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.     

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.     

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.     

计算机辅助的腰椎单节段融合后邻近节段的力学变化研究

目的利用有限元分析方法,建立L2-L5多节段腰椎有限元模型,模拟L3-L4后路单节段经椎弓根钉棒固定手术,观察融合后邻近节段L2-L3和M—L5椎间盘的应力变化。方法建立A、B、C3组L2-L5的有限元模型。A组：L0-L4末手术尉定,无椎间盘退变;B组：L3—14手术固定,术前邻近节段无退变;C组：L3-14手术固定组,术前邻近节段已有退变;在0．3、0．5、1．0、2．0MPa4种轴向压力作下,比较各组作为邻近节段的L2-L3椎间盘和L4-L5椎间盘的应力变化。结果得出A组、B组、C组的L2-L3椎间盘和L4-L5椎间盘最大主应力平均值,经统计学处理结果,L2-L3椎间盘的A组和B组之间在4种受力情况下,应力都无显著性差异,L2-L3椎间盘的A组和C组间及L4-L5椎间盘各组间在4种受力情况下,应力都有显著性差异。结论单节段后路腰椎固定融合不足引起邻近节段退变的重要原因;但邻近节段的椎间盘如果已经发生退变,则可能是影响形成的重要因素。     

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.     

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.     

腰椎间盘退变后应力变化的有限元分析

目的 利用有限元分析方法,评估腰椎间盘退变后的生物力学变化.方法 利用MIMICS软件对正常腰椎的CT图像进行预处理后,导入ABAQUS软件建立正常椎间盘L3～L4节段的三维有限元模型.通过改变椎间盘退变后对应的材料属性,建立退变椎间盘L3～L4节段的有限元模型.对模型施加0.3 MPa均布轴向压缩载荷,比较正常和退变椎间盘的纤维环、髓核、软骨终板、关节突关节的应力.结果 与正常椎间盘比较,退变椎间盘的应力分布发生改变,纤维环周边承受较大应力,髓核的压应力明显降低,软骨终板的应力集中在外周偏后;关节突关节面的应力明显增大.结论 有限元方法可以直观地观察椎间盘退变对腰椎的影响,是对临床研究的必要补充.     

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。     

利用螺旋CT技术建立单侧完全性唇腭裂上颌骨三维有限元模型

目的:探索快速建立单侧完全性唇腭裂上颌骨三维有限元模型的方法.方法:对单侧完全性唇腭裂患者头颅部进行多层螺旋CT扫描,利用Mimics软件直接将CT扫描样本得到的Dicom标准文件进行处理,并导入逆向工程软件Geomagic Studio来构建模型的表面,在此基础上用Ansys软件建立完整的单侧唇腭裂上颌骨三维有限元模型.结果:建立了由27 405个实体单元和26 876个节点组成的单侧完全性唇腭裂上颌骨有限元模型.结论:应用螺旋CT技术和联合使用Mimics软件、Geomgaic Studio软件对模型进行构建,并结合Ansys软件生成三维有限元计算模型,是一种快速有效地建立单侧完全性唇腭裂有限元模型的方法.     

新型外固定支架系统-胫骨骨折模型的建立与三维有限元分析

目的建立新型外固定支架系统在胫骨骨折模型上的有限元模型,分析评价有限元模型建立的可行性及力学分布特点,为进一步的材料结构优化及临床应用提供理论支持。方法利用Mimics17.0 软件将新鲜尸体的胫骨CT 数据导入并建立胫骨模型,用Hypermesh 对模型进行网格划分并导入有限元分析软件ABAQUS6.13,施加轴向载荷后观察Von-Mises 应力分布和骨折断端位移情况,通过与生物力学结果对比评价其生物力学特点。结果成功创建了装配体有限元模型,生成548 101 个体单元,节点548 101 个。最大轴向载荷下骨折断端最大位移为1.16 mm,最大Von mises 应力分布点为骨针接触面。结论有限元模型的建立及分析方法能较好地反映该新型外固定支架胫骨骨折系统的生物力学分布情况,可为进一步临床应用提供理论基础。     

人体全骨盆三维有限元模型的建立与验证

目的建立人体全骨盆的三维有限元模型,提供骨盆生物力学研究的数学模型。方法获取正常成年男性全骨盆包括相邻自第3腰椎、股骨上端1／3处的CT扫描图像,运用ANSYS有限元分析系统,采用直接从原始图片生成单元和节点的方法构建人体全骨盆的三维有限元模型。结果建立了正常人体全骨盆并包含第3腰椎和股骨上1／3段的三维有限元模型,模型由721820单元,207248节点构成。结论建立的人体全骨盆三维有限元模型较客观地反映人体骨盆的解剖结构和力学特性,可作为骨盆生物力学研究的工具。     

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。     

髋臼三维有限元模型的建立

目的:构建髋臼三维有限元模型.方法:选择成年湿髋臼尸体标本行CT扫描成像得到髋臼每层横截面图像,提取边界坐标,利用有限元分析软件ANSYS5.6构建髋臼三维有限元模型,三维十结点四面体实体单元进行网格划分.结果:所构建髋臼模型共划分为121 239个结点、112 491个单元,客观反映髋臼真实解剖形态及生物力学行为.结论:构建的髋臼三维有限元模型为髋臼骨折内固定的记忆力学研究提供可循模型.     

脊柱在体三维运动检测系统的建立

目的利用2D/3D图像配准技术建立脊柱在体三维运动检测系统。方法采集成人腰椎CT影像,并采集两个不同位置时脊柱互成直角的X线平片,进行腰椎L3、L4三维重建,并在软件中建立虚拟X线摄像场景进行腰椎投影,再现互成直角的虚拟X线影像,采用2D/3D图像配准方法与真实X线影像相配准,还原摄平片时L3、L4的位置,将配准结果导入图像处理软件后计算两种位置之间L3的相对位移及角度变化。结果利用2D/3D图像配准方法实现了膝关节的三维模型和二维影像之间的配准,计算出两种位置之间的相对位移及角度变化,与位置一相比,位置二的L3后伸5.86°,左侧弯1.85°,右旋2.96°。结论利用2D/3D图像配准技术可实现脊柱在体三维运动检测,但其配准效率及精度尚需进一步研究。     

构建不同矢量骨吸收的牙周炎下颌骨3D数字解剖学模型

目的：构建不同矢量骨吸收的牙周炎下颌骨3D数字解剖学模型。方法：采用CT扫描志愿者下颌骨获取扫描图像数据,利用医学三维图像重建软件Materialise Mimics10.0、逆向工程软件Geomagic Studio12.0、有限元前处理软件HyperMesh 11.0等生成含完整解剖结构牙列的下颌骨模型。根据牙槽骨不同矢量骨吸收水平,构建体外典型以牙槽骨吸收水平为标准的无牙周炎模型以及轻度牙周炎、中度牙周炎、重度牙周炎患者下颌骨3D数字解剖学模型。结果：建立了不同程度骨水平吸收的牙周炎下颌骨3D数字模型。正常下颌骨模型节点总数55 034个,面单元总数108 273个;轻度牙周炎下颌骨模型节点总数53 703个,面单元总数105 608 个;中度牙周炎下颌骨模型节点总数52 362 个,面单元总数102 821个;重度牙周炎下颌骨模型节点总数50 445个,面单元总数99 099个。结论：建立的模型可有效实现对不同程度骨吸收牙周炎下颌骨的数字解剖学和生物力学研究。