腰椎L3-L5三维有限元模型的有效性验证**☆

背景：建立精确的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,精确的腰椎有限元模型报道较少。目的：采用正常人腰椎CT资料建立L3-L5三维有限元模型,并进行有效性验证。
　　方法：健康男性志愿者,39岁,身高175 cm,体质量65 kg,采用16排螺旋CT机对L3-L5节段进行扫描,得到1.25 mm层厚的 CT图片共101张,Geomagic9.0软件下建立几何实体模型,然后确定单元类型、划分有限元网格,建立有限元模型进行加载计算。
　　结果与结论：建立了正常人L3-L5三维有限元模型,整个模型共有213736个节点和799779个单元。该模型 L3-L4,L4-L5节段活动范围与文献尸体标本生物力学测试结果一致,验证了模型的有效性,可用于实验研究。     

人工髓核置换三维有限元模型的建立

背景：目前人工髓核置换主要集中在临床使用及观察方面，尚缺乏更多力学实验数据的支持，需要可靠的物理模型或大量体外实验论证分析。目的：建立L4/L5节段人工髓核置换三维有限元模型，拟为生物力学实验研究提供标准数学模型。设计、时间及地点：观察性实验，于2006-07／11在南方医科大学珠江医院骨科中心完成。材料：健康志愿者及人工髓核置换患者各1名，进行64层螺旋CT扫描。扫描数据以Dicom3．0标准直接存储。根据国人实际情况，实验选用最常用PDN—SOLO-7型进行建模，PDN-SOLO-7型代表假体高度7．0mm，横径25mm，弹性模量为45MPa，泊松比为0．49，面接触摩擦系数为0.3MU。方法：在Mimics10．11软件建立L4，k运动节段及PDN-SOLO-7型人工髓核模型。模仿腰椎后路人工髓核置换，建立人工髓核置换三维有限元几何模型。各组件在ANSYS11．0转化成体单元网格。L4和L5体单元网格导回Mimics根据灰度值进行材质分配。余组件直接定义材料参数。在ANSYS用高级有限元装配技术，建立VL，节段人工髓核置换三维有限元模型。主要观察指标：观察人工髓核置换后有限元模型的模拟单元，节点及构成组件。结果：建立了人工髓核置换后三维几何和有限元模型。人工髓核置换模型分为92516个四面体单元，153963个节点，由L4、k、纤维环、上下终板、7条韧带和人工髓核13个组件构成，由三维10节点SOLID92固体单元模拟。结论：通过64层螺旋CT扫描获得腰椎精确几何数据，Mimics通过基于阈值算法及参数化建模提供精确模型，利用灰度值赋材质，建立高仿真脊柱节段及人工髓核置换有限元模型。     

人工腰椎间盘置换的有限元模型

背景:国内外已有学者将有限元分析用于脊柱的生物力学模拟,但对人工帷间盘置换前后腰椎生物力学系统的有限元模拟报道较少.目的:实验建立腰椎运动节段SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘置换的新型三维有限元模型,并在此基础上进行有限元分析.设计、时间及地点:观察性实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成.对象:选择1名健康成年男性志愿者作为模拟对象,对脊柱T12～S1节段进行层厚2 mm的连续扫描,共获得CT断层图像264幅,并对CT图像每隔15.进行三维重建,获取用于建立三维模型的相关数据.方法:将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX软件建模形成正常中国男性L4～5运动节段的三维模型.主要观察指标:结合SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转换成有限元模型.结果:成功建立了腰椎运动节段的三维模型和有限元模型.L4～5节段SB-Chaite Ⅲ型人工椎间盘置换的有限元模型总节点数为2542个,包括1924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,可以建立腰椎人工椎间盘置换的有限元模型.     

