胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折三维有限元模型的建立和应力分析

目的 建立脊柱胸腰段骨质疏松性椎体压缩骨折及邻近节段的有限元模型,并对模型进行初步的生物力学分析.方法 利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对患者的CT图片进行预处理,后导入大型通用有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.建立了胸10-腰2四个运动单元的三维模型,并且准确模拟了椎间盘、软骨终板、关节突关节以及连接韧带.通过设置0.3、1.0、4.0 Mpa 3种轴向载荷进行力学分析,观察力学改变情况.结果 当轴向压力以0.3、1.0、4.0MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加.椎间盘所受应力分布不均;各椎体前部所受应力最大,而后部结构所受应力较小,椎体局部出现受力较大情况,尤以相邻椎体更为明显.结论 本研究的有限元模型符合胸腰段骨质疏松性椎体骨折的临床特点,模拟了其生物力学特性.     

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.     

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。     

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。     

骨质疏松性椎体再骨折中背部伸肌作用的有限元研究

目的研究骨质疏松性椎体骨折后不同背部伸肌质量情况下椎体局部应力分布情况,为再骨折发生的预防方案制定提供实验数据。方法获取健康老年女性胸腰段CT平扫数据,通过Minics及Geomagic对胸腰段椎体进行三维实体化,并修饰模型,使之符合分析要求,导入有限元软件ANSYS分析,通过改变结构的物理属性设定,获得健康及退变腰椎在不同背部伸肌质量情况下的应力分布情况。结果背部伸肌在理想状态下,能够将骨折后作用于腰1上表面的最大应力减小25%。结论背部伸肌对于骨质疏松患者预防骨折和再骨折有着重要的意义。     

垂直冲击下L1应力分布的有限元研究

目的利用有限元法动态分析L1在垂直冲击作用力下应力分布及应力变化规律。方法建立胸腰椎(T11-L3)的三维非线性有限元模型,并验证模型的有效性。模拟体外实验,予以100J能量垂直冲击有限元模型,利用Abaqus 6.9显式动力学求解器Explict进行求解,分析L1的应力分布特点及变化规律。结果建立了有效的胸腰椎三维非线性有限元模型。在垂直冲击作用下L1应力随时间变化而变化,应力最大值部位随时间变化而变化,应力最大部位出现在椎弓根基底部、关节突关节及峡部,椎弓根基底部应力最大值出现在椎弓根基底部的外下方,应力在此集中并沿椎体壁向前方传递;在椎体后上方出现明显的应力峰值,在椎体前上方应力随时间变化不明显,无明显应力峰值出现。结论所建立的完整胸腰椎三维非线性有限元模型有效,可进行动态分析;椎体后上方应力峰值的出现可能是椎体爆裂性骨折椎管内占位骨折块形成的原因。     

椎骨胸腰节段压缩骨折的有限元分析研究

目的利用有限元方法建立椎体前缘不同压缩状态模型,并分析椎体前缘压缩程度与邻椎终板应力的相关性。方法基于正常成年人志愿者的胸腰段CT 数据,导入Mimics,经图像分割、修补及三维网格化获取胸腰椎T11～L1３个节段数据,网格赋材质属性后导入ABAQUS 软件,获取逼真的三维有限元模型。对模型进行生理载荷加载,验证正常模型的有效性。将L1模型底部全自由度固定,在T11模型上方施加前屈、后伸及轴向压缩载荷,分别将椎体前沿压缩至90%、80%、70% ...... 10% 9个状态,提取T11下终板及L1上终板的MISES应力,获得了压缩状态与邻近终板应力关系曲线。结果该模型高度逼真,能真实反映实际受力状态;T11椎体下位终板和L1椎体上位终板的应力值与T12椎体（研究对象）前沿的压缩程度正相关。结论应力增加可能导致终板骨折可能性增加,进而增大相邻椎体的骨折风险,有限元分析结果能够为临床实践提供依据。     

人体胸腰段三维有限元力学的仿真研究

目的建立人体内固定-胸腰段复合体有限元模型,探讨不同日常动作下有限元复合体模型受力情况。方法利用Mimics、Geomagic studio、Hyper Mesh等相关软件建立进行内固定手术的人体胸腰段三维有限元模型,按照运动学数据库Orthoload中真实测定的60 kg标准体重,受试者不同日常动作下椎体力学反馈作为加载条件,将其施加于构建完毕的三维有限元模型中,记录各作用下正常椎体上下终板及经过手术的胸腰段内固定受力情况。结果对有限元模型进行三维有限元分析,结果显示四种动作(蹲起、上下台阶、正常行走、正常站立)终板和内固定受力情况具有较大差异。胸腰椎有限元模型中最大应力值按照蹲起、上下台阶、正常行走和正常站立逐渐下降,蹲起时终板受力远高于正常站立位。内固定系统受力具有同样趋势,其中蹲起时椎弓根螺钉根部及连杆应力集中现象极为明显,具有疲劳损伤致内固定失效风险。结论三维有限元力学仿真能够有效评估人体胸腰段受力情况,同时为胸腰椎内固定系统稳定性提供理论依据。     

