利用CT扫描及CAD技术建立第3～7颈椎三维有限元模型

目的：探讨3～7颈椎有限元模型的建立,以期应用于临床实验研究。方法：通过CT扫描、Unigraphics V18．0软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用CAD数据处理技术,输入相关的材料特性,构建3～7颈椎三维有限元模型。并通过有限元分析验证重建模型的有效性。结果：采用Unigraphics V18．0软件建立3～7颈椎的实体模型并划分单元,并分析了生理载荷下3～7颈椎不同组成部分的应力分布。结论：为颈椎有限元模型的建立提供了一种简便、准确的方法,为分析和研究各种情况下生物力学表现创造了条件。     

全颈椎三维有限元模型的建立

目的:建立全颈椎(C1～T1)三维有限元模型.方法:根据一健康成年男性志愿者的颈椎CT与CT重建片,采用断层CT扫描序列图像的自动重建方法,建立全颈椎(C1～T1)三维有限元模型.结果:本研究成功的建立了全颈椎三维有限元模型,它包括C1～T1共8个椎体,本模型高度模拟颈椎结构与材料特性,结构完整,空间结构的测量准确度高,单元划分精细,共有节点数166 979,单元数12 177.结论:所建立的全颈椎有限元模型可以用来进行颈椎生物力学实验.     

上颈椎运动节段数字模型建立及三维可视化研究

目的:寻求连续CT断层图像重建上颈椎运动节段数字模型及三维可视化的方法。方法:基于上颈椎连续薄层CT图像,运用Mimics10.01软件重建上颈椎运动节段骨性和各种软组织结构,并导入有限元分析Ansys10中初步进行有限元分析验证。结果:成功建立上颈椎运动节段三维数字模型并实现可视化。模型包括:C0~3骨性结构并区分皮质骨与松质骨、C1~3关节软骨盘、C2,3椎间盘和6种韧带结构。上颈椎有限元模型初步验证结果与体外生物力学实验和临床结果相符,可进一步行各种上颈椎有限元分析。结论:Mimics软件基于薄层CT图像建立上颈椎有限元模型提供了一个更为快捷精确的方法,所建模型逼真,几何相似性好,为研究上颈椎的生物力学性状创造了条件。     

上颈椎不稳有限元模型的建立及分析

目的：建立上颈椎不稳的三维有限元模型,并探索其临床治疗的意义。方法首先建立上颈椎正常的三维非线性有限元模型,在此基础上结合临床上的颈椎不稳病例,通过有限元软件的应用,建立上颈椎不稳的三维有限元模型并进行有限元分析。在屈、伸、侧屈、旋转等工况下,测量并比较上颈椎脱位模型与正常上颈椎模型的活动度(ROM)差异。结果所建上颈椎有限元模型外观清晰逼真,几何相似性良好。上颈椎不稳模型各个工况下的活动度与正常上颈椎模型相比明显增大,与体外生物力学实验结果基本吻合。结论有限元三维模型的建立提供了一种便捷而精确的方法。上颈椎不稳的非线性三维有限元模型能够较好地模拟临床病例,从而指导制定临床治疗策略。     

现实与虚拟互动的第3～7颈椎应力分析比较

目的:应用三维有限元方法建立第3~7颈椎有限元模型;分析直立时3~7颈椎不同部位的应力分布;进行定量生物力学与三维有限元模型比较;以期应用于临床实验研究。方法:采用UnigraphicsV18.0软件建立3~7颈椎的实体模型并划分单元,在1.8Nm作用力下,观察节段运动与力-位移反应。结果:分析结果证明其在仿真分析中是可行的。通过进行定量生物力学与三维有限元比较的统计学分析,未见显著性差异。结论:该方法适用于重建人体骨骼结构的有限元模型,所得结果较为合理,几何外形和材料特性均较满意,所得结果与实验检验结果基本吻合,所建立的3~7颈椎三维有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验。希望在应用于临床与实验的过程中进一步修改和完善。     

人体髋骨的三维有限元模型快速重建方法

目的 实现人体髋骨三维有限元模型的快速重建，使其能应用于生物力学分析，为临床医生研究髋骨的骨折和分析髋骨的生物力学特性提供帮助。方法 通过CT扫描获得髋骨的完整的三维体数据，用体素的方法直接建立有限元单元，并根据像素的灰度值匹配单元的属性。结果 完成了髋骨三维有限元模型的重建，并且根据骨密度对模型中骨的弹性模量进行了精确设定。结论 利用本文的方法能自动、快速地重建髋骨的三维有限元模型，得到的模型能应用于生物力学分析。     

