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.     

利用CT图像和ADINA软件建立新型正常中国男性腰椎运动节段三维有限元模型

目的探讨多节段腰椎有限元模型的建立方法,为脊柱生物力学的研究提供条件。方法选取一正常男性自愿者L3～L5节段为研究对象,通过CT断层扫描、图像数字化分析及ADINA软件处理建立多节段腰椎有限元模型,并模拟力学作用进行模型真实性验证。结果建立了正常中国男性L3～L5运动节段三维有限元模型,模型总结点数为16 532个,包括12 130个Solid单元,208个Truss单元,16个planar单元。结论利用CT图像和ADINA软件建立新型腰椎运动节段三维有限元模型,为腰椎运动节段有限元模型的建立提供了一种简便、准确的方法,为探究腰椎多个运动节段三维有限元模型在各种应力应变状态下的生物力学特性创造了条件。     

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.     

退变性腰椎滑脱三维有限元模型的建立

目的建立L4-L5退变性腰椎滑脱节段的有限元模型,用于生物力学研究.方法临床选用L4-L5退变性腰椎滑脱症患者,通过螺旋CT扫描,Adobe Photoshop 5.0系统对图像进行处理,划分节点和单元,建成有限元分析模型.结果建立了L4-L5退变性腰椎滑脱节段的有限元模型,模型总节点数为1162个,总单元数为662个.结论通过CT断层扫描、计算机辅助设计等方法,可以建立退变性腰椎滑脱节段的有限元模型.     

不同工况对腰椎运动节段作用的三维有限元模型分析

目的：研究各种工况条件下腰椎活动节段的三维有限元模型。方法：使用ABAQUS6．5有限元分析软件建立L4-5运动节段的三维有限元模型,分析腰椎运动节段在屈曲、拉伸、侧屈及旋转扭矩作用力下各部结构的应力变化。结果i压缩时椎体密质骨、椎弓根、椎弓峡部和后部小关节部应力最高;拉伸时小关节出现应力集中,高于其他部分;侧屈时屈侧椎体、后部小关节及椎间盘部为应力集中,拉伸侧呈张应力;轴向旋转时后部小关节及椎间盘后部应力较高;屈曲加旋转时椎体及椎间盘前缘、后部小关节处出现应力集中。结论：应用有限元分析能形象模拟腰椎活动节段各种载荷下的应力分析,不同运动条件下,腰椎运动生理节段的应力集中部位不同。这是中医旋转复位手法治疗腰椎小关节紊乱和腰椎间盘突出症的力学依据之一。     

腰椎运动节段数字模型建立及三维可视化研究

目的 寻求基于CT断层图像重建腰椎运动节段数字模型及三维可视化的方法.方法 基于腰椎L4-5的64排螺旋CT连续断层二维图像,Mimics软件分别对腰椎骨性结构及各种软组织进行重建,并导人有限元分析软件进行模型验证.结果 建立腰椎L4-5运动节段三维数字模型,包括两个椎体、皮质骨、松质骨、终板、纤维环、髓核及6种韧带,数字模型可输出用作CAD(计算机辅助设计)、RP(快速成型)及FEA(有限元分析)研究.结论 薄层CT、Dicom标准的应用使数字模型的建立更为精确,Mimics软件建立人体骨骼及软组织各种结构更为方便,并可以输出数字模型用于进一步研究.     

