

脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析

［摘要］ 目的建立正常脊柱腰段三维有限元模型,为生物力学研究及腰椎损伤研究提供可靠模型。 方法采集1名健康成年男性脊柱腰段CT和MRI断层影像数据,应用Mimics软件依据CT数据对全部腰椎骨及骶骨上部进行三维模型重建,依据MRI数据对L1~L5椎间盘髓核进行三维模型重建。将椎骨与髓核进行空间配准,在此基础上建立椎间盘、关节囊和韧带的三维模型。在Ansys中划分网格并定义材料属性,对模型施加运动性载荷模拟脊柱腰段处于前屈、后伸、侧弯和扭转等运动工况下的生物力学特征,验证模型的有效性。 结果建立了完整的脊柱腰段三维有限元模型,包含椎骨、椎间盘、骶骨上端、韧带、关节囊等重要结构,总节点数为104 190个、总单元数为339 165个。模型通过有效性验证,运动工况下的角位移范围和椎间盘的应力分布特点符合腰椎的生物力学特性。 结论本研究建立的三维有限元模型仿真度高,可用于脊柱腰段的生物力学研究以及模拟疾病和手术对腰椎生物力学的影响。     

寰枕融合伴寰枢椎脱位的三维非线性有限元模型的建立和分析

目的 使用有限元技术建立正常寰枕枢椎三维非线性有限元模型及寰枕融合伴寰枢椎脱位三维非线性有限元模型,为上颈椎临床研究提供生物力学方法.方法 对1例27岁男性志愿者CT数据进行有限元分析,建立正常寰枕枢椎三维非线性有限元模型(正常模型).对1例35岁寰枕融合伴寰枢椎脱位男性患者CT数据进行有限元分析,使用计算机模拟其在高...