颈椎有限元模型的建立方法及进展

详细论述建立颈椎有限元模型的四项基本准则（解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证）及其实现方法。回顾现有的一些具有代表性的颈椎有限元模型，并指出其未来发展的一些新动向。     

颈椎有限元模型的建立方法及进展

详细论述建立颈椎有限元模型的四项基本准则(解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证)及其实现方法。回顾现有的一些具有代表性的颈椎有限元模型,并指出其未来发展的一些新动向。     

颈椎三维有限元模型的建立

目的 建立颈椎（C2～ C7）三维有限元模型。方法 根据1名既往无颈椎病史健康成年男性志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像,采用Mimics1 3.1、SolidWorks2012软件进行三维重建和造型,利用ANSYS14.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性,建立颈椎（C2 ～C7）三维有限元模型。结果 本研究成功建立了6个椎体运动节段的三维有限元模型,模型高度模拟颈椎结构与材料特性,单元划分精细。在建立的模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动,所获得的理论分析结果与参考文献的报道一致。结论 建立的颈椎三维有限元模型可进行颈椎生物力学研究。     

正常颈椎有限元模型建立及有效性验证

目的：建立颈椎C2～C7节段三维有限元模型,分析模型的生物力学特征,进行有效性验证。方法：招募一名健康志愿者为建模对象,利用64排螺旋CT进行颈椎连续性断层扫描,扫描区域设定为枕骨至C7椎体节段。将获得的图像数据DICOM文件导入至Mimics图像分割软件中,对颈椎骨性结构进行分割提取。在Geomagic studio软件中对获得的颈椎骨性结构模型进行去噪、光顺、修补填充等处理,拟合曲面实体,并偏移分割生成皮质骨与松质骨,将模型保存为STEP文件。在Solidworks软件中完成椎间盘髓核、纤维环及关节软骨结构的建立与模型的组装匹配。ANSYS Workbench软件中添加材料属性、接触关系、边界条件及载荷,测量颈椎在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种应力作用下位移变化。结果：成功建立颈椎C2～C7节段有限元模型,颈椎C2～C3屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为7.2°、8.2°、5.3°,颈椎C3～C4屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为7.2°、8.1°、6.2°,颈椎C4～C5屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为8.1°、7.9°、7.8°,颈椎C5～C6屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为6.9°、...     

上颈椎三维六面体网格有限元模型的建立及有效性验证

目的 改善目前国内上颈椎有限元模型质量,建立具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性六面体网格有限元模型并验证其有效性,以期应用于临床相关生物力学研究.方法 对一名健康成年男性志愿者,采用16排螺旋CT机进行0.5 mm薄层扫描,获得枕骨底C0到C3的体层图像数据并以Dicom格式保存.将数据导入Mimics 10.01软件,进行上颈椎三维几何模型重建,利用ICEM软件对C0～ C3三维重建模型进行六面体网格划分,关节软骨面间隙为0.5 mm,终板厚0.2 mm,关节软骨面定义为滑动接触,摩擦系数设为0.1.再运用Hypermesh V10.0调整网格质量,加载韧带,初步建立上颈椎(C0～ C3)三维六面体单元有限元模型.随后进行材料赋值、边界约束,模拟模型产生前屈、后伸、旋转、侧屈运动,将数据导入有限元软件ABAQUS 6.11进行各椎体三维运动的计算分析.最后将模型的三维活动度(ROM)及各工况下的应力云图与体外实验及其他模型文献数据进行有效性对比验证.结果 建立了具有详细解剖结构的上颈椎三维非线性六面体有限元模型,整个模型共30 550个节点和41 909个单元,模型运动范围及应力分布与文献数据相符合.结论 建立的上颈椎有限元模型具有较高的真实性,可应用于临床相关生物力学研究.     

利用头颈有限元模型研究散打运动中颈椎韧带损伤的风险

目的研究颈椎有限元模型在预测散打中颈椎韧带损伤风险的作用,比较摆拳及直拳击打后颈椎韧带受力的差异。方法基于CT图像利用图像处理软件Mimics进行头颈骨骼部分的三维重建,并导入Hyper Mesh建立一个有效的头颈有限元模型,在对该模型的力矩-运动范围及击打后头部加速度进行验证后,比较不同击打力量(2.60、3.30、4.35 kN)下直拳及摆拳击打对颈椎韧带受力大小、分布的差异。结果所建颈部有限元模型具有良好的生物有效性,其预测的受击打后头部线性加速度及旋转加速度与参考文献相符。在摆拳模拟中,韧带最大受力部位位于环枕韧带,当击打力从2.60 kN增加至4.35 kN时,摆拳击打后韧带受力最大值分别为207、265、263 N;而在直拳击打后韧带受力最大部位位于环枢韧带,其受力最大值分别为96.8、91.4、101.4 N。在同样的击打力量下,摆拳所致的颈椎韧带受力较直拳更大。结论与直拳相比,散打摆拳更容易引起颈椎韧带损伤;头颈有限元模型可用于散打所致颈部损伤的生物力学机制研究,为散打的训练及损伤预防提供更精确的参考。     