腰椎L4～L5活动节段有限元模型的建立与验证

目的:采用一种新型计算机辅助设计(CAD)方法精确建立腰椎L4～L5节段三维非线性有限元模型并进行充分验证.方法:采用改良的"非种子区域分割方法"提取腰椎CT图像数据中目标区域得到二值图像,用Marching Cubes方法由二值数据生成初始表面模型.采用反映腰椎生理曲度的"最佳切割平面"从初始表面模型获得非平行的切割轮廓线并建立"分段线性子空间",后者经仿射变换到"规则子空间"快速重构腰椎曲面,最后逆变换恢复腰椎原三维空间形状特征.将表面模型所有结点的坐标数据和三角面片信息导入ANSYS进行网格划分精确建立L4～L5节段三维非线性有限元模型,并进行加载验证.结果:所构建的L4～L5活动节段有限元模型包括94 794个Solid单元,1 196个Link单元,1 170个Shell单元,768个Target单元,464个Contact单元;同时包含了几何非线性、材料非线性与接触非线性3种非线性类型.不同载荷条件下L4～L5节段有限元模型的移位/旋转角度、椎间盘内压等预测结果与文献中相同载荷条件的试验生物力学结果相符合.结论:基于先进算法建立的腰椎L4～L5节段表面模型实现了二值图像提取、腰椎曲面重构的全数字化过程,具有极佳的仿真效果.     

胸腰段骨质疏松三维有限元模型的建立及临床应用

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,为腰椎骨质疏松的生物力学试验提供标准模型。方法:一个有代表性的健康成年男性志愿者,范围从T11～L2,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0.699mm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T11～L2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0.699mm层厚引起的数据丢失予以修补。利用有限元软件Patran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Patran成功进行正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分。完整的脊柱胸腰段三维有限元模型包括共276580个四面体单元,8532个六面体单元,673个杆单元,总计共95219个结点。建立的模型负荷正常椎体的几何特性;②骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立:利用有限元软件Patran的前处理功能,对不同组织的物理特性进行定义,皮质骨、终板、后部结构模量减少33%,松质骨减少66%,同时考虑髓核脱水,弹性模量增加1倍,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后凸成形术的评估。     

非线性三维有限元法分析腰椎间盘退变

目的 探讨椎间盘退变对腰椎活动节段生物力学的影响.方法 采用新型的基于CT图像的CAD建模方法精确建立L4-L5运动节段的三维非线性有限元模型,并通过改变椎间盘材料特性和椎间盘高度等参数,建立正常椎间盘模型和轻、中、重度椎间盘退变模型,分别对4种有限元模型进行生物力学测试,比较4种模型之间刚度、髓核内压、后部结构力、纤维环基质最大应力的差异,并比较椎体、终板的应力分布变化.结果 各种载荷条件下,退变椎间盘模型刚度均与正常椎间盘模型不同,其中轻度退变模型刚度小于正常模型,而中度退变模型和重度退变模型刚度大于正常模型,且重度退变模型刚度大于中度退变模型;与正常模型比较,轻度退变模型的后部结构力略有增大,而中度退变和重度退变模型的后部结构力逐渐减小;随着椎间盘退变程度的增加,髓核内压逐渐减小,纤维环基质最大von Mises应力渐行性增大,各指标在5种载荷下表现一致;随着椎间盘退变的加重,椎间盘承载向纤维环分散,椎体、终板外缘出现应力集中现象.结论 椎间盘退变可导致腰椎活动节段刚度改变,轻度椎间盘退变引起腰椎刚度下降,而中、重度椎间盘退变时腰椎刚度增加;椎间盘退变时腰椎间盘承载与腰椎后部结构力呈现负相关变化;退变椎间盘的承载模式发生改变,椎间盘、椎体、终板应力分布存在向外周扩散的趋势.     

