带肌肉组织全颈椎三维有限元模型的建立及分析

目的 :建立带肌肉组织的全颈椎三维有限元模型并验证该模型的有效性,为进一步分析颈椎疾患的生物力学作用机制建立良好的工作平台。方法:选取一名34岁健康男性志愿者进行颈椎薄层CT扫描,将CT原始数据以Dicom格式存贮。用Mimics 17软件将CT图像逆向重建出颈椎三维点云模型,利用Geomagic Studio 2012软件把点云模型拟合成NURBS曲面模型,然后导入Hypermesh12软件中进行网格划分、赋予材料属性、定义接触及边界条件等操作,最后提交至ABAQUS 6.12软件进行有限元分析,将各个工况(前屈、后伸、侧弯和轴向旋转)下各节段活动度与文献数据进行比较,验证该模型有效性。结果:建立的带有肌肉组织的全颈椎三维有限元模型共包含789024单元,285045节点,外观与人体颈椎具有非常好的几何相似性。该模型在屈伸、侧弯及旋转工况下的活动度与文献数据进行了80次对比,共计24次(占30%)超出部分参考范围,其中,仅C5-6左右侧弯活动度8.4°、C0-C1左右旋转活动度24.2°超出所有参考范围(P0.05)。结论:本研究建立的带有肌肉组织的全颈椎三维有限元模型符合有限元分析几何相似性和力学相似性要求,可用于颈椎生物力学分析。     

颈椎三维有限元模型的建立及意义

目的 :建立颈椎 (C4～C7)三维有限元模型 ,以期应用于临床实验研究。方法 :根据正常中年女性CT与CT重建片 ,采用CAD数据处理技术 ,输入相关的材料特性 ,构建C4～C7三维有限元模型。模型包括颈C4～C74个椎体、C4 / 5～C6 / 73个椎间盘以及后部结构与主要的 5条韧带。共 2 178个三维固体 2 0节点有限元结构。在1 8Nm作用力下 ,观察节段运动与力 位移反应。对比国内外的实验结果进行检验。结果 :生物力学实验结果与以往实验模型结果基本相符。结论 :所建立的颈椎三节段有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验。     

上颈椎三维非线性有限元模型的建立及其有效性验证

目的建立具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性有限元模型并验证其有效性。方法对健康成年男性志愿者进行CT扫描,获得枕骨底(C0)到C3的体层图像,将数据导入Mimics软件进行上颈椎骨质的三维模型重建,用Freeform软件进行模型修改,导入有限元软件Ansys9.0进行分析计算。模型中韧带以非线性的弹性元素建模,分为弹性区和中性区,分别定义元素性质,韧带的起止点及横截面积根据文献确定,寰椎横韧带坚韧、弹性低,定义为固体元素性质,同时便于对齿状突横韧带关节进行受力分析。寰枕关节、寰枢关节、C2,3关节突关节、寰椎齿状突关节、齿状突横韧带关节均定为有摩擦系数的表面滑动接触关节。使模型C3椎体下缘固定,在枕骨底施加40N的预载荷和1.5N·m的力矩作用下使其产生前屈、后伸、旋转、侧屈运动,将模型的活动度(ROM)与Panjabi测得正常上颈椎的实验数据对比进行验证。结果建立了具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性有限元模型,整个模型有229047个节点和152475个单元,模型运动范围与Panjabi的数据相符合。结论建立的上颈椎模型具有较高的真实性,可以用于生物力学分析实验。     

利用MIMICS和ABAQUS建立正常人颈椎的三维有限元模型

[目的]建立符合人体解剖结构的颈椎三维有限元模型,并验证其有效性,以用于后续的颈椎生物力学分析.[方法]选择1名健康男性志愿者,采集其颈椎数据,利用MIMICS软件进行数据处理,建立实体模型,然后导入有限元分析软件Abaqus进行网格划分,并添加椎间盘及主要韧带肌肉等结构,建立人体颈椎有限元模型.在此模型上施加2.0N·M的作用力,模拟颈椎在前屈、侧屈和旋转工况下的反应,与其他颈椎有限元模型和体外生物力学实验数据进行对比验证.[结果]整个模型包括C2 ～76个椎体、C2、3 ～ C6、75个椎间盘及后部结构与主要韧带,共有472 065个单元和98 708个节点.在模拟外力作用下,在前屈、侧屈和旋转工况条件下的活动度与之前的实验结果高度吻合.[结论]建立的颈椎三维有限元模型具有良好的生物逼真度,可以用于颈椎临床生物力学分析.     

