Hangman骨折相关三维有限元模型的建立和验证

背景:目前有关上颈椎多节段有限元模型的相关文献很少,尚无建立Hangman骨折有限元模型的报道。目的:建立C2~4节段正常颈椎及不同程度Hangman骨折的三维有限元模型,并对各模型进行模拟及加载验证。方法:选择一健康成年男性志愿者进行C2~4节段CT扫描,以CT扫描图像为基础,在计算机工作站利用ANSYS等有限元分析软件,建立C2~4节段颈椎三维有限元模型,模型包括椎体和椎弓、椎间盘、韧带成分,在此模型基础上逐步模拟切断双侧C2椎弓峡部、切除C2~3前纵韧带和部分椎间盘的Hangman骨折模型,分别计算正常颈椎、不同Hangman骨折模型在模拟施加50N载荷下,C2~3,C3~4节段三维六自由度的角位移(ROM)。结果与结论:C2~3节段Hangman骨折加韧带椎间盘切除模型在各个方向上均较正常和固定模型ROM增大,在屈伸运动时增大最明显,而在旋转和侧屈时与正常标本相差不多。C3~4节段各组间的ROM相差不超过0.16°。各种三维有限元模型的位移和应力验证结果与实验生物力学结果基本相符,提示建立的三维有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验。     

人工颈椎间盘置换对下颈椎活动影响的三维有限元分析

建立人工椎间盘置入后下颈椎C_(3~7) 的三维模型,分析颈椎人工椎间盘置换后下颈椎运动情况.根据1例人工椎间盘置入患者术后6个月CT片,应用有限元方法建立其包含Bryan~(TM)人工颈椎间盘假体的下颈椎三维有限元模型,导入Ansys 9.0中,对椎体皮质骨、松质骨、椎间盘用三维十节点四面体结构实体单元进行网格划分后进行分析.对模型加载2 N·m的力矩,观察其在前屈/后伸、侧屈及旋转几种状态下的运动情况,了解其运动特性.通过与以往的研究结果比较,试验结果基本符合或趋势基本一致.结果提示,颈椎间盘置换后能基本保证下颈椎运动稳定性.     

利用螺旋CT数据建立上颈椎三维有限元模型

目的：建立上颈椎三维有限元模型．以期应用于临床相关的生物力学实验研究。方法：通过对正常人的CT薄层扫描获得原始DICOM图像数据．采用CAD数据处理技术进行计算机三维重建．改良建立的模型导进ANSYS9．0软件进行计算机模拟仿真生物力学研究。结果：所建模型外观清晰逼真。几何相似性好。三维重建结构可以单独或联合显示。甚至可行结构的任意取舍，重建结构的任意径线及角度均可进行适时三维测量。结论：该技术为临床医生对枕颈交界区有限元三维模型的建立提供了一种便捷而精确的方法，对计算机分析及研究该模型局部结构在各种受力情况下的生物力学表现创造条件。     

建立正常人C_(2～7)的三维有限元模型

背景:随着计算机技术的发展,颈椎生物力学研究不再局限于动物或人体尸体实验,计算机模型可以进行更准确的生物力学研究.目的:存已有研究的基础上,建立人体C2～7三维有限元模型,以期为颈椎前路分节段减压融合的生物力学研究提供参考数据.方法:选择1名28岁健康男性志愿者为观察对象,无明显的颈椎病史,扫描前先拍摄颈椎正侧位、斜位、过伸过屈位X射线片以排除颈椎病变.首先根据志愿者CT扫描图片,采用计算机辅助设计数据处理技术,输入相关的材料特性,构建C2～7三维有限元模型.模型重建采用先进的Geomagics系统,可以准确模拟颈椎结构,有限元部分则采用广泛使用的ANSYS系统.其次在1.8 N·m作用力下,观察节段运动与力-位移反应,并与国外的实验结果对比,在前屈、后伸、侧弯和旋转等4种工况(载荷状态)下对模型进行验证.结果与结论:整个模型包括C2～7六个椎体、C2/3～6/7五个椎间盘以及后部结构与主要韧带,共有23 348个节点和215 749个单元.在模拟外力的作用下,模型前屈、后伸、侧弯和旋转工况下的颈椎活动度与以往实验模型结果数据基本吻合.提示所建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验,进行生物力学分析.     