非限制性人工椎间盘假体植入三维有限元模型的建立

目的:建立非限制性人工椎间盘假体(NAD)及腰椎L4~L5活动节段高精度三维有限元(FE)模型,拟为生物力学实验研究提供标准数学模型?方法:在Auto CAD中设计NAD假体,基于CT数据通过Mimics建立腰椎L4~L5节段三维模型,将NAD模型放置于L4~L5椎间盘,数据导入Abaqus采用有限元装配技术转换成有限元模型?观察NAD置换后FE模型的模拟单元?节点及构成组件?采用轴向负荷400 N以模拟L4~L5节段正常的中立位负荷,采用轴向负荷400 N及10 N?m模拟后伸负荷,验证所建立模型的科学性?结果:建立了非限制性人工椎间盘假体放置于腰椎L4~L5活动节段高精度三维有限元模型,包括:腰椎L4~L5活动节段FE模型34 123个节点及162 858个单元,其中椎体161 679个四面体单元,椎间盘?终板共1 053个六面体单元,韧带?关节囊?纤维共126个Link单元;NAD的FE模型1 583个节点及4 927个单元,其中终板共1 053个六面体单元,髓核3 724个六面体单元?力学测试显示中立位负荷及后伸负荷时所建立FE模型力学分布与现有结果一致?结论:通过计算机辅助设计可以自动化程度较高的方法建立高精度NAD假体有限元模型,Mimics通过基于阈值算法及参数化建模提供精确腰椎活动节段模型,两者可以基于有限元装配技术转换成有限元模型,该模型可用于脊柱生物力学的进一步研究?     

腰椎三维有限元模型建立和应力分析

目的 建立完整的腰椎三维有限元模型,并对腰3-4运动节段的进行了有效性验证和生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对CT图片进行预处理,后导人大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.分别建立了腰1-腰5各椎体及其椎间盘有限元实体,后组合成整体的腰椎和腰3-4有限元模型,并且还准确的模拟了腰椎的椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.验证了模型的收敛性,并针对腰34运动单元设置了0.3、0.5、1.0、2.0、4.0 mPa 5种载荷进行生物力学分析.结果 在轴向压力作用下,椎间盘纤维环后部存在着明显的应力集中,并向后外侧传导.最大压应力的部位在髓核和软骨终板的中央,椎弓根是椎体多种应力集中的部位.轴向压力增加,应力成比例增大.结论 本研究的有限元模型精确度高,结论符合腰椎的临床特点,较好的模拟了腰椎的生物力学特性.     

可膨胀椎间融合器治疗腰椎间盘轻度退变的有限元分析

目的: 建立可膨胀椎间融合器(EVIFC)和第4、5腰椎的有限元模型,分析EVIFC植入对腰椎生物力学的影响,为EVIFC的临床应用提供依据。方法: 根据健康成年男性腰椎CT扫描数据建立正常第4、5腰椎有限元模型,在此模型上模拟腰4-5椎间盘轻度退变,在三维模型上植入EVIFC。在屈伸、侧弯和旋转的载荷下,分析腰椎模型置入EVIFC前后的稳定性、椎间盘压力、终板压力及小关节载荷变化。结果: EVIFC的置入减少了退变节段终板、髓核和小关节的应力。屈伸时,腰4-5椎体退变模型的终板及髓核平均压力分别是6.1620和0.2016MPa,小关节载荷是32.8N;植入EVIFC后其数值分别是3.526、0.107MPa和8.5N。侧弯及旋转载荷结果一致。对于邻近的腰椎节段,与退变模型比较,植入EVIFC后,腰4-5终板和髓核应力值均有所减小,但其相邻节段纤维环的应力值均有所增加。结论: EVIFC对退变腰椎能起到良好的稳定效果,可满足人体生物力学需求,是一种适宜的新型腰椎融合器。     