上颈椎有限元模型的建立及寰椎生物力学有限元分析

目的:建立上颈椎(CO-C3)的三维有限元模型(FEM),通过此模型对寰椎进行初步的牛物力学分析.方法:通过CT扫描获取1例健康成年男性上颈椎的空间结构信息,利用Mimics软件及Ansys软件建立上颈椎有限元模型;分别在完整的上颈椎模型及单独应用模型中的寰椎分析头颅位于中立位、屈曲化以及后伸位等条件下寰椎所受应力的变化情况.结果:(1)所建上颈椎的有限元模型外形逼真,儿何相似性好,共包含110105个节点,91469个单元;(2)应用上颈椎模型(CO-C3)在枕骨上加载面压力,模拟头颅位于中立、前屈、后伸位时,寰椎前弓受力最大,其次是后弓及侧块;(3)单独应用寰椎模型,直接在寰椎上关节面加载力,模拟头颅在中立、前屈、后伸位时寰椎最大应力集中于前弓,次级应力集中区域为侧块及后弓与侧块的交界处;直接在后弓加载力模拟头部过度后伸时,最大应力集中于后弓与侧块交界处.结论:应用CT扫描获取上颈椎空间结构信息建立的上颈椎模犁可用于生物力学实验,无论头颅位于屈曲位、中立位或者后伸位,当受纵向作用力时,寰椎前弓是应力最集中的部位;头部过度后伸时,后弓与侧块交界处是应力最集中的部位.     

三维有限元分析在颈椎生物力学中的研究现状

有限元分析（finite element analysis,FEA）属于计算生物力学测试技术的范畴,Brekelmans et al（1972年）首次将该方法引入生物力学领域。有限元模型已由二维线性扩展为非线性模型,又由二维线性模型扩展至三维非线性模型,现今的研究成果使模型不仅能逼真地模拟     

应用三维有限元模型研究颈椎不同工况下的生物力学变化

目的 研究颈椎前屈、后伸、侧屈、旋转等多种工况下，钩椎关节、小关节应力规律，从应力角度探讨钩椎关节、小关节退变的生物力学机制。方法 测量尸体颈段脊柱各节点三维坐标，利用SUPER—SAP软件建立机内模型，模拟完整的颈段脊柱力学模型。通过测量求得力矩值，直接或根据力矩等价公式间接将肌力值加载于模型体表各点。运用颈椎周围不同肌肉对颈椎作用力的变化，模拟正常活动范围内颈椎前屈、后伸、侧屈、旋转等多种工况。分别计算并得出相应载荷下钩椎关节、小关节应力值。结果钩椎关节在各种工况下的受力总体上集中于颈椎中下段。前屈时，由上至下呈现逐渐增大趋势；后伸时，在C4-5，C5-6出现应力集中现象。小关节各种工况下的受力状况总体趋势与钩椎关节相同，前屈时z轴上受到拉应力，后伸时受到压应力，且后伸时承受的拉应力是前屈时承受压应力的2倍多。这说明小关节在后伸时起到承受和传导载荷的作用。结论 不同运动状态下，中下段颈椎的钩椎关节、小关节出现应力集中。     

颈椎生物力学中的三维有限元分析

生 物 力 学 因 素 在 脊 柱 疾 患 的 发 病 机 制 中 具 有 十 分 重要 的意 义。 随 着对 脊 柱 疾 病的 认 识 不 断深 入 ,对 其 力 学 研究 的要 求也 相 应提 高。有 限元 方 法是 目前 应 用较 广泛 的 一种 数学 计算 方 法,是 矩阵 方 法 在 结构 力 学 和 弹性 力 学 等 领域 中的 发展 和 应用 。基本 原理 是 把一 个由 无 限个 质点 构 成并 且 有 无 限 个 自 由 度 的 连 续 体 划 分 为 有 限 个 小 单 元 体 组成 的集 合体 。 此过 程 称 为 有限 元 模 型 的离 散 化 ,用 这 种 离散 化的 有限 单 元模 型 代 替 原有 …     