人工腰椎间盘置换的有限元模型研究

背景人工腰椎间盘置换是治疗腰椎间盘突出症的新方法,其理论依据需进一步验证.目的建立腰椎运动节段人工椎间盘置换的有限元模型,用于进一步的生物力学研究.设计以脊柱L4～5节段三维模型的相关数据为研究对象的单一样本研究.单位一所大学医院的骨科.对象实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成.选择1名健康男性志愿者作为模拟对象,对其脊柱T12～S1节段进行层厚2 mm的连续扫描,共获得CT断层图像264幅,并对CT图像每隔15°进行三维重建,获取用于建立三维模型的相关数据.方法将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX软件建模形成正常中国男性L4～5运动节段的三维模型,结合SB-ChaiteⅢ型人工椎间盘的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转换成有限元模型.主要结局观察成功建立了腰椎运动节段的三维模型和有限元模型.结果建立了腰椎L4～5节段SB-ChaiteⅢ型人工椎间盘置换的有限元模型,模型总节点数为2542个,包括1924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,可以建立腰椎人工椎间盘置换的有限元模型,用于脊柱生物力学的进一步研究.     

人工腰椎间盘置换的有限元模型研究

背景:人工腰椎间盘置换是治疗腰椎间盘突出症的新方法,其理论依据需进一步验证.目的:建立腰椎运动节段人工椎间盘置换的有限元模型,用于进一步的生物力学研究.设计:以脊柱L4～5节段三维模型的相关数据为研究对象的单一样本研究.单位:一所大学医院的骨科.对象:实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成.选择1名健康男性志愿者作为模拟对象,对其脊柱T12～S1节段进行层厚2 mm的连续扫描,共获得CT断层图像264幅,并对CT图像每隔15&;#176;进行三维重建,获取用于建立三维模型的相关数据.方法:将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX软件建模形成正常中国男性L4～5运动节段的三维模型,结合SB-ChaiteⅢ型人工椎间盘的三维模型,用有限元分析软件SAP2000转换成有限元模型.主要结局观察:成功建立了腰椎运动节段的三维模型和有限元模型.结果:建立了腰椎L4～5节段SB-ChaiteⅢ型人工椎间盘置换的有限元模型,模型总节点数为2542个,包括1924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,可以建立腰椎人工椎间盘置换的有限元模型,用于脊柱生物力学的进一步研究.     

新型人工腰椎间盘置换的三维有限元模型

背景：随着对腰椎生物力学研究的不断深入,相关非融合及动力内固定装置的不断完善和改进,以人工椎间盘置换为代表的脊柱非融合技术的出现给了脊柱外科医师新的选择,因此,设计合理的人工椎间盘显得尤为重要。目的：建立腰椎运动节段新型人工椎间盘置换的有限元模型,用于进一步的生物力学研究。方法：选取1名健康男性志愿者 L3-L4薄层 CT 扫描图像,结合人体解剖学数据,通过医学图像软件Mimics和工具软件 Geomagic Studio,应用逆向工程技术重建腰椎模型。结合硅胶人工椎间盘的三维模型,用有限元分析软件 ANSYS12.0转换成有限元模型。结果与结论：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,成功建立腰椎运动节段的三维模型和人工椎间盘置换的有限元模型。该有限元模型共有691085个单元,1008913个节点,可以施加约束和载荷,用于脊柱生物力学及新型人工椎间盘的进一步研究。     

基于CT扫描及CAD技术建立下腰椎三维有限元模型

背景：近年来,计算机技术和有限元理论的飞速发展为构建腰椎模型提供了技术支持,有限元模型的精确性和可靠性显著提高,为研究椎间盘、椎板切除、腰椎融合、脊柱内固定材料等临床相关的生物力学问题提供了更好的平台。目的：应用三维有限元法建立L3～5腰椎活动节段力学模型。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,验证重建模型的有效性。结果与结论：建立下腰椎的三维有限元模型（L3～5）,分析结果证明其在仿真分析中是可行的,可以模拟生物力学实验。建立的模型共有6482个节点,31326个单元,生成网格时利用网格生成器的扫掠和优化功能,尽量依据模型的几何外形,使网格生成的最少,兼顾了对建模准确性和计算可行性,同时又能充分满足对腰椎的生物力学研究。     