胸腰椎三维非线性有限元模型的建立

目的 为胸腰椎的生物力学有限元分析研究建立有效的T11～L3节段的三维非线性有限元模型.方法 将健康成人自T11～L3节段脊柱的CT扫描图像,以DICOM格式导入软件Simpleware2.0,生成三角网格模型.利用软件Geomgic8对模型进行修复和优化后生成实体模型,导入有限元软件Abaqus6.9中,骨性结构均采用C3D8单元;椎间盘由髓核和纤维环组成,髓核由5层8节点实体单元组成,纤维环有8层相互交叉胶原纤维层组成,髓核与纤维环采用C3D8RH单元进行网格划分,胶原纤维采用TRUSS单元;赋予所有韧带1 mm的厚度,通过S4R壳单元模拟了前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带,采用S3R壳单元模拟小关节囊韧带.赋予椎间盘超弹性、骨性结构弹塑性及韧带黏弹性材料属性.并通过验证模型的几何相似性和椎间盘的载荷-位移变化以及冲击暴力下的应力分布情况,验证模型的有效性.结果 建立了胸腰椎(T11～L3)的三维有限元模型,共包含71 939个节点和78 887个单元.本模型几何相似性好;与体外实验在相同条件下得到的椎间盘载荷-位移曲线图结果非常相近;在动态冲击实验下观察应力云图,椎体皮质骨、后部结构及松质骨的应力分布规律和其他实验一致.结论 建立的具有六面体网格的、非线性模型的完整胸腰椎(T12～L1)有限元模型,可进行冲击实验并进行动态分析,为下一步进行胸腰椎生物力学研究提供了有效的三维有限元模型.

Abstract：

Objective To build an effective nonlinear three-dimensional finite-element (FE) model of T11 - L3 segments for a further biomechanical study of thoracolumbar spine. Methods The CT ( computed tomography) scan images of healthy adult T11 - L3 segments were imported into software Simpleware 2. 0 to generate a triangular mesh model. Using software Geomagic 8 for model repair and optimization, a solid model was generated into the finite element software Abaqus 6. 9. The reasonable element C3D8 was selected for bone structures. Created between bony endplates, the intervertebral disc was subdivided into nucleus pulposus and annulus fibrosus (44% nucleus, 56% annulus). The nucleus was filled with 5 layers of 8-node solid elements and annulus reinforced by 8 crisscross collagenous fiber layers. The nucleus and annulus were meshed by C3D8RH while the collagen fibers meshed by two node-truss elements. The anterior (ALL) and posterior (PLL) longitudinal ligaments, flavum (FL), supraspinous (SSL), interspinous (ISL) and intertransverse (ITL) ligaments were modeled with S4R shell elements while capsular ligament (GL) was modeled with 3-node shell element. All surrounding ligaments were represented by envelops of 1 mm uniform thickness. The discs and bone structures were modeled with hyper-elastic and elasto-plastic material laws respectively while the ligaments governed by visco-elastic material law. The nonlinear three-dimensional finite-element model of T11 - L3 segments was generated and its efficacy verified through validating the geometric similarity and disc load-displacement and stress distribution under the impact of violence. Using ABAQUS/EXPLICIT 6. 9 the explicit dynamic finite element solver, the impact test was simulated in vitro. Results In this study, a 3-demensional, nonlinear FE model including 5 vertebrae, 4 intervertebral discs and 7 ligaments consisted of 78 887 elements and 71 939 nodes. The model had good geometric similarity under the same conditions. The results of FEM intervertebral disc load-displacement curve were similar to those of in vitro test. The stress distribution results of vertebral cortical bone, posterior complex and cancellous bone were similar to those of other static experiments in a dynamic impact test under the observation of stress cloud. Conclusion With the advantages of high geometric and mechanical similarity and complete thoracolumbar, hexahedral meshes, nonlinear finite element model may facilitate the impact loading test for a further dynamic analysis of injury mechanism for thoracolumbar burst fracture.     

胸段脊柱侧凸矫形术对腰段脊柱应力影响的有限元分析

目的采用有限元方法,分析胸段脊柱侧凸矫形术后对腰椎应力的影响。方法采用脊柱三维有限元模型模拟计算矫治特发性脊柱侧凸。在患者施行脊柱侧凸矫形术之前对胸段及腰段脊柱进行CT平扫,提取脊椎各节段椎体（胸2-腰5）的结构信息,删除肋骨等非脊柱结构并编辑分离脊柱节段,分别对脊柱侧凸矫形的主要步骤进行模拟并计算其腰段脊柱应力的分布。结果模拟计算结果显示脊柱腰段各椎体之间小关节周围的应力相对均大于模型中其他节段,最大值应力为68.62MPa,位于腰2与腰3之间凹侧椎小关节处。结论通过应力分布分析,腰椎应力较大,在矫形过程中,应充分考虑胸段脊柱侧凸矫形对腰椎的影响。     

