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。     

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。     

建立足部三维有限元数字模型

背景:克服传统标本力学分析的不利因素,建立逼真的足部各结构有限元模型,是对足部进行有限元力学分析的重要基础。目的:建立足部的三维有限元数字模型,为正常足部及足部损伤情况下的有限元力学分析打基础。方法:对1名健康女性志愿者行双足螺旋CT扫描,将所得图像在Mimics软件中重建三维模型,在Geomagic软件中生成实体模型,最后在Ansys中建立足主要结构的三维有限元数字模型。结果与结论:实验建立了包括全部骨骼、主要软骨和韧带、皮肤及软组织在内的人足有限元数字模型。利用CT数据及Mimics、Geomagic、Ansys软件可以建立人足全部足骨的三维有限元数字模型,该模型与实际骨骼模型大小、形态一致,并且可以随意旋转,任意角度观看,进行各种测量,可将足部骨骼任意拆分或合并,适合进行生物力学分析。     

基于CT图像应用Mimics软件快速构建人体胸腰段骨骼有限元模型

将以各向同性分辨0.625mm薄层扫描所得的层厚0.65mm人体胸腰段连续断层210层Dicom格式CT图像,直接读入Mimics后界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理,去除冗余数据,三维化处理后获得胸腰段三维几何面网格模型,将其保存为后缀名.lis的Ansys文件,直接导入Ansys有限元分析软件进行体网格划分,再将体网格转入Mimics根据CT值给予赋值,再次导入Ansys生成有限元模型.快捷建立了外形逼真、计算精确的人体胸腰段脊柱三维有限元模型.结果提示,应用精细CT扫描技术,图像Dicom标准,Mimics软件能直接与Ansys软件进行对接,并能根据CT值直接赋值使胸腰段脊柱三维有限元模型的建立更加快捷、精确.     

基于CT及逆向工程软件构建正常人体骨盆三维有限元模型

背景：骨盆是人体骨骼中形态及结构最复杂的部分,许多学者一直致力于其生物力学的研究。由于骨盆形状极其不规则,所附着肌肉及韧带解剖结构复杂,建立精确的包含主要肌肉及人韧带的骨盆有限元模型十分困难。 目的：建立正常成年人骨盆的三维有限元模型,为后续骨盆的生物力学分析提供数字模型。 方法：采集健康成年男性志愿者的骨盆CT数据,将DICOM格式的CT图像导入医学影像三维重建软件Mimics 10.0进行图像的分割及三维重建,将导出文件导入逆向工程软件Geomagic studio 11中对图像进行曲面化处理,建立曲面模型,使其更加光顺,将生成的曲面模型导入有限元分析软件Ansys 14.0中进行有限元网格划分。 结果与结论：建立了正常成年人骨盆的三维有限元模型,总单元数为818294个,总节点数为149290个。课题基于健康成年男性志愿者的骨盆 CT 图像建立骨盆有限元模型,所得的模型精确度高、逼真、具有良好的解剖及几何相似性,可为下一步骨盆的生物力学分析提供基础。     

新型人工腰椎间盘置换的三维有限元模型

背景：随着对腰椎生物力学研究的不断深入,相关非融合及动力内固定装置的不断完善和改进,以人工椎间盘置换为代表的脊柱非融合技术的出现给了脊柱外科医师新的选择,因此,设计合理的人工椎间盘显得尤为重要。目的：建立腰椎运动节段新型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。方法：选取1名健康男性志愿者 L3-L4薄层 CT 扫描图像,结合人体解剖学数据,通过医学图像软件Mimics和工具软件 Geomagic Studio,应用逆向工程技术重建腰椎模型。结合硅胶人工椎间盘的三维模型,用有限元分析软件 ANSYS12.0转换成有限元模型。结果与结论：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,成功建立腰椎运动节段的三维模型和人工椎间盘置换的有限元模型。该有限元模型共有691085个单元,1008913个节点,可以施加约束和载荷,用于脊柱生物力学及新型人工椎间盘的进一步研究。     