腰椎运动节段流固耦合有限元模型的建立与验证

背景:传统的脊柱生物力学体外实验难以取得椎间盘液体相关的力学性能数据,国外可见多孔弹性有限元模型用于腰椎的固液二相性的研究,然而国内罕见相关报道.目的:利用ANSYS12.1有限元分析软件,建立腰椎运动节段流固耦合有限元模型,旨在推动有限元分析技术在脊柱生物力学方面的广泛应用.方法:对1名健康男性志愿者进行L4～5运动节段的螺旋CT扫描成像,利用医学图像处理软件Mimics10.01对其进行预处理,再利用逆向工程软件Geomagic9 0对模型进行NURBS曲面重构,然后导入有限元软件ANSYS12.1重建椎体皮质骨、松质骨、纤维环和髓核等结构,最后通过划分网格、定义材料属性、定义接触、加载求解等操作建立了腰椎运动节段流固耦合三维有限元模型,并将椎间盘高度随时间变化的数据与文献数据进行比较,以验证模型的有效性.结果与结论:建立了L4～5运动节段的流固耦合有限元模型,模型的总节点数210 718个,总单元数85 973个.将本模型所测得的椎间盘高度数据与文献数据进行比较,结果基本一致.腰椎流固耦合有限元模型更加符合人体的生物力学特点.     

基于CT图像和逆向工程方法建立正常人体腰椎三维有限元模型

背景：利用有限元法可以分析静止及活动时正常脊柱的生物力学,并预测应力时的风险。目的：建立腰椎L3~L5三维有限元模型。方法：选取一名健康30岁男性志愿者L3~L5薄层CT扫描图像,使用工具软件Geomagic和Ansys,应用逆向工程原理构建三维有限元模型,设定边界条件进行加载,记录角位移及应力集中部位,计算模型的平均刚度。结果与结论：建立L3~L5椎体三维有限元模型,包括椎体、韧带、椎间盘、纤维环和小关节,模型总单元数51905个,通过定量和定性两方面验证模型有效。说明所建立的L3~L5椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特征,可用于进一步脊柱生物力学研究。     

腰椎运动节段新型有限元模型建立及其生物力学意义

背景腰椎力学性质较常见的研究方法有动物模型、物理模型和尸体模型,但每种都存在一定局限性.目的建立腰椎运动节段的有限元模型,为腰椎生物力学研究提供理论依据.设计以健康志愿者为研究对象的单一样本研究.单位一所大学医院的骨科.对象实验于2003-12/2004-08在中南大学湘雅医院骨科研究室完成.选择1名健康男性志愿者作为模拟对象.方法对1名健康志愿者脊柱T12～S1节段进行层厚2 mm的连续扫描,共获得CT断层图像264幅,将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过3DSMAX软件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转换成有限元模型.主要观察指标①3DSMAX软件中椎体、椎间盘模型.②SAP2000软件中运动节段有限元模型.结果建立了腰椎L4～5节段的有限元模型,模型总节点数为2 120个,包括1728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进一步研究.     

脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立

背景：建立逼真的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,关于骨质疏松有限元模型的报道尚少。目的：建立脊柱腰段各主要结构及骨质疏松腰椎的有限元数字模型,为正常脊柱腰段及骨质疏松患者腰椎的有限元力学分析打下基础。方法t对1名健康男性志愿者行脊柱腰段的螺旋CT扫描,将所得图像先在Mimics中进行分隔和重建,在Geomagic中进行优化,在Ansys中赋材质及网格划分,建立三维有限元数字模型。结果与结论：建立了包括全部腰椎、椎间盘及主要韧带的正常腰椎及骨质疏松腰椎三维有限元数字模型。该模型外形逼真,几何相似性好,可以随意旋转,方便从多角度观察、采集三维信息,各主要结构材料属性接近实际,适合进行生物力学研究。提示利用CT数据及mimics、geomagic、Ansys软件可以建立脊柱腰段正常及骨质疏松有限元数字模型。     

