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114 953.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.     

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。     

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。     

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。     

基于三维有限元法的腰椎动态稳定系统建立及生物力学行为初步分析

目的：基于三维有限元建模方法,建立腰椎弓根动态稳定钉棒系统的模型,初步分析处于不同载荷下腰椎的应力分布及各节段的活动度。方法对一名健康成年男性志愿者行CT扫描,用Mimics 10.01、Abaqus 6.10软件建立正常人L3～S2节段模型。结合Bioflex动态稳定系统建立模型。对模型施加150 N预载荷,在3个主平面施加10 Nm扭矩,获得前屈、后伸、侧屈及旋转6种运动状态下的Bioflex钉棒应力分布和各节段的椎间活动度,初步测定后伸及旋转运动的活动度。结果建立的腰椎L3～S2节段和动态稳定系统有限元模型符合生物力学模型,初步分析显示腰椎动态稳定系统的应力主要集中于螺旋固定棒;在各种加载下,腰椎动态固定的节段活动度明显降低。结论基于三维有限元方法建立的Bioflex腰椎弓动态固定模型能很好地模拟腰椎的动态固定力学活动,可以对固定后的腰椎的应力和各种活动进行很好的模拟,具有很好的研究价值。     

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.     

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.     

腰椎三维几何和力学模型

该研究在主要目的是制作一个精密的腰椎运动节段三维几何和三维有限元模型。该模型的建立是把ＣＴ图像矢量化、数字化形成三维几何模型。划分单元后输入各结构的力学特征，形成有限元模型。通过有效性检验，说明它是一个有价值的模拟工具，能够在不同状态下模拟脊柱     

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。     

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.     

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。     

有限元在人体脊柱应用进展及在脊柱畸形方面应用的前景

脊柱有限元法是近年来出现在脊柱生物力学的一种较新的研究方法,现得到了广泛应用。本研究对有限元法的发展过程,有限元在颈椎、胸椎、腰椎的研究现状进行描述,以及有限元在脊柱侧凸和后凸畸形模型发展的现状及展望进行评价。     

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。     

有限元方法在腰椎生物力学研究中的运用

有限元法是较新的脊柱生物力学研究方法,其与传统生物力学方法相互补充和验证的作用越来越受到重视。近二十几年来,有限元分析法在脊柱生物力学研究领域中已得到日益广泛的应用。本文简述了有限元法的概念及发展过程;介绍近年来有限元方法在腰椎椎体、正常腰椎间盘及退变腰椎间盘生物力学研究中的运用;评价该方法的优缺点及发展方向。     

颈椎三维有限元模型的建立与应用

目的建立颈椎的三维有限元模型(C4/5/6),以用于临床试验研究。方法根据条件选取健康成年男性志愿者,通过CT扫描,得到颈椎的连续断层数据图片,通过医学三维重建软件Materialise Mimics、作图软件Uni-graphics NX、有限元分析软件ANSYS 8.1构建出颈椎的三维有限元模型,进行边界设定,在模型上加载45N的预载荷,再加以2.0 N.M的纯力矩模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、旋转的生理活动,观察正常FSU(C4/5)的运动与受力,并与体外实物生物力学实验结果比较。结果C4/5三维有限元模型的运动范围与体外实体实验结果在统计学上没有显著差异(P<0.01)。结论建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎的生物力学特性。     

有限元分析在强直性脊柱炎后凸畸形中的应用进展

三维有限元分析法是研究脊柱生物力学的重要手段之一。随着三维有限元分析软件技术的日趋成熟和对脊柱生物力学的认识不断加深,为相关学者对治疗脊柱相关疾病过程中的应力分析影响研究提供了有利条件,并日益受到医学界的重视。本文从有限元法概念及原理、构建脊柱有限元模型的作用、有限元在脊柱畸形研究中的应用及其医学应用前景等方面综述了近年来的一些研究进展。     

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。