基于正常人体资料建立胸腰椎多椎体压缩性骨折三维有限元模型

将健康志愿者扫描所得的胸腰段210层Dicom格式CT图像直接读入Mimics后,界定骨组织阈值、提取各层面轮廓线、图像边缘分割、选择性编辑及补洞处理去除冗余数据,三维化处理后获得胸腰段三维几何面网格模型,直接导入Ansys划分体网格,再将体网格转入Mimics根据CT值给于赋值,再次导入Ansys添加韧带、关节约束后生成三维有限元模型.在生成的模型上约束L_1下端、在T_(12)上缘由前向后施加位移载荷,运算求解.将单纯T_(12)L_1双椎体压缩性骨折患者的CT扫描图片按同法建立有限元模型,并将2个骨折模型施加拉力力矩验证其有效性.结果显示,建立了外形逼真、生物力学特性全面的胸腰段脊柱椎体压缩性骨折三维有限元模型.结果提示,应用正常人体原始资料,依据骨折受伤机制构建相应骨折有限元模型的方法科学有效.     

人类腰段脊柱三维有限元模型的建立

目的为研究人类腰段脊柱生物力学,提供三维有限元含肌肉整体力学模型。方法通过对尸体腰段脊柱表面各节点的三维坐标值测量,运用超级空间有限元电算程序(SUPER-SAPⅤ)将腰段脊柱按空间有限离散的原则,在计算器上建立三维空间坐标系,仿真完整脊柱腰段力学模型。运用横截面积肌力计算法,测量尸体腰椎周围肌肉:腰大肌、腰方肌、竖脊肌、腹内外斜肌、腹横肌的解剖横断面积及其与腰段脊柱纵轴的中心数据值,求得力矩值。再根据力矩等价换算公式得出加载于模型体表各点的肌力值。通过对本模型重力及肌力的加载,使其更接近于正常人体腰段力学状态。结果建立L1～5脊柱三维有限元模型,形成8节点6面体单元496个,共1006个节点,按不同材料参数仿真脊柱各部结构,并仿真腰段活动进行加载。结论建立完整脊柱腰段三维有限元模型,能够分析脊柱前屈、后伸、侧屈、旋转等多种情况下各部的应力分布及位移量,以探讨腰段脊柱损伤应力的病理机制。     

人类腰段脊柱三维有限元模型的建立

目的 为研究人类腰段脊柱生物力学，提供三维有限元含肌肉整体力学模型。方法 通过对尸体腰段脊柱表面各节点的三维坐标值测量，运用超级空间有限远电算程序（SUPER－SAP Ⅴ）将腰段脊柱按空间有限离散的原则，在计算器上建立一维空间坐标系，仿真守整脊柱腰段力学模型，运用横截面积肌力计算法，测量尸体腰椎周围肌肉：腰大肌、腰方肌、竖脊肌、腹内外斜肌、腹横肌的解剖横断面积及其与腰段脊柱纵轴的中心数据值，求得力矩值，再根据力矩等价换算公式得出加载于模型体表各点的肌力值，通过对本模型重力及肌力的加戴，使其更接近于正常人体腰段力学状态。结果 建立L1－5脊柱三维有限元模型，形成8节点6面体单元496个，共1006个节点，按不同材料参数仿真脊柱各部结构，并仿真腰段活动进行加载。结论 建立完整脊柱腰段三维有限元模型，能够分析脊柱前屈、后伸、侧屈、旋转等多种情况下各部的应力分布及位移量，以探讨腰段脊柱损伤应力的病理机制。     

腰椎间盘膨出节段数字模型及三维可视化

背景：从生物力学入手研究腰椎间盘膨出意义重大。目的：探讨构建腰椎间盘膨出节段数字模型及三维可视化研究方法。方法：基于L3～4的16排螺旋CT连续断层114层二维图像,Mimics软件分别对腰椎骨性结构及各种软组织进行重建,并导入有限元分析软件进行模型验证。结果与结论：建立了L3～4间盘膨出节段三维数字模型,包括两个椎体、终板、纤维环、髓核及6种韧带,数字模型外形逼真,实体感强,可进行三维测量、复位、手术模拟以及输出用作CAD（计算机辅助设计）,RP（快速成型）及FEA（有限元分析）研究。说明薄层CT,Mimics软件阈值分割、区域增长使数字模型的建立更为精确、快捷,数字模型可被输出用于进一步研究。     