颈曲变直模型的三维构建及虚拟颈椎后伸作用评价

目的：构建家兔正常颈椎曲度和颈曲变直的三维模型,并对三维模型进行生物力学分析,以探讨颈椎后伸手法的作用机制。方法：固定家兔颈椎后进行CT断层扫描,通过MIMICS三维软件分别重建正常曲度位和颈曲变直位2个模型;再运用ANSYS有限元分析软件进行力学分析。对2个三维模型进行前屈20°和后伸60°的力学加载,观察颈椎各节段椎间盘的应力变化。结果：前屈20°应力时,第1、4、5颔椎节段力学变化较大,且颈曲变直模型应力大于正常曲度模型（P〈0．05）;后伸60°应力时,2个模型各颈椎节段力学变化均不明显（P〉0．05）。结论：颈椎变直使颈椎节段应力变化加大,虚拟颈椎后伸手法可以调节颈椎力学改变。     

激光三维扫描系统重建下颌骨

目的 利用激光三维扫描技术重建下颌骨三维结构，探索建立有限元几何模型的新方法。方法 利用激光三维扫描系统．多次、分区域地扫描人体下颌骨标本并形成下颌骨表面轮廓点云文件，然后对扫描点云文件进行拼接，重建下颌骨表面轮廓。结果 建立了一个人体下颌骨骨性表面的三维模型。此模型造型逼真，并可以适当的文件格式应用于有限元结构力学仿真分析。结论 在生物力学仿真实验中，激光三维扫描系统可以用于建立有限元几何模型，可解决常规CAD(computer aided design)方法难以建立非规则人体结构模型这一难题。     

颈椎前路椎管扩大的三维有限元研究

目的：运用三维有限元法分析颈椎前路椎体撑开的安全性和椎管扩大的有效性。方法：采用下颈椎(C5)三维有限元模型，模拟颈椎前路椎体开槽撑开过程，分别施加80、120、160N荷载，采用静态分析方法对模型进行线弹性分析，观察应力分布与应变特征，并重建颈椎应变的截面轮廓图进行比较分析。结果：C5有效应力主要集中在椎板近棘突处，椎板内外壁主应力方向不同。应变后椎管面积增加率最大，集中在椎管中央和侧方；壁椎管内壁径增加率最小，160N载荷下椎管内壁的变形率为1．77％。结论：颈椎前路椎体撑开可扩大椎管，有效减小椎管内压应力，并提示在一分限度内是安全的。     

颈椎（C0～C3）有限元模型的建立及验证

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1名健康成年男性,以层厚0．6mm进行连续颈部CT扫描得到骨窗断层图像,将CT数据导入到三维重建软件Mimics11．0中得到上颈椎的三维图像数据,再导入ANSYS8．1中生成上颈椎的三维骨性模型。依据文献资料及参考CT结果对上颈椎软组织进行建模,包括椎间盘、小关节和主要韧带结构。最后模拟生理载荷下测定模型各节段（C0-C1,C1～C2,C2～C3）的三维运动范围,并将所得结果与体外生物力学实验结果进行对比,验证所建颈椎有限元模型的有效性。结果：建立了一个较为详尽的上颈椎有限元模型。包括76799个10-node Solid 92单元,14670 Shell 93单元,80个2-node Link 10单元．1557个8-node Solid 45单元,56个Shell 63单元。结论：该模型的生物力学和几何学相似性很好．本实验方法是科学的、精确的。     

正常人体颈椎间盘的三维有限元分析

目的：研究下颈椎间盘三维有限元模型的建立及其应力分布情况.方法：通过CT扫描、Unigraphics V18.0 软件进行影像边界记录、定标等方法,按照点、线、面、体的顺序重建三维结构,采用CAD数据处理技术,输入相关的材料特性,构建下颈椎间盘三维有限元模型.结果：正常椎间盘纤维环在人体直立位、前屈位和后伸位时应力明显集中于后侧与后外侧,平均应力以后伸位最高.当椎间盘变性后,纤维环的平均应力水平比正常时显著降低.结论：建立颈椎间盘三维有限元模型并进行应力分析是可行的,且结果可信.     

基于CT图像全颈椎三维有限元模型的建立及验证

目的:建立全颈椎三维有限元模型并进行验证.方法:通过CT扫描机对中国人体50百分位健康成年男性志愿者颈椎进行扫描,获取颈椎骨骼坐标数据,利用Mimics软件将图像坐标数据转换成ASCII格式的点云数据,并利用CATIA软件对点云数据进行前处理,通过Geomagic曲面建模功能完成颈椎几何模型重构,并将几何模型导入到有限元前处理软件Hypermesh.采用映射网格划分法分别对颈椎皮质骨、松质骨、椎间盘以及各主要韧带等结构进行了网格划分和模拟.同时,利用现有的颈椎材料参数进行比例和功能缩放来定义稀缺的材料参数,最终建立一个解剖结构描述准确、全面的全颈椎有限元模型.结果:整个模型共有22 512个实体单元,14 180个壳/膜单元.利用颈椎离体坠落实验对模型的有效性进行了验证.结论:模型具有良好的生物逼真度,可应用于研究颈椎在汽车碰撞事故中的动态响应和损伤机制.     

