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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

锁骨三维有限元模型的建立及生物力学分析

目的:建立正常锁骨有限元模型,并模拟锁骨轴向受力状态下应力分布及应变特征,为锁骨的生物力学研究提供数值分析模型.方法:通过CT扫面正常成年男性右侧锁骨,获得连续断层图片,导入Simpleware医学建模软件生成实体模型后,应用通用有限元分析软件ANSYS 10.0,进行网格划分、材料属性赋值生成有限元模型.约束边界条件,模拟锁骨轴向受力状态进行加载,得出锁骨有限元模型上的应力分布与应变结果.结果:建立的锁骨有限元模型节点共62 182个、四面体单元40 878个.锁骨在轴向载荷状态下应力集中主要位干锁骨干中1/3区域,且下表面应力集中现象较上表面明显.结论:应力分析结果解释了锁骨骨折好发于中1/3的原因,并且发现主要应力集中于下表面,锁骨产生断裂的弯矩位于冠状面,提示临床内固定治疗锁骨中段骨折时,钢板放置于上表面能有效抵抗产生的弯矩,避免内固定失败.有限元分析法可较好分析锁骨的生物力学特点.     

下颌骨颏部正中牵张成骨过程中颞下颌关节的应力分布

目的：建立包括下颌骨的颞下颌关节(TMJ)三维有限元模型，分析该模型在下颌骨颏部正中牵张成骨过程中颞下颌关节的应力分布特征．方法：以活体人颅为标本，用螺旋CT扫描技术、图形数字化处理在计算机上建立模型，然后在下颌骨颏部正中行水平加载，采用ANSYS6．1有限元分析软件进行分析．结果：建立了包括下颌骨的TMJ有限元模型，在此模型上进行下颌骨颏部正中牵张成骨的力学加载，此时颞下颌关节的应力分布表现为：随着加载力值的增加，关节内压应力、拉应力的大小也随着增加，但分布区域不变．压应力和拉应力均表现为外侧高于中、内侧．结论：在下颌骨颏部正中行牵张成骨时，结果提示TMJ内最大压应力部位在髁突软骨的外后，最大拉应力部位在髁突软骨的内前，对进一步研究牵张成骨过程中颞下颌关节的生物力学问题提供依据．     

基于CT建立早期退变腰椎活动节段的三维有限元模型

目的:基于CT建立了脊柱L4-5活动节段早期退变的三维有限元模型,并对其进行力学性能测试.方法:选择1名39岁慢性下腰部疼痛的中国女性志愿者作为模拟对象,对其脊柱L4-5节段进行层厚0.75 mm的连续扫描,共获得CT断层图像138幅,获取用于建立三维模型的相关数据.将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过mimics 10.0软件建模形成L4-5运动节段的三维模型后,结合CAD软件CATIA对该活动节段进行数据优化,并形成实体模型.将模型数据导入有限元分析软件Patran转换成有限元模型.模拟中立位该节段的受力环境,将4个100N力以结点负荷形式分别施加于L4椎体旋转轴等距离的内前外后部椎体结点,以观察验证该模型的准确性.结果:建立了腰椎早期退变的L4-5节段的有限元模型,模型总节点数为27 130个,单元数113 834,其中包括Solid单元113 153个,Area 161个,Link单元520个,力学测试显示负荷在椎间盘分布不均,薄弱的纤维环后部受力增加.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,可以以自动化程度较高的方法建立腰椎早期退变活动节段的高精度三维有限元模型,用于脊柱生物力学的进一步研究.     

经皮前路腰骶融合螺钉的有限元分析

目的 利用三维有限元模型初步评价经皮前路腰骶轴向融合(AxiaLIF)螺钉的生物力学性能并临床应用提供依据.方法 利用Unigraphics软件对螺钉进行计算机建模,并且以iges格式导入到有限元分析软件ANSYS中进行有限元建模,根据临床实际将建立好的螺钉有限元模型与从"中国力学虚拟人"模型库中选择的完整人体L5-S1的有限元模型有效整合,分析不同工况下螺钉的应力分布情况.结果 3种工况下螺钉应力峰值:垂直载荷为175.334 Mpa、扭转载荷为183.765 Mpa和侧弯载荷为146.237 Mpa.螺钉总体应力均较小,以椎间融合部为中心,上、下3～5个螺纹内局部应力稍高,应力峰值最高值均位于螺钉注射孔下第一个螺纹内.3种工况之间比较,以扭转载荷下应力为最高,垂直载荷次之,侧弯载荷下螺钉所受应力为最小.结论 腰骶螺钉强度可以满足人体日常垂直压缩,扭转,侧弯等要求,可进行临床进一步应用.     