骨质疏松骨折椎体及相邻椎体骨水泥注入前后的有限元分析

背景：目前有限元构建模型主要是基于医学图像的建模方法,骨水泥注入主要是人为假设的,而文章中治疗前后的数据直接来源于CT扫描,可靠性更高. 目的：构建骨水泥注入前后骨质疏松性腰椎骨折椎体的三维有限元模型,分析治疗前后病椎及邻椎的应力变化. 方法：选取1例75岁骨质疏松性L2椎体压缩性骨折患者,经双侧椎弓根注入少量骨水泥获得良好疗效,随访2年病椎及邻椎无新发骨折,局部无疼痛.根据其治疗前后的腰椎CT数据,构建三维有限元模型,模拟腰椎屈伸、左右侧屈、旋转等运动,统计分析治疗前后同一运动状态下的应力变化. 结果与结论：建立了腰椎压缩骨折骨水泥注入前后的三维有限元模型,共生成222727个单元.骨水泥注入增加了L2椎体（病椎）屈、伸、侧屈各运动时的应力（P 〈0.05）,对其旋转时的应力无明显影响（P 〉0.05）;对L1,L3椎体（邻椎）在屈、伸、侧屈及旋转时的应力亦无影响（P 〉0.05）.提示少量骨水泥注入治疗老年骨质疏松性腰椎骨折可增加病椎强度及应力,但不改变相邻椎体应力.     

兔胫骨骨折的有限元模型

背景：医学生物力学有限元分析的原始资料多为人体CT数据,大范围的CT扫描势必会对人体造成一定的射线伤害。目的：建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型。方法：选取雄性1年龄新西兰大白兔1只,开放锯断左侧胫骨中段,MIMICS10.01软件直接读取以层厚0.625mm对左侧胫腓骨不间断扫描得到以DICOM3.0格式刻盘保存的CT图片135张,经过定位图像、组织图片、内插值处理以及表面光滑化处理建立面网格模型,导入ANSYS10.0软件构建体并划分体网格,在MIMICS10.01中赋材质。结果与结论：建立了外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的胫骨中段骨折有限元模型,经加载分析模型真实有效。可见应用MIMICS10.01和ANSYS10.0软件能快速建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型,为进一步进行实验兔骨折愈合生物力学分析奠定基础。     

颈枕部三维非线性有限元模型的有效性验证

背景：人体组织属性主要表现为非线性,颈枕部的生物力学特点更易受软组织材料属性变化的影响,因此建立非线性有限元模型与人体真实属性更接近. 目的：构建正常成人颈枕部三维非线性有限元模型并验证其有效性. 方法：利用MarConi MX8000多层螺旋CT对健康成人进行颅底-C3段扫描,获取二维图像.直接读入Dicom格式原始图像,图像分割,数据光顺,三维重建后生成颅底-C3节段脊柱三维实体模型;将此模型导入ScanFE模块,进行体网格划分;在ANSYS 10.0软件中直接导入以上三维模型,构建颅底-C3段内韧带单元,模拟韧带力-位移曲线,建立完成颅底-C3段的三维非线性有限元模型.垂直向下方向施加40 N预载荷,1.5 N？m力矩模拟前屈、后伸、侧屈及旋转运动,对比分析实验结果,判断模型应力分布与临床相符度. 结果与结论：构建的三维非线性有限元模型包括663551个单元,178247个节点.施加预载荷及1.5 N？m力矩后,寰枕关节运动范围为前屈13.3°、后伸11.9°、侧屈4.3°、旋转8.7°;寰枢关节运动范围为前屈15.5°、后伸12.6°,侧屈6.4°、旋转30.8°,与尸体标本实验结果相符.从整个模型的纵向应力分布看,在任何相对位置状态下,枢椎齿状突后方的应力均较高,后伸位时应力增高区域加大.上颈椎的应力主要集中于椎管周围,寰椎侧块两端及枢椎横突的应力则较小.对比研究发现,在不同相对工况下前屈、后伸、侧屈、旋转时C2-C3小关节应力均大于钩椎关节,颈枕部三维非线性有限元模型的应力分布特点符合临床实际情况.结果提示应用多层螺旋CT扫描得到的二维图像及simple ware、Ansys10.0软件,建立的颈枕部三维非线性有限元模型符合人体真实的运动规律,可以很好地模拟颈枕部的生物力学特性.     