骨质疏松骨折椎体及相邻椎体骨水泥注入前后的有限元分析

背景：目前有限元构建模型主要是基于医学图像的建模方法,骨水泥注入主要是人为假设的,而文章中治疗前后的数据直接来源于CT扫描,可靠性更高. 目的：构建骨水泥注入前后骨质疏松性腰椎骨折椎体的三维有限元模型,分析治疗前后病椎及邻椎的应力变化. 方法：选取1例75岁骨质疏松性L2椎体压缩性骨折患者,经双侧椎弓根注入少量骨水泥获得良好疗效,随访2年病椎及邻椎无新发骨折,局部无疼痛.根据其治疗前后的腰椎CT数据,构建三维有限元模型,模拟腰椎屈伸、左右侧屈、旋转等运动,统计分析治疗前后同一运动状态下的应力变化. 结果与结论：建立了腰椎压缩骨折骨水泥注入前后的三维有限元模型,共生成222727个单元.骨水泥注入增加了L2椎体（病椎）屈、伸、侧屈各运动时的应力（P 〈0.05）,对其旋转时的应力无明显影响（P 〉0.05）;对L1,L3椎体（邻椎）在屈、伸、侧屈及旋转时的应力亦无影响（P 〉0.05）.提示少量骨水泥注入治疗老年骨质疏松性腰椎骨折可增加病椎强度及应力,但不改变相邻椎体应力.     

颈枕部三维非线性有限元模型的有效性验证

背景：人体组织属性主要表现为非线性,颈枕部的生物力学特点更易受软组织材料属性变化的影响,因此建立非线性有限元模型与人体真实属性更接近. 目的：构建正常成人颈枕部三维非线性有限元模型并验证其有效性. 方法：利用MarConi MX8000多层螺旋CT对健康成人进行颅底-C3段扫描,获取二维图像.直接读入Dicom格式原始图像,图像分割,数据光顺,三维重建后生成颅底-C3节段脊柱三维实体模型;将此模型导入ScanFE模块,进行体网格划分;在ANSYS 10.0软件中直接导入以上三维模型,构建颅底-C3段内韧带单元,模拟韧带力-位移曲线,建立完成颅底-C3段的三维非线性有限元模型.垂直向下方向施加40 N预载荷,1.5 N？m力矩模拟前屈、后伸、侧屈及旋转运动,对比分析实验结果,判断模型应力分布与临床相符度. 结果与结论：构建的三维非线性有限元模型包括663551个单元,178247个节点.施加预载荷及1.5 N？m力矩后,寰枕关节运动范围为前屈13.3°、后伸11.9°、侧屈4.3°、旋转8.7°;寰枢关节运动范围为前屈15.5°、后伸12.6°,侧屈6.4°、旋转30.8°,与尸体标本实验结果相符.从整个模型的纵向应力分布看,在任何相对位置状态下,枢椎齿状突后方的应力均较高,后伸位时应力增高区域加大.上颈椎的应力主要集中于椎管周围,寰椎侧块两端及枢椎横突的应力则较小.对比研究发现,在不同相对工况下前屈、后伸、侧屈、旋转时C2-C3小关节应力均大于钩椎关节,颈枕部三维非线性有限元模型的应力分布特点符合临床实际情况.结果提示应用多层螺旋CT扫描得到的二维图像及simple ware、Ansys10.0软件,建立的颈枕部三维非线性有限元模型符合人体真实的运动规律,可以很好地模拟颈枕部的生物力学特性.     