伤椎椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段椎体压缩骨折的三维有限元分析

目的：构建脊柱胸腰椎单纯压缩性骨折的三维有限元模型,探讨伤椎椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段椎体压缩骨折的应力情况,为临床选择有效的内固定方法提供理论依据。方法：选取一无慢性腰背痛及胸腰椎外伤史的青年志愿者,利用CT扫描的Dicom数据图像和Simpleware5．0软件建立T12-L2椎体三维模型,模拟L1椎体骨折,并分别模拟联合伤椎置钉固定（有横连和无横连）两种治疗方法,将两种模型分别导2kAbaqus6．9有限元分析软件,加载750N压力,ION·m扭矩载荷。结果：在轴向压缩状态下,腰椎骨折内固定后的应力分布发生变化,钉棒系统成主要应力集中部位。钉棒系统有无横连差异无统计学意义（P〉0．05）。在扭转状态下,横连系统的应力主要集中在连接杆上,而无横连的应力主要集中在钉棒系统下段螺钉上,钉棒系统有无横连差异有统计学意义（P〈O．05）。在屈曲状态下,应力主要集中在钉棒系统下段螺钉上,钉棒系统有无横连差异有统计学意义（P〈0．05）。结论：有横连的六螺钉椎弓根螺钉系统置入可以优化内固定的载荷,减少断钉率。     

椎体后凸成形术后骨水泥椎间盘渗漏对邻近节段力学影响的有限元分析

目的 探索椎体后凸成形术(PKP)术后骨水泥椎间盘渗漏对相邻椎体的力学影响,探讨相邻椎体继发骨折的病因.方法 利用MIMICS软件用有限元方法对1例T12压缩骨折PKP术后出现椎间盘骨水泥渗漏的患者手术前后CT图片进行预处理,后导入ABAQUS软件中建立T10-L2的三维有限元模型,设置0.3、1.0、4.0 Mpa 3种轴向载荷进行生物力学分析,观察不同载荷下模型整体及各部分的Von Mises应力,重点评价骨水泥椎间盘渗漏对骨折相邻椎体的力学影响.结果 成功建立了PKP术后骨水泥椎间盘渗漏的手术前后三维有限元模型,当轴向压力以0.3、1.0、4.0 MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加.PKP术后脊柱胸腰段各部位的应力开始重新分布,增强椎体(T12)的上、下终板应力增强区域范围增加;相邻椎间盘(T11-12、T12-L1)及相邻终板(T11下终板、L1上终板)的应力增强区域增加;T12相邻椎体(T11、L1)所受最大应力显著增加,但是远端椎体(T10、L2)的最大应力明显减少.结论 PKP术后骨水泥椎间盘渗漏引起上下相邻椎体继发骨折的并发症可能和生物力学行为的改变密切相关.

Abstract：

Objective To explore the biomechanical effects on adjacent vertebra of thoracolumbar osteoporotic vertebral compression fracture (OVCF) after percutaneous kyphoplasty (PKP) with cement leakage into the disc by using finite element analysis. Methods T10-L2 segment data were obtained from computed tomography (CT) scans of an elder female with single T12 OVCF undergoing a cement leakage into the T1 2-L1 disc after PKP. A three-dimensional finite element Model of thoracolumbar spine (T10-L2)was built in the Mimics and the ABAQUS software. The stress on annulus fiber, nucleus pulposus, endplate and facet joints under axial pressure (0. 3, 1.0, 4. 0 MPa) were analyzed. Results The 3D finite element after percutancous kyphoplasty (PKP) with cement leakage into the disc may be strongly related with the changes of biomechanical effects on adjacent vertebras of thoracolumbar OVCF. Models of thoracolumbar OVCF before and after PVP with a cement leakage into the T12-L1 disc were successfully established. The stresses increased with a rising axial pressure in the model of cement leakage into the disc after PVP, the stress augmentation scope on adjacent end plates ( T11 low plate & L1 top plate) and intervertebral disc (T11-12 & T12-L1 ) increased. The maximal Von Mises stress on adjacent vertebras (T11 & L1 ) increased while but the maximal Von Mises stress on end vertebras (T10 & L2) decreased. Conclusion Postoperative adjacent vertebral fracture.     

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.