半月板三维有限元模型建立及力学分析

目的:建立正常膝关节及半月板三维有限元模型,较真实模拟膝关节及半月板的解剖形态及特点,通过初步有限元生物力学分析验证模型的有效性,并阐释半月板的部分生物力学机制。方法:利用CT和MRI扫描一健康男性志愿者膝关节获得其图像信息,导入至Mimics 10.01及Geomagic Studio软件构建膝关节各组织结构三维模型,利用ANSA软件对结构模型进行组合建立完整的膝关节模型,并对模型进行网格划分,最终建立了完整膝关节三维有限元模型。最后将有限元模型导入到ANSYS软件中,设置材料属性、建立边界条件和施加载荷,进行有限元分析,验证模型有效性,并分析半月板的生物力学特性。结果:所建立的模型包含膝关节骨、关节软骨、半月板及主要韧带结构,能有效模拟膝关节及半月板的解剖形态及特点。内侧半月板接触面积为771.05 mm2,外侧半月板接触面积为634.31 mm2,内外侧半月板接触面积比为1.216。内外侧半月板的应力分布均匀,但内侧半月板所受应力高于外侧半月板,其峰值应力分别出现在内侧半月板后角及外侧半月板前角,其峰值应力为4.11 MPa。半月板最大位移位于其体部,内侧较外侧形变更大,最大位移形变值为0.33 mm。所获得的力学分析结果于文献相一致,验证了模型的有效性。结论:本研究所建立的膝关节及半月板有限元模型具有有效性,可为半月板撕裂及半月板切除术等有限元分析研究提供有效的模型。所获得的有限元分析结果能够阐释半月板的部分生物力学机制,为临床半月板损伤和治疗提供理论指导。     

脊柱颈胸结合部(C6-T1)三维有限元模型的建立及有限元分析

目的:采取三维有限元的方法,建立脊柱颈胸结合部有限元模型,给予纯力矩载荷测试模型各FSU的正常运动范围,验证模型的有效性并对其应力分布模式进行探讨。方法:利用螺旋CT连续扫描获得正常成年人颈胸部原始DICOM数据图像,采用Mimics软件进行数据处理后导入ANSYS软件,得到颈胸结合部模型骨性结构的三维实体。添加椎间盘和主要韧带结构,椎间盘采用壳-核单元,分别代表纤维环与髓核;韧带采用2节点缆索单元构造,韧带的起止点及横截面积根据参考文献确定。C6-7以及C7-T1关节突关节均定义为有摩擦系数的非线性接触关节。模型中T1下表面在所有方向上完全固定,在模型C6施加2.0Nm纯力矩,对模型进行屈曲、背伸、侧屈及轴向旋转试验,试验结果与体外生物力学试验进行对比验证。结果:所建的颈胸模型包括169317个节点和106242个单元,并且与体外生物力学试验结果基本吻合,能够通过验证,有限元受力云图可以看出,模型在外力作用下运行状况良好。结论:该试验为临床医生对脊柱颈胸交界区的三维有限元模型的建立提供了一种便捷而精确的方法,为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了条件。     

前屈位不同角度牵引治疗颈椎病的有限元分析

目的：分析不同牵引角度加载在颈椎曲度变直的模型上得到的数据,为临床牵引治疗颈椎病提供实验依据和临床建议。方法：选取颈椎曲度变直患者采集CT数据（女性,43岁）,采用专用生物力学有限元软件构建完整的颈椎全节段模型,包括使用实际解剖位置构建的颈椎韧带、肌肉组织;进行有限元模型的验证后,用0。、前屈5°10°15°20°25°进行牵引,观察椎间孔、关节突、钩锥关节、椎间盘的间距变化,以及髓核和基质的应力变化。结果：当牵引角度为前屈0°～15°时,椎问孔、钩椎关节、后关节突之间的间距加大,椎间盘的拉应力适宜,压应力较小,比较符合临床治疗要求。结论：建议牵引治疗颈椎病时采取前屈位0°～15°     

Incorporating ligament laxity in a finite element model for the upper cervical spine

Background Context

Predicting physiological range of motion (ROM) using a finite element (FE) model of the upper cervical spine requires the incorporation of ligament laxity. The effect of ligament laxity can be observed only on a macro level of joint motion and is lost once ligaments have been dissected and preconditioned for experimental testing. As a result, although ligament laxity values are recognized to exist, specific values are not directly available in the literature for use in FE models.

