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.     

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。     

退变性腰椎滑脱三维有限元模型的建立

目的建立L4-L5退变性腰椎滑脱节段的有限元模型,用于生物力学研究.方法临床选用L4-L5退变性腰椎滑脱症患者,通过螺旋CT扫描,Adobe Photoshop 5.0系统对图像进行处理,划分节点和单元,建成有限元分析模型.结果建立了L4-L5退变性腰椎滑脱节段的有限元模型,模型总节点数为1162个,总单元数为662个.结论通过CT断层扫描、计算机辅助设计等方法,可以建立退变性腰椎滑脱节段的有限元模型.     

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.     

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.     

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。     

腰椎运动节段数字模型建立及三维可视化研究

目的 寻求基于CT断层图像重建腰椎运动节段数字模型及三维可视化的方法.方法 基于腰椎L4-5的64排螺旋CT连续断层二维图像,Mimics软件分别对腰椎骨性结构及各种软组织进行重建,并导人有限元分析软件进行模型验证.结果 建立腰椎L4-5运动节段三维数字模型,包括两个椎体、皮质骨、松质骨、终板、纤维环、髓核及6种韧带,数字模型可输出用作CAD(计算机辅助设计)、RP(快速成型)及FEA(有限元分析)研究.结论 薄层CT、Dicom标准的应用使数字模型的建立更为精确,Mimics软件建立人体骨骼及软组织各种结构更为方便,并可以输出数字模型用于进一步研究.     

腰椎小关节接触模型的有限元分析

目的建立腰椎4-5运动节段的有限元模型,分析小关节在不同状态下的生物力学特性。方法获取一新鲜成人尸体腰椎4-5节段的断层CT扫描图像,利用此二维图像建立三维立体有限元模型,小关节部位处理为接触问题。模拟人体的不同承载状态对此模型进行计算处理。结果小关节在不同状态下承担着不同的载荷,特别是在椎体轴向旋转运动状态下抗旋作用更明显。结论小关节部位应该处理为接触问题,这有助于正确了解脊柱运动节段的生物力学特性。     

腰椎小关节接触模型的有限元分析

目的 建立腰椎4-5运动节段的有限元模型。分析小关节在不同状态下的生物力学特性。方法 获取一新鲜成人尸体腰椎4-5节段的断层CT扫描图像，利用此二维图像建立三维立体有限元模型。小关节部位处理为接触问题，模拟人体的不同承载状态对此模型进行计算处理。结果 小关节在不同状态下承担着不同的载荷，特别是在椎体轴向旋转运动状态下抗旋作用更明显。结论 小关节部位应该处理为接触问题，这有助于正确了解脊柱运动节段的生物力学特性。     

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。     

腰椎间孔成形幅度对腰椎生物力学影响的三维有限元分析

目的应用腰椎L3~5节段三维有限元模型,分析椎间盘摘除+不同幅度椎间孔成形前后对腰椎生物力学的影响。方法选取1位20岁既往无腰椎疾病史中国男性志愿者的CT数据,在Mimics15.0软件中建立L3~5节段三维有限元模型,在Geomagic12.0中修补、降噪及曲面化,在Pro/E5.0中行椎间盘的曲面建模,修改髓核和纤维环的材料参数模拟L4~5椎间盘中度退变（模型M1）,在Hypermesh12.0中进行有限元网格处理,并导入ABAQUS软件进行分析。模拟经皮椎间孔脊柱内镜技术侧后入路,以上关节突尖部到下位椎体后上缘中点为穿刺基线建立通道,去除椎间盘左后侧约1/4的纤维环中部及1/4的髓核,以模拟腰椎间盘摘除手术,构建模型M2,以圆柱体代替环锯模拟切除上关节突部分骨质行椎间孔扩大成形术,构建一级椎间孔成形模型M3（环锯直径5mm）、二级椎间孔成形模型M4（环锯直径6.5mm）和三级椎间孔成形模型M5（环锯直径7.5mm）,给予特定加载条件,比较其在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种工况下的生物力学特征。结果建立了有效的L3~5三维有限元模型,除了在后伸工况下L4椎体的位移无明显变化外,其他5种工况下椎间孔成形后L4椎体的位移均有所增加,但成形的幅度对L4椎体的位移无明显影响。M1模型在各种工况下L4~5关节突关节的应力左侧较右侧大。M2模型在腰椎前屈及右旋工况下L4~5左侧关节突关节的应力下降,右侧的应力上升;腰椎后伸下L4~5左侧关节突关节的应力上升,右侧的应力下降;腰椎左侧屈工况下L4~5关节突关节的左右两侧应力均上升;腰椎右侧屈工况下L4~5关节突关节的左右两侧应力均下降。除腰椎左旋工况下M5模型的L4~5右侧关节突关节应力增加明显外,其他各种工况下M3、M4、M5模型L4~5关节突关节应力变化不明显。结论在精确穿刺的指引下,1~3级椎间孔成形对术后即刻的腰椎稳定及关节突关节的应力分布无明显影响。     

颈椎三维有限元模型的建立与应用

目的建立颈椎的三维有限元模型(C4/5/6),以用于临床试验研究。方法根据条件选取健康成年男性志愿者,通过CT扫描,得到颈椎的连续断层数据图片,通过医学三维重建软件Materialise Mimics、作图软件Uni-graphics NX、有限元分析软件ANSYS 8.1构建出颈椎的三维有限元模型,进行边界设定,在模型上加载45N的预载荷,再加以2.0 N.M的纯力矩模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、旋转的生理活动,观察正常FSU(C4/5)的运动与受力,并与体外实物生物力学实验结果比较。结果C4/5三维有限元模型的运动范围与体外实体实验结果在统计学上没有显著差异(P<0.01)。结论建立的颈椎有限元模型可以模拟颈椎的生物力学特性。     

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。     

采用有限元方法建立和分析枢椎的生物力学行为

目的采取有限元的方法,建立第二颈椎(枢椎)的三维有限元模型,模拟该枢椎模型在外力作用下的生物力学行为,分析枢椎骨折的生物力学条件。方法利用螺旋CT扫描获得健康成年男性上颈椎原始DICOM数据图像,采用Mimics软件对数据进行处理并导入ANSYS软件,得到枢椎骨性结构的三维实体模型。并且此模型上模拟头颅位于中立位、屈曲位及后伸位等条件下,枢椎承受的应力分布状况,分析枢椎可能出现的骨折类型。结果实验所构建枢椎骨性的有限元模型外形逼真,三维网格化后枢椎模型共包含1 717个节点,5 772个单元。模拟结果:头颅在中立、前屈、后伸位时枢椎最大应力集中于齿突基底部,次级应力集中区域为枢椎椎弓峡部;直接于齿突加载力模拟头部过度屈曲时,最大应力集中于齿突基底部。结论头颅位于中立位,屈曲位或者后伸位,枢椎齿突基底部及枢椎椎弓峡部是应力最集中的部位。头部过度屈曲时,齿突基底部是应力最集中的部位。     

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。