椎间盘退变的腰椎活动节段力学模型

椎间盘是人体组织中最早发生退行性改变的部位。本文报告采用三维有限元方法建立的椎间盘退变腰椎活动节段的力学模型,着重分析其在直立时的应力分布与载荷传递情况。模型共有388个节点,组成293个单元,所得结构较为合理可靠。作者认为,本模型具有其独特的优点。可望用于进一步的研究。     

人工椎间盘置换腰椎节段有限元模型的建立

目的：建立UL节段正常及人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用于进一步的腰椎生物力学研究。方法：取新鲜成人腰椎标本，通过螺旋CT扫描、图像数字化处理、三维图像重建技术及自由造型系统进行图像表面光滑处理，再对表面图像矢量化，转入有限元软件，建立L4／L5腰椎节段和SMH人工腰椎间盘的有限元模型，模仿腰椎前路椎间盘除术，建立人工腰椎间盘置换的三维有限元模型，用不同的材料参数仿真腰椎和人工椎间盘各结构特性。结果：建立了L4/L5节段人工腰椎间盘置换的有限元模型，模型由皮质骨、松质骨、椎间盘、韧带和人工椎间盘等结构组成。模型分为53452个单元，86329个结点，其中包括53408个固体单元，44个缆绳单元。结论：通过CT扫描可以获得准确的腰椎几何构型数据，并可在此基础上建立高仿真脊柱节段有限元模型。     

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：作者未查及使用三维有限元方法分析椎弓根螺钉内固定并自体髂骨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固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钉的应力分布情况。 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~L₅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荷,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+椎间自体髂骨植骨后更容易出现椎弓根螺钉断裂情况。     

基于CT图像构建的腰椎三维有限元模型

背景：与实验生物力学研究相比,有限元分析方法具有独特的优越性。如何准确地构建腰椎节段有限元模型是有限元分析的关键。 目的：建立人体腰椎三维有限元模型用于生物力学分析。 方法：利用GE 64排螺旋CT对成年男性腰部进行扫描,得到351层DICOM格式断层图像,应用Mimics软件进行三维重建,将所得模型以.stl格式导入Solidworks,生成实体模型,最后导入Ansys赋予材料属性并划分网格,得到便于分析的有限元模型。与体外生物力学实验数据对比,完成模型验证。 结果与结论：成功地建立了表面光滑、外观逼真的腰椎有限元模型。该模型共有144 411个节点,88 742个单元,具有较高的准确性,且可以方便地施加约束和载荷,进行有限元分析。为临床腰椎三维有限元模型建立提供了一种精确而实用的方法,所建模型可以用来模拟腰椎生物力学实验。     

全腰椎有限元模态分析

目的 采用三维有限元方法研究人体腰椎的动力学特性。方法 基于CT扫描图像建立并验证全腰椎L1~5节段有限元模型,对全腰椎进行有限元模态分析。结果 提取腰椎的30阶自由模态,获得了腰椎在自由状态下的动态特性：腰椎共振频率分布集中;各阶模态最大振幅急剧变化,L5节段腰椎附近的振幅较大,是腰椎的薄弱环节。结论 腰椎的模态分析是进一步进行动力学分析的基础,确定腰椎的固有频率、振型和振幅等振动参数,对于腰椎的振动特性分析和人机工程设计优化等方面具有重要意义。     

脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立

背景：建立逼真的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,关于骨质疏松有限元模型的报道尚少。 目的：建立脊柱腰段各主要结构及骨质疏松腰椎的有限元数字模型,为正常脊柱腰段及骨质疏松患者腰椎的有限元力学分析打下基础。 方法：对1名健康男性志愿者行脊柱腰段的螺旋CT扫描,将所得图像先在Mimics中进行分隔和重建,在Geomagic中进行优化,在Ansys中赋材质及网格划分,建立三维有限元数字模型。 结果与结论：建立了包括全部腰椎、椎间盘及主要韧带的正常腰椎及骨质疏松腰椎三维有限元数字模型。该模型外形逼真,几何相似性好,可以随意旋转,方便从多角度观察、采集三维信息,各主要结构材料属性接近实际,适合进行生物力学研究。提示利用CT数据及mimics、geomagic、Ansys软件可以建立脊柱腰段正常及骨质疏松有限元数字模型。     

下腰椎融合术后路单、双侧椎弓根固定的有限元比较研究

目的　建立正常人L4~5节段椎间盘切除后单/双侧椎弓根螺钉固定椎间融合的有限元模型,对两者在不同运动载荷下的稳定性和应力分布进行比较研究。 方法　通过正常人L4~5节段CT扫描获取断层图像,然后利用mimics软件重建人体L4~5三维模型,再通过Ansys软件前处理功能建立有限元模型,并在此基础上分别建立椎间盘切除后单侧（A）、双侧（B）椎弓根螺钉固定+椎间Cage融合模型,对两组模型分别施加5 N?m的前屈、后伸、左/右屈曲和左/右旋转载荷,比较分析椎体及植入物在不同工况下的位移及应力峰值。 结果　各种工况下,A组在固定侧侧屈时椎体间位移及椎弓根螺钉应力峰值最大,在后伸时椎体应力峰值最大。B组在后伸时椎体间位移峰值最大,在旋转时螺钉及椎体应力峰值最大。在后伸和固定侧侧屈工况下A组椎体间位移峰值、螺钉及椎体应力峰值较B组相差最大。 结论　与双侧固定相比,单侧固定融合术后在固定侧侧屈及后伸工况下发生不稳及螺钉松动、断钉的潜在风险最大。单侧固定融合术后的病人在椎间骨融合前应特别减少后伸及固定侧侧屈动作,以降低风险。     

全腰椎非线性有限元模型的建立与有效性验证

目的　为人体腰椎生物力学有限元分析建立有效的全腰椎非线性数字仿真模型。 方法　采集一名25岁的健康男性腰椎（L1~5）CT影像数据,依次通过Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、UG8.5、Hypermesh 13.0、Abaqus6.14-4五个软件建立模型,赋予各组织对应的属性。首先进行网格收敛性测试,选取合适的网格划分方案以提高分析效率。然后通过给模型施加不同的力矩载荷来模拟腰椎的6种运动（前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转）,计算腰椎各功能节段（functional spinal unit,FSU）的活动度（range of motion,ROM）。 结果　模型得出的结果与体外试验的数据类似,两者变化趋势规律一致。 结论　本研究使用的全腰椎非线性有限元模型的建立与验证方法可用于未来脊柱相关疾病的建模与分析。     

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175 cm,体质量65 kg,采用16排螺旋CT机对L₃-L₅节段进行扫描,得到1.25 mm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213 736个节点和799 779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。     

腰椎疲劳骨折的有限元分析

目的：了解腰椎疲劳骨折后各结构力学变化。方法：建立腰椎三维有限元模型模拟腰椎疲劳骨折的载荷状态。结果：骨折后各结构位移增加,椎间盘膨出半径增大,皮质骨,松质骨,裂纹两端应力增加。结论：腰椎疲劳骨折后各结构应力增加,小梁裂纹表现出明显的裂纹扩展趋势,增大的椎间盘膨出半径是引起下腰痛的主要原因。