T12～L1椎体有限元模型的建立及其爆裂骨折的有限元分析

目的：建立T12～L1椎体三维有限元模型,并应用该模型探讨T12椎体在动态垂直方向冲击负荷下的胸腰结合部爆裂骨折的机制。方法：对1名例行体检的健康成年男性进行CT扫描,得到的数据图片以DICOM格式输出并保存,导入医学三维重建软件MIMICS中进行处理,生成三维实体,并确定单元类型赋予材料属性,然后将实体模型导入ANSYS 10．0有限元软件中,生成胸腰椎三维有限元模型。模型验证后,通过对T12椎体顶部预置的、密度均匀的、坚硬的板块上施加垂直方向上的冲击负荷,分析椎体的应力分布,探讨胸腰椎爆裂骨折的机制。结果：垂直方向上施加载荷后,T12椎体会产生震动;达到最大载荷时,终板会嵌入椎体里,终板的中心部位承受最大应力,应力集中于相应的与终板连接的松质骨的中心部位。结论：垂直方向上施加的载荷达到最大时,终板会嵌入椎体里,终板的中心部位承受最大应力．应力集中于相应的与终板连接的松质骨的中心部位,这可能证实了一种假设：终板核心物质进入椎体,继续进入使得松质骨的脂肪和骨髓被挤出来。当进入椎体的速度大于脂肪和骨髓被挤出的速度时,椎体会突破前方和后方的皮质骨发生爆裂。突发的后皮质骨折,紧接着短暂的碎片进入脊椎管的位置会比最终观察到的位置要深．因为在爆裂的过程中．碎片会退出椎体。     

腰椎后路单节段椎弓根螺钉内固定的三维有限元分析

目的 建立腰34节段的后路经椎弓根螺钉内固定的有限元模型,评估固定前后系统的应力变化,探讨后路内固定对腰椎和内固定器械的力学影响.方法 利用Pro/E三维建模软件模拟脊柱后路的钉棒内固定系统,MIMICS软件模拟手术实际操作,建立后路经椎弓根螺钉固定前后的腰3-4节段三维实体,导入有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.采用腰4椎体做收敛性分析,建立5种不同网格划分数目的 腰4模型进行验证.分析椎体和螺钉系统在0.5 mPa轴向压力下的力学变化.结果 在均布压力下,腰4模型位移为0.00125815 mm,与基准位移的误差只有0.8167%,模型收敛性好.在轴向压力作用下,固定后的椎体、椎间盘和内固定的应力发生明显变化,椎间盘的应力集中部位由后外侧转向前外侧,固定椎体产生的应力明显减小,应力遮挡效应明显.螺钉根部的上下方,存在着明显的应力集中,且上一椎体固定的螺钉要比下一椎体的螺钉承受应力大.结论 利用计算机辅助系统和有限元分析结合的方法 ,可以模拟腰3-4节段后路椎弓根内固定手术,较直观地观察脊柱后路固定前后系统的力学变化.     

基于正常人体资料建立胸腰椎单椎体压缩骨折三维有限元模型的方法与意义

目的 探讨基于正常人体资料建立胸腰段脊柱椎体压缩性骨折三维有限元模型的方法及临床意义.方法 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并根据CT值给予赋值,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T12下端、在其上缘由前向后施加位移载荷,运算求解.将单纯T12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,并将两骨折模型施加压力验证其有效性.结果 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.结论 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.     

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。     

胸腰段三维有限元模型的建立

目的：研究建立胸腰段活动节段三维有限元的模型.方法：选取一具正常人体T10～S1节段标本为研究对象,通过CT扫描获取脊柱的二维图像,然后进行三维重建,转化为有限元几何模型.通过有限元方法,将脊柱几何模型网格化转变为T10～L3活动节段有限元模型,然后应用ANSYS6.0软件对模型在轴向载荷状态下进行应力分析.结果：建立T10～L3活动节段的有限元模型,并分析了轴向载荷下T12～L1节段不同组成部分的应力分布.结论：为胸腰段活动节段三维有限元模型的建立提供了一种简便、精确的方法,为分析和研究该模型在各种情况下的生物力学表现创造了条件.     

椎体成形术对相邻椎体生物力学影响的有限元分析

目的 采用数字仿真评估椎体成形术骨水泥注入量及弥散范围对邻近椎体生物力学平衡的影响.方法 选取30例骨质疏松性腰2椎体压缩骨折患者行CT三维重建,利用有限元分析软件进行优化设计和测试,模拟椎体在人日常生活中进行各种运动的受力情况,选择施加500 N的轴向压力,观察注入骨水泥前后相邻椎体终板的应力分布及所受最大应力变化情...     

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。     

两种坐位旋转手法腰椎应力及位移的有限元分析

摘要：目的 探讨两种坐位旋转手法的作用机理及其合理性、安全性。 方法 使用螺旋CT,以1mm的间隔,对1具男性青年新鲜尸体的腰椎标本沿轴向进行断层扫描,以jpg格式将其断面图像输入计算机。利用三维重建软件Minics建立腰椎三维计算机模型。根据手法原理,将两种坐位旋转手法进行分解,把力学参数带入三维有限元模型,利用Ansys 9.0 软件进行计算。结果 椎间盘: 两种手法椎间盘的应力都主要集中于纤维环,尤其是外层纤维环,髓核应力相对较小。两者的最大位移分布基本一致,都位于椎间盘的左侧。椎间盘后部位移也都以左侧明显。椎体及后部结构: 直腰旋转手法主要应力分布于小关节,腰椎定点旋转手法主要应力分布与椎体峡部、椎弓根侧隐窝及上位椎体小关节面的下端。两者的最大位移分布不同,直腰旋转手法最大位移位于L4棘突,腰椎定点旋转手法最大位移位于L4椎体上缘左侧及L4左侧上关节突;且腰椎定点旋转手法的椎间孔位移更显著。结论 手法造成了椎间盘、关节突的位移,有利于解除神经根的粘连。两种手法比较,脊柱定点旋转手法更具有效性及安全性。     

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。     

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。     

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114953。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。     

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.