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。     

胸腰段脊柱有限元模型的建立及其生物力学分析

目的 通过建立贴近实际的胸腰段椎体三维有限元模型并对其进行生物力学分析,为进一步研究其损伤机制及评价不同治疗方法的效果提供方便.方法 将一名健康成年男性的胸腰段椎体CT图像以DICOM格式输出并保存,导入医学三维重建软件MIMICS10.01中进行处理,产生三维实体,并确定单元类型,赋予材料属性后进行网格划分,然后将实体模型导入ANSYS12.0有限元软件中生成胸腰椎三维有限元模型,验证模型有效性后,分析其在准静态条件下的应力分布规律.结果 建立了T12～L2的三维有限元模型,共包括52 502个节点和247 082个单元.本模型几何相似性好,与其他体外实验及动态冲击试验所得结果基本一致.结论 所建立的T12～ L2有限元模型,能够真实模拟实际情况,并能够进行生物力学分析,为下一步研究奠定基础.     

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。     

兔胫骨骨折的有限元模型

背景:医学生物力学有限元分析的原始资料多为人体CT数据,大范围的CT扫描势必会对人体造成一定的射线伤害。目的:建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型。方法:选取雄性1年龄新西兰大白兔1只,开放锯断左侧胫骨中段,MIMICS10.01软件直接读取以层厚0.625mm对左侧胫腓骨不间断扫描得到以DICOM3.0格式刻盘保存的CT图片135张,经过定位图像、组织图片、内插值处理以及表面光滑化处理建立面网格模型,导入ANSYS10.0软件构建体并划分体网格,在MIMICS10.01中赋材质。结果与结论:建立了外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的胫骨中段骨折有限元模型,经加载分析模型真实有效。可见应用MIMICS10.01和ANSYS10.0软件能快速建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型,为进一步进行实验兔骨折愈合生物力学分析奠定基础。     

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

背景:国内外已有学者将有限元分析用于脊柱的生物力学模拟,但对人工帷间盘置换前后腰椎生物力学系统的有限元模拟报道较少.目的:实验建立腰椎运动节段SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘置换的新型三维有限元模型,并在此基础上进行有限元分析.设计、时间及地点:观察性实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成.对象:选择1名健康成年男性志愿者作为模拟对象,对脊柱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.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.主要观察指标:结合SB-Chaite Ⅲ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.结果:成功建立了腰椎运动节段的三维模型和有限元模型.L4～5节段SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘置换的有限元模型总节点数为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.     

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。     

腰椎运动节段流固耦合有限元模型的建立与验证

背景:传统的脊柱生物力学体外实验难以取得椎间盘液体相关的力学性能数据,国外可见多孔弹性有限元模型用于腰椎的固液二相性的研究,然而国内罕见相关报道.目的:利用ANSYS12.1有限元分析软件,建立腰椎运动节段流固耦合有限元模型,旨在推动有限元分析技术在脊柱生物力学方面的广泛应用.方法:对1名健康男性志愿者进行L4～5运动节段的螺旋CT扫描成像,利用医学图像处理软件Mimics10.01对其进行预处理,再利用逆向工程软件Geomagic9 0对模型进行NURBS曲面重构,然后导入有限元软件ANSYS12.1重建椎体皮质骨、松质骨、纤维环和髓核等结构,最后通过划分网格、定义材料属性、定义接触、加载求解等操作建立了腰椎运动节段流固耦合三维有限元模型,并将椎间盘高度随时间变化的数据与文献数据进行比较,以验证模型的有效性.结果与结论:建立了L4～5运动节段的流固耦合有限元模型,模型的总节点数210 718个,总单元数85 973个.将本模型所测得的椎间盘高度数据与文献数据进行比较,结果基本一致.腰椎流固耦合有限元模型更加符合人体的生物力学特点.     

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。     

兔胫骨骨折的有限元模型

背景：医学生物力学有限元分析的原始资料多为人体CT数据,大范围的CT扫描势必会对人体造成一定的射线伤害。目的：建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型。方法：选取雄性1年龄新西兰大白兔1只,开放锯断左侧胫骨中段,MIMICS10.01软件直接读取以层厚0.625mm对左侧胫腓骨不间断扫描得到以DICOM3.0格式刻盘保存的CT图片135张,经过定位图像、组织图片、内插值处理以及表面光滑化处理建立面网格模型,导入ANSYS10.0软件构建体并划分体网格,在MIMICS10.01中赋材质。结果与结论：建立了外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的胫骨中段骨折有限元模型,经加载分析模型真实有效。可见应用MIMICS10.01和ANSYS10.0软件能快速建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型,为进一步进行实验兔骨折愈合生物力学分析奠定基础。     

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t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。     

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。     

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°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。     

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.     

Wallis腰椎非融合系统的有限元分析

背景：目前Wallis非融合系统临床应用短期效果明显。目的：构建Wallis腰椎非融合系统有限元模型,分析Wallis腰椎非融合在腰椎不同生理运动情况下的应力分布。方法：选取8例腰椎间盘轻度退变的志愿者采用连续螺旋CT扫描,导入Materialise Mimics10.01软件,三维重建L4～5椎体及椎间盘三维模型,与文献结果进行对比,验证模型有效性。在AutoCAD2009软件中建立Wallis系统模型,导入Materialise3-Matic4.3软件,将重建的Wallis模型按标准手术模式与腰椎模型拟合,导入Abaqus6.9软件,生成有限元模型,并进行分析腰椎前屈、后伸、侧屈及旋转运动时Wallis腰椎非融合系统的应力变化。结果与结论：实验所建立的腰椎三维有限元模型共有233438个单元,48174个节点;所建立的Wallis系统的三维有限元模型,共有11857个单元,3398个节点,将二者拟合,模型共有245295个单元,51572个节点,重建的三维模型可以精确地模拟Wallis非融合系统固定情况。通过应力云图显示前屈、后伸、侧屈及旋转运动下Wallis系统的应力分布情况,此模型说明Wallis系统参与了腰椎不同方向的活动,与腰椎很好地匹配,顺应了腰椎的运动,位于上下棘突之间的部分应力较大,且与下位椎体棘突相接触部分的应力最高。说明应用CT扫描技术及Mimics软件能直接与Abaqus软件进行对接,并能根据CT值直接赋值使Wallis腰椎非融合系统有限元模型的建立更加快捷和精确,Wallis棘突间撑开器植入后可分担椎间盘应力和小关节压力,Wallis系统本身和棘突应力升高,有棘突骨折及植入物疲劳性断裂的可能性。     

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。