基于Simpleware全颈椎三维有限元模型的构建与分析

目的 利用Simpleware软件构建全颈椎三维有限元模型,并对模型进行验证和分析,为探讨颈椎损伤机制提供可靠模型。方法 基于CT断层扫描图像,利用医学图像处理软件Simpleware、逆向工程软件Geomagic建立C1~7全颈椎三维实体模型,导入Hypermesh进行颈椎网格划分、添加韧带并引入小关节突接触关系等,建立C1~7全颈椎有限元模型,在ANSYS中模拟前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况下颈椎的生物力学性能。结果 建立的模型准确可靠,在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转时,活动范围与文献中离体实验和有限元分析结果相近。椎间盘应力集中在椎体受压侧,C4/5最易产生应力集中。结论 建立的C1~7全颈椎有限元模型能够有效模拟颈椎的生物力学特性,为后续颈椎挥鞭样损伤的生物力学研究奠定良好的基础。     

上颈椎失稳及其有限元模型建立的研究综述

上颈椎失稳是指当寰枕、寰枢关节因各种原因导致其结构功能减退,以致其在生理载荷下出现的过度活动或异常活动,引起一系列临床症状,严重时可致四肢瘫痪甚至死亡。因此,本文通过对近年来相关文献的整理,对上颈椎失稳的有限元研究入手,总结该病的相关生物力学特点,意在为该病的研究提供参考。     

颈椎生物力学模型的应用及进展

生物力学模型是研究颈椎伤病的基础。通过对模型的观察、测试,可了解伤病的发生机理并提出诊治策略。因此生物力学模型的应用一直在颈椎伤病研究中占据重要地位。根据构成的特点和用途,Panjab[1]将其分为物理学模型,体外模型,体内模型和计算机模型。国内外文献对此有大量报道。现就近年来前三类模型的设计和应用及其进展进行综述,限于篇     

颈椎人工椎间盘置换有限元分析

目的　建立C4~5节段PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘植入后的三维有限元模型,进行手术节段的运动分析。 方法 采用对成年男性的新鲜尸体的颈椎标本进行CT三维扫描方法建立C4~5节段和PrestigeTM-LP人工间盘有限元,模拟完成C4~5人工椎间盘置换手术。测量生理加载下手术节段前屈/后伸、侧弯及轴向旋转运动角度。结果 有限元模型对颈椎的结构,包括椎体间韧带、颈椎关节突关节、钩椎关节等均进行了精确的重建,并较好地模拟手术操作进行PrestigeTM-LP人工间盘植入。运动加载后运动角度,前屈5.7°,后伸3.5°,侧弯5.0°,旋转11.3°,与文献报道结果较为接近。 结论　有限元模型具有精确度高,手术模拟真实的特点,可作为颈椎人工椎间盘生物力学研究的一种较好途径。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换可较好地保留手术节段的运动功能。     

Application of an asymmetric finite element model of the C2-T1 cervical spine for evaluating the role of soft tissues in stability

Different finite element models of the cervical spine have been suggested for evaluating the roles of ligaments, facet joints, and disks in the stability of cervical spine under sagittal moments. However, no comprehensive study on the response of the full cervical spine that has used a detailed finite element (FE) model (C2-T1) that considers the asymmetry about the mid-sagittal plane has been reported. The aims of this study were to consider asymmetry in a FE model of the full cervical spine and to investigate the influences of ligaments, facet joints, and disk nucleus on the stability of the asymmetric model during flexion and extension. The model was validated against various published in vitro studies and FE studies for the three main loading planes. Next, the C4-C5 level was modified to simulate different cases to investigate the role of the soft tissues in segmental stability. The FE model predicted that excluding the interspinous ligament (ISL) from the index level would cause excessive instability during flexion and that excluding the posterior longitudinal ligament (PLL) or the ligamentum flavum (LF) would not affect segmental rotation. During extension, motion increased when the facet joints were excluded. The model without disk nucleus was unstable compared to the intact model at lower loads and exhibited a similar rotation response at higher loads.     

全腰椎非线性有限元模型的建立与有效性验证

目的　为人体腰椎生物力学有限元分析建立有效的全腰椎非线性数字仿真模型。 方法　采集一名25岁的健康男性腰椎（L1~5）CT影像数据,依次通过Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、UG8.5、Hypermesh 13.0、Abaqus6.14-4五个软件建立模型,赋予各组织对应的属性。首先进行网格收敛性测试,选取合适的网格划分方案以提高分析效率。然后通过给模型施加不同的力矩载荷来模拟腰椎的6种运动（前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转）,计算腰椎各功能节段（functional spinal unit,FSU）的活动度（range of motion,ROM）。 结果　模型得出的结果与体外试验的数据类似,两者变化趋势规律一致。 结论　本研究使用的全腰椎非线性有限元模型的建立与验证方法可用于未来脊柱相关疾病的建模与分析。