Influence of geometrical factors on the behavior of lumbar spine segments: A finite element analysis

Summary The main objective of this study was the assessment of the influence of geometrical factors on the behavior of lumbar segments. To this end, a three-dimensional, parameterized, finite element model of the lumbar spine was used, and the results were compared with in-house experimental results and with the few published experimental results available concerning either the geometry of the tested samples or the differences observed at different vertebral levels. Furthermore, in order to appreciate the relative importance of the geometry, the influence of the variation of some other parameters was studied, such as the orientation of the facet joints, the gap between the articular processes, and the Young's modulus of the disk fibers. As a first approach, a series of computations was carried out in order to evaluate the role of geometry in the mechanical behavior differences observed at different levels. It has been found that geometrical factors do exert a noticeable influence on the behavior of the spine, especially those which interfere with the dimensions of the intervertebral disk.     

颈椎有限元分析模型的应用和进展

有限元分析法(FEA)是一种在工程学中广泛应用的方法,最初应用于模拟并且解决各种工程力学、热学、电磁学等物理问题.其基本原理是将一个由无数个质点组成并且由无限个自由度连续体近似为有限个单元所组成的集体.后来逐渐将有限元方法应用于骨科生物力学的研究,建立了最早的颈椎有限元模型.近年来随着计算机和软件技术突飞猛进,有限元法在颈椎生物力学研究中的利用日益广泛与深入.     

新型颈前路翼形钛网三维有限元分析

目的运用三维有限元法分析新型翼形钛网（aliform titanium mesh cage,ATMC）的生物力学性能;评价该内固定的外形设计及生物力学合理性并提出优化指导方案。方法在C4～C6三维有限元模型的基础上,利用Ansys9.0软件前处理器的建模功能建立颈前路椎体次全切减压翼形钛网植骨固定手术模型。对模型施加73.6N轴向压缩载荷及1.8Nm力矩,分析记录前屈、后伸、侧弯及旋转工况下新型翼形钛网内部应力分布及大小情况。结果在后伸、侧弯、旋转工况下,翼板基底部及钉孔周围均出现应力集中现象。应力集中以旋转工况最明显。各工况下笼内植骨块应力总体均匀,大小适宜。结论新型翼形钛网总体外形设计合理,模拟力学安全性能可靠;同时在翼板、翼板基底部存在应力集中现象,需待优化。     

颈椎前路分节段减压融合术三维有限元分析

目的应用三维有限元模型分析颈椎前路分节段减压融合术的生物力学特点。方法建立C2～7三维有限元模型,在此基础上根据临床实际建立手术模型,观察不同手术方式的颈椎活动范围和邻近节段椎间盘应力。结果建立的颈椎三维有限元模型有效,分节段减压融合术比传统椎体次全切除术术后邻近节段椎间盘应力小,二者颈椎活动范围相同。结论颈椎前路分节段减压融合术比传统椎体次全切除术更符合人体生物力学要求。     

有限元方法在上颈椎生物力学研究中的应用进展

生物力学因素在上颈椎疾患的发病机制中具有十分重要的意义。传统的生物力学实验方法,如动物实验、物理实验、体外(尸体)实验存在不足。有限元方法作为一种新的生物力学研究方法,可在持续性研究中重复及改变任何质量与定量变化,同时可提供局部以及内部的机制反应,有效地弥补现行方法的不足。本文就其在上颈椎生物力学研究中的应用进行综述,包括各种上颈椎有限元模型的建模方法,及其对上颈椎病理生理机制和内固定器械的生物力学分析。