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。     

颈椎生理曲度变直全节段有限元建模与分析

目的 建立生理曲度变直的颈椎全节段有限元模型,对颈椎生理曲度变直的发生机制进行验证与分析.方法 选取符合颈椎曲度变直纳入标准的患者,采集其CT数据,使用生物力学有限元建模软件,精确重建颈椎各节段的独立实体模型,直接从三维实体模型划分生成高质量有限元体网格,进一步精细生成各种韧带、椎间盘、关节突软骨等组织和结构.结果 在前屈、后伸、侧弯和旋转情况下,生理曲度变直的颈椎全节段有限元模型活动度范围比正常值范围要小并且出现再分配.同时,在应力分布方面,C3～4、C4～5 之间的小关节、钩突关节,和C3～4之间的椎间盘容易出现应力集中情况,表明易出现损伤和退化.结论 新型生物力学有限元建模软件简单易用,所建生理曲度变直的颈椎全节段有限元模型结构完整,空间结构精度高,单元划分规则精细,有限元分析结果对生理曲度变直的颈椎病临床诊断有指导意义.     

有限元在人体脊柱应用进展及在脊柱畸形方面应用的前景

脊柱有限元法是近年来出现在脊柱生物力学的一种较新的研究方法,现得到了广泛应用。本研究对有限元法的发展过程,有限元在颈椎、胸椎、腰椎的研究现状进行描述,以及有限元在脊柱侧凸和后凸畸形模型发展的现状及展望进行评价。     

累及椎板型颈椎棘突骨折有限元模型的建立和分析

目的建立累及椎板型颈椎棘突骨折有限元模型（累及椎板型颈椎棘突骨折模型）并行活动度及应力分析,明确此型骨折对颈椎稳定性的影响。方法采集男性健康志愿者颈椎CT数据,运用有限元软件构建颈椎（C0~T1）全节段模型（正常颈椎模型）,并与文献报道数据进行对比验证,正常颈椎模型活动度通过比较验证后,在正常颈椎模型基础上建立C7累及椎板型颈椎棘突骨折模型,测量C7累及椎板型颈椎棘突骨折模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种工况下的活动度,与正常颈椎模型进行比较,测量颈椎骨性结构及韧带的生物应力变化。结果建立的正常颈椎模型同文献报道的颈椎活动度比较符合有限元建模标准,在正常颈椎模型上结合临床骨折病例建立的累及椎板型颈椎棘突骨折模型外观逼真,活动度比较结果显示：在C6~7节段,骨折模型的前屈、侧弯及旋转活动度比正常模型减小（减少0.24°~1.60°）,而后伸活动度略微增大（增加0.30°）;在C7~T1节段,除后伸活动外,其余活动度均比正常模型要大（增加0.91°~3.53°）,且活动度变化范围较为明显（单侧旋转活动度增加36.7%）;其余节段两个模型活动度相差无几。累及椎板型颈椎棘突骨折模型在侧弯及旋转工况下应力值较正常模型相对升高。结论累及椎板型颈椎棘突骨折模型能较好地模拟临床实际骨折病例,C7累及椎板型棘突骨折模型有限元分析提示骨折局部稳定性变差,预示颈椎不稳发生,一旦发现颈椎不稳或神经损伤,需及时手术治疗。     

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。     

有限元分析在颈椎生物力学研究中的应用

有限元分析法最初是一种用于结构分析的矩阵方法,随着有限元技术的发展及人们对脊柱生物力学特性的深入了解,现已成为脊柱生物力学研究的重要方法之一。现对有限元方法的概念、原理以及应用于颈椎研究的历史进行介绍,概述应用有限元方法对颈椎生理、病理、损伤情况下生物力学特性的分析;不同手术方式的远期效果,内固定器械设计及改良的评价。随着计算机技术的提高和有限元软件的研发,有限元法在颈椎生物力学的研究将得到长足发展。     

颈前路零切迹椎间融合固定系统椎间融合术对邻近椎间盘生物力学影响的有限元分析

目的 探索颈前路零切迹椎间融合固定系统(Zero-P)椎间融合术对邻近椎间盘生物力学的影响,为颈椎病中远期疗效的评估提供参考.方法 采用正常成人颈椎薄层CT图像建立下颈椎(C4~C7)有限元模型,并验证其有效性,在此基础上建立单节段颈椎(C5/6)植入Zero-P系统后的有限元模型.分别加载前屈、后伸、侧弯、旋转等应力负荷,计算正常下颈椎及单节段颈椎(C5/6)植入Zero-P后相邻节段椎间盘的应力.结果 成功地建立了人体正常下颈椎、单节段(C5/6)植入Zero-P融合器后的下颈椎有限元模型.颈前路Zero-P椎间融合术后对邻近颈椎间盘应力较术前明显增大,以前屈及侧弯时更显著.结论 颈前路Zero-P椎间融合术可增加相邻椎间盘应力,术者需权衡利弊,充分考虑手术方式的影响,术后相应调整康复计划以减轻邻近节段负担.