复杂性腰椎管狭窄症的有限元建模与分析

目的精确建立复杂性腰椎管狭窄症(lumbar spinal stenosis,LSS)的退变腰椎全节段有限元模型,与正常模型进行对比。方法选取复杂性LSS患者采集CT数据,采用专用生物力学软件建立退变腰椎全节段模型,同时构建正常材质和几何形态的腰椎模型,用相同边界条件进行对比分析。结果复杂性LSS腰椎的刚度增加、活动度范围比正常模型要小,特别是后伸工况减少了25.4%。总体上,退变腰椎的应力有增大趋势,退变节段椎间盘L4～L5和邻近上位椎间盘L3～L4的终板、髓核和和维环基质应力分布趋向四周边缘集中,特别是基质应力最大增加129%。结论复杂性腰椎管狭窄症的腰椎有限元模型的活动度减少、刚度增加,退变椎间盘四周出现应力集中,促进邻近椎间盘退变。     

脊柱胸腰段三维有限元模型的建立与验证

目的：建立正常脊柱胸腰段三维有限元模型并验证其有效性。方法：选择一位健康成人志愿者,通过CT扫描获得胸腰段数据,Mimics 10．01软件生成T12-L2椎骨三维模型,Geomagic 11．0、UG7．0生成三维实体模型,Hy—permesh10．0划分网格,并建立椎间盘、韧带等结构,Abaqus6．9．1加载求值,施加500N垂直压缩力,7．5Nm的前屈、后伸、左右侧屈及左右轴向旋转力矩,分三个载荷步（2．5、5．0和7．5Nm）施加,观察T12-L2节段运动范围。结果：建立了正常人胸腰段三维有限元模型,整个模型共90014个单元,158684个节点。对模型进行前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转作用,T12-L2节段的力矩-旋转角度曲线与文献体外实验数据基本吻合。结论：本实验建立的正常脊柱胸腰段三维有限元模型有效,可进行进一步的生物力学实验研究。     

Isobar TTL半坚强内固定系统与USS坚强内固定系统的三维有限元分析比较

目的建立USS坚强内固定系统、Isobar TTL半坚强内固定系统的腰椎三维有限元模型,对比两种模型的力学分布特点,探索动态内固定系统对腰椎生物力学的影响,为动态内固定系统临床应用提供理论依据。方法依据1名正常男性志愿者中立位下螺旋CT扫描资料,利用Mimics 11.1、Geomagic studio 10.0、HyperMesh 10.0和Abaqus 6.8等软件构建L3～S1三维有限元模型,重建Isobar TTL和USS术后模型,对模型施加150N预载荷及10Nm力矩,分别记录不同工况下模型的椎间活动度、邻段椎间盘应力及内固定应力分布和应力峰值。结果成功建立了解剖结构精细的L3～S1三维有限元模型及Isobar TTL和USS术后模型。Isobar TTL和USS模型应力主要分布在螺钉钉身,USS模型应力峰值大于Isobar TTL模型,主要集中在螺钉中部,但均不超过100MPa;Isobar TTL模型椎间稳定性与正常模型无明显差异,而USS模型的运动范围明显下降,在屈伸工况下最为明显;Isobar TTL模型邻段L3/L4椎间盘应力在前屈、后伸、侧曲、旋转工况下分别增加了6.2%、9.7%、3.6%、3.8%,而USS模型分别增加了8.5%、13.5%、4.3%、4.8%。结论 Isobar TTL系统能有效维持术后腰椎活动度,减少应力遮挡,理论上可以减缓邻近节段的退变。