颈椎人工椎间盘置换三维有限元模型

目的:建立颈4-5 PrestigeTM-LP人工颈椎间盘植入后的三维有限元模型.方法:采用成年男性的新鲜尸体的颈椎标本进行CT三维扫描,通过三维重建软件Mimics system和AutoCAD形成颈椎C4-5和PrestigeTM-LP人工颈椎间盘假体三维图形文件,经有限元分析软件ANSYS8.0建立颈椎C4-5和PrestigeTM-LP人工间盘有限元,模拟完成C4-5人工椎间盘置换手术.结果:成功建立颈椎C4-5节段PrestigeTM-LP人工颈椎间盘置换有限元模型,对颈椎的后部结构、颈椎关节突关节、钩椎关节等均进行了模拟重建.共计包含174 923个solid单元,249 006结点,88个缆绳单元及相应176个结点.结论:模型具有精确度高,单元划分精细,手术模拟真实的特点,可用于颈椎人工间盘置换后的生物力学研究.     

上颈椎三维有限元模型的建立

目的:建立上颈椎三维有限元模型,以期应用于临床相关的生物力学实验研究中。方法:实验于2005-05/2006-01在南方医科大学解剖及生物力学实验室完成。选取2例自愿参与实验的健康青年男性,均经医院伦理委员会批准,且受试者知情同意。复习病史并行X射线平片检查排除枕颈部疾患。通过对正常人的CT薄层扫描获得原始DICOM图像数据,采用CAD数据处理技术进行计算机三维重建,改良建立的模型导入ANSYS9.0软件进行计算机模拟仿真生物力学研究。结果:所建模型外观清晰逼真,几何相似性好。所建的上颈椎有限元模型能够通过验证,与体外生物力学实验结果基本吻合,可进一步行各种上颈椎有限元力学分析。结论:为临床对枕颈交界区有限元三维模型的建立提供了一种便捷而精确的方法,对计算机分析及研究该模型局部结构在各种受力情况下的生物力学表现创造条件。     

下颈椎全椎板切除后侧块螺钉内固定系统重建稳定性的有限元模型构建及其临床意义

目的:建立下颈椎(C3～7)全椎板切除后侧块螺钉内固定系统重建稳定性的有限元模型,为颈椎手术技术的生物力学研究提供一套通用的内固定手术有限元建模方法。方法:采集1例正常男性下颈椎(C3～7)CT数据集,应用Mimics10.01、Geomagic studio10.0、HyperMesh10.0、Abaqus6.9.1等软件建立下颈椎三节段全椎板切除后侧块螺钉内固定系统重建稳定性的有限元模型。模拟施加75N头颅预载荷和1.0Nm运动附加力,使模型产生前屈、后伸、侧屈和旋转运动,分析重建后侧块螺钉内固定系统的应力分布。结果:建立了颈椎三节段全椎板切除后侧块螺钉内固定系统重建稳定性的有限元模型。侧块螺钉内固定系统重建时,钛棒与螺钉接合部易发生应力集中。结论:本有限元模型的力学分析结果能直观地反映临床上侧块螺钉内固定系统易断钉的部位及其原因;有限元模型可作为颈椎生物力学研究的工具。     

建立正常人C2～7的三维有限元模型

背景：随着计算机技术的发展,颈椎生物力学研究不再局限于动物或人体尸体实验,计算机模型可以进行更准确的生物力学研究。目的：在已有研究的基础上,建立人体C2～7三维有限元模型,以期为颈椎前路分节段减压融合的生物力学研究提供参考数据。方法：选择1名28岁健康男性志愿者为观察对象,无明显的颈椎病史,扫描前先拍摄颈椎正侧位、斜位、过伸过屈位X射线片以排除颈椎病变。首先根据志愿者CT扫描图片,采用计算机辅助设计数据处理技术,输入相关的材料特性,构建C2～7三维有限元模型。模型重建采用先进的Geomagics系统,可以准确模拟颈椎结构,有限元部分则采用广泛使用的ANSYS系统。其次在1.8N？m作用力下,观察节段运动与力-位移反应,并与国外的实验结果对比,在前屈、后伸、侧弯和旋转等4种工况（载荷状态）下对模型进行验证。结果与结论：整个模型包括C2～7六个椎体、C2/3～6/7五个椎间盘以及后部结构与主要韧带,共有23348个节点和215749个单元。在模拟外力的作用下,模型前屈、后伸、侧弯和旋转工况下的颈椎活动度与以往实验模型结果数据基本吻合。提示所建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验,进行生物力学分析。     