腰椎单节段术后失稳三维有限元模型的建立

目的建立腰椎L4-5单节段退变模型,模拟腰椎后路椎板减压术(后部结构分级切除)建立术后不同程度失稳有限元模型,为进一步开展腰椎失稳的生物力学研究奠定基础。方法利用交互式医学图像控制系统MIMICS软件对健康志愿者腰椎的薄扫CT图像进行预处理,建立L4-5节段完整三维模型,并进行面网格化,在此基础上模拟手术分级切除L4-5椎体后部结构,进一步建立L4-5节段术后不同程度的失稳模型,再将面网格化的三维模型导入ABAQUS软件进行体网格化,并定义材料及截面属性、定义韧带及其属性、定义椎体间以及椎体与椎间盘相互作用,并加载载荷进行计算。结果成功建立了腰椎单节段后路椎板减压术术后不同程度失稳的三维有限元模型,几何相似性好,经验证模型有效,计算可收敛。结论腰椎单节段术后失稳三维有限元模型具有良好的生物逼真度,适用于临床科研分析,为进一步生物力学研究奠定了良好的模型基础。     

原位及复位融合腰椎滑脱的三维有限元分析

背景：由于脊柱结构复杂,对复位或原位融合后融合的腰椎节段应力分布变化特点的精确生物力学分析一直是个难点。目的：通过建立b5节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定的三维有限元模型来比较腰椎滑脱原位融合和复位融合两种手术方式在各种载荷下的生物力学变化及其对腰椎稳定的影响。方法：根据健康成年男性的下腰椎CT数据,利用mimics,Catia和Patran,Marc等软件建立起b5节段的三维有限元模型,利用此模型模拟退变性腰椎滑脱,在此基础上建立L4／5节段原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合内固定模型,分析两模型在各种载荷下的应力分布特点,并比较异同。结果与结论：L舶节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定三维有限元模型在前屈后伸侧屈旋转负荷下,该节段各部结构,包括椎体,椎弓根钉内固定器和椎问融合器上的应力变化没有显著差异。两模型都显示椎间融合器和椎弓根螺钉内固定器上分布的应力最大。结果表明退变性腰椎滑脱,行原位椎间融合内固定和复位椎间融合内固定后,复位与否对该节段生物力学没有显著影响。     

基于CT图像和逆向工程方法建立正常人体腰椎三维有限元模型

背景:利用有限元法可以分析静止及活动时正常脊柱的生物力学,并预测应力时的风险。目的:建立腰椎L3~L5三维有限元模型。方法:选取一名健康30岁男性志愿者L3~L5薄层CT扫描图像,使用工具软件Geomagic和Ansys,应用逆向工程原理构建三维有限元模型,设定边界条件进行加载,记录角位移及应力集中部位,计算模型的平均刚度。结果与结论:建立L3~L5椎体三维有限元模型,包括椎体、韧带、椎间盘、纤维环和小关节,模型总单元数51905个,通过定量和定性两方面验证模型有效。说明所建立的L3~L5椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特征,可用于进一步脊柱生物力学研究。     

腰椎间融合后路非对称与对称固定螺钉应力的有限元比较

背景：经椎间孔腰椎间融合非对称固定的生物力学稳定性研究,发现固定效果与双侧椎弓根螺钉接近,可满足临床应用所需生物力学要求。经关节突椎弓根螺钉参与经椎间孔腰椎间融合非对称固定的螺钉力学安全性又会怎样呢？目的：建立L4＋s功能节段左侧经椎间孔腰椎间融合后,