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。     

原位及复位融合腰椎滑脱的三维有限元分析

背景：由于脊柱结构复杂,对复位或原位融合后融合的腰椎节段应力分布变化特点的精确生物力学分析一直是个难点。目的：通过建立b5节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定的三维有限元模型来比较腰椎滑脱原位融合和复位融合两种手术方式在各种载荷下的生物力学变化及其对腰椎稳定的影响。方法：根据健康成年男性的下腰椎CT数据,利用mimics,Catia和Patran,Marc等软件建立起b5节段的三维有限元模型,利用此模型模拟退变性腰椎滑脱,在此基础上建立L4／5节段原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合内固定模型,分析两模型在各种载荷下的应力分布特点,并比较异同。结果与结论：L舶节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定三维有限元模型在前屈后伸侧屈旋转负荷下,该节段各部结构,包括椎体,椎弓根钉内固定器和椎问融合器上的应力变化没有显著差异。两模型都显示椎间融合器和椎弓根螺钉内固定器上分布的应力最大。结果表明退变性腰椎滑脱,行原位椎间融合内固定和复位椎间融合内固定后,复位与否对该节段生物力学没有显著影响。     

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GE64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144411个节点,88742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。     

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。     

不同运动步态下锁定加压钢板固定胫骨干骨折的有限元分析

背景：目前有限元分析广泛应用于人体骨折内固定模型的力学分析,但大多研究局限于静态下,动态下的骨折模型有限元分析尚未见报道。目的：通过三维有限元分析来探讨锁定加压钢板固定胫骨干不同类型骨折在不同运动步态下的应力分布情况。方法：利用CT扫描获得正常成人胫腓骨及足部的薄层扫描图像;运用相关软件建立其三维模型,在此模型上模拟出胫骨中段横行、斜行、粉碎性、螺旋形4种类型骨折,并与锁定钢板进行装配生成实验模型,各组模型加载相同的轴向压缩载荷600N。通过有限元分析软件Ansys12.0分别测定各组模型在落地相、中立相、离地相三种步态下的应力分布情况。结果与结论：在步态下,胫骨在骨折各组中的应力分布由小到大均为：落地相〈中立相〈离地相。锁定钢板在胫骨中段横行、斜行、粉碎性骨折中的应力分布由小到大均为：中立相〈落地相〈离地相;在胫骨中段螺旋形骨折中应力分布由小到大为：离地相〈中立相〈落地相;提示在运动步态中,钢板和胫骨均在离地相受力最大。钢板的应力集中在中间或边缘;而胫骨的应力分布在骨折线以上靠近近端,骨折线以下靠近骨折线。就胫骨整体而言,呈现两端集中,中间分散的状态。     

腰椎间融合后路非对称与对称固定螺钉应力的有限元比较

背景：经椎间孔腰椎间融合非对称固定的生物力学稳定性研究,发现固定效果与双侧椎弓根螺钉接近,可满足临床应用所需生物力学要求。经关节突椎弓根螺钉参与经椎间孔腰椎间融合非对称固定的螺钉力学安全性又会怎样呢？目的：建立L4＋s功能节段左侧经椎间孔腰椎间融合后,分别予以同侧椎弓根螺钉＋对侧经关节突椎弓根螺钉、同侧椎弓根螺钉＋对侧经椎板关节突螺钉及双侧椎弓根螺钉固定的三维有限元模型,施加相同的载荷,分析不同运动状态下螺钉应力分布特点,比较3种螺钉应力状况。方法：对一成人正常L4—5椎节段标本、椎间融合器、椎弓根螺钉和皮质骨螺钉进行64排螺旋CT扫描,通过Mimicsll．1建立左侧经椎间孔腰椎间融合后3种内固定组合（同侧椎弓根螺钉＋对侧经椎板关节突螺钉、同侧椎弓根螺钉＋对侧经关节突椎弓根螺钉及双侧椎弓根螺钉固定）的几何模型,利用Simpleware3．1软件分别建立三维有限元模型,模拟500N惦Nm载荷下前屈、后伸、左＼右侧弯、左＼右侧旋等6种运动状态,用Abaqus6．8软件进行螺钉应力变化和分布特点分析。结果与结论：由于经椎间孔腰椎间融合入路切除了左侧关节突,造成内植物应力分布不对称,对弹性模量大的内固定器械一椎弓根螺钉应力影响最大,尤其是在左旋运动时。在不对称组合内固定中,由于关节突关节螺钉的使用,使对侧椎弓根螺钉应力相应增加,以左旋运动时尤为明显,但关节突关节螺钉断裂的危险性增高不明显。提示为降低螺钉断裂的风险,经椎间孔腰椎间融合后路3种组合内固定均应严格限制旋转运动,尤其是关节突切除侧的旋转运动。