构建寰枢椎前路融合后三维有限元模型及生物力学分析

获取正常枕寰枢的CT扫描的计算机数字图像数据,利用Mimics软件将图像坐标数据转换成ASCII格式的点云数据,并利用CATIA软件对点云进行处理,通过Geomagic studio,Catia建立几何模型,然后导入有限元处理软件Hypermesh,Ls-dyna建立最终的寰枢椎三维有限元模型,依据经口咽入路寰椎前弓、齿状突切除并侧块关节融合术,在有效的寰枢椎有限元模型上,通过单元结构的删、填来模拟手术,建立术后模型:模拟颈椎运动、加载力,了解术后颈椎的应力云图的变化和活动度.建立了有效的正常的寰枢椎有限元模型,并在此基础上利用Hypermesh软件模拟了寰枢椎术后,并很好的观察了术后寰枢椎生物力学的变化.结果提示采用CT扫描资料初步建立了一个解剖学模拟详细的寰枢椎三维有限元模型,通过了有效性验证,在其基础上能够建立前路寰枢椎融合后模型,对该模型生物力学改变及其对颈椎稳定性的影响可以进行有效的,可重复的有限元仿真分析.     

全颈椎有限元模型的建立与验证

背景:有限元分析作为数值计算中的一种离散化方法,具有实验时间短、费用少、对身体无任何破坏、力学性能测试全面及可重复实验等突出优点.以往研究多将其集中应用于腰椎模型,由于颈椎解剖结构及损伤机制复杂,稳定性差等原因,颈椎有限元模型研究不多,并且研究只局限于单椎体和运动节段.目的:建立更为真实、有效的全颈椎三维有限元模型,用于临床生物力学研究.方法:对1名既往无颈椎病史健康男性志愿者的颈椎进行CT扫描成像,应用CAD造型软件Solid-Works2003、HyperMesh软件和ANSYS11.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎周围组织赋予不同的材料特性,引入接触理论和非线性结构计算方法,建立全颈椎有限元模型.在所建模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转6种工况下的生理活动,并与生物力学实验数据进行对比.结果与结论:所建模型共有97 705个节点,372 896个单元.所建立模型在前屈/后伸、左右侧弯、左右旋转6种方向的运动范围,理论分析结果与生物力学实测数据高度一致.证实建立的全颈椎三维有限元模型细腻有效,具有良好的生物逼真度,可应用于临床生物力学分析.     

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。     

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。     

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。     

腰椎单节段术后失稳三维有限元模型的建立

目的建立腰椎L4-5单节段退变模型,模拟腰椎后路椎板减压术(后部结构分级切除)建立术后不同程度失稳有限元模型,为进一步开展腰椎失稳的生物力学研究奠定基础。方法利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对健康志愿者腰椎的薄扫CT图像进行预处理,建立L4-5节段完整三维模型,并进行面网格化,在此基础上模拟手术分级切除L4-5椎体后部结构,进一步建立L4-5节段术后不同程度的失稳模型,再将面网格化的三维模型导入ABAQUS软件进行体网格化,并定义材料及截面属性、定义韧带及其属性、定义椎体间以及椎体与椎间盘相互作用,并加载载荷进行计算。结果成功建立了腰椎单节段后路椎板减压术术后不同程度失稳的三维有限元模型,几何相似性好,经验证模型有效,计算可收敛。结论腰椎单节段术后失稳三维有限元模型具有良好的生物逼真度,适用于临床科研分析,为进一步生物力学研究奠定了良好的模型基础。     

仿真环境下医学器官的三维有限元建模方法

背景:通过医学影像图片数据进行三维重建的模型主要应用于医学临床分析,而采用激光扫描进行逆向重建时建立的模型主要用于生物力学分析。生物力学模型建立的精确程度,直接影响分析结果。目的:分析采用医学影像图片数据和三维激光扫描重建医学器官模型的两种方法及意义。方法:①通过人体CT断层扫描医学影像图片数据,并运用医学重建软件进行三维重建。②采用三维激光扫描仪对医学模型进行扫描得到点云数据,再利用逆向处理软件实现医学器官模型的逆向重建。结果与结论:两种方法都可以建立符合人体解剖结构、可进行生物力学仿真计算的几何模型和有限元模型。医学影像CT/MRI数据重建的三维模型,能够真实再现被扫描对象的表面特征及内部结构,该模型为临床辅助诊断、手术规划、整形、假肢设计及解剖教学等方面提供了可靠的参考模型。三维激光扫描所得点云数据进行逆向重建,具有测量精度高、速度快,能够反映所测标本的表面形态,该模型可在交通运输、军事领域中因发生钝性冲击对人体内部器官造成的损伤进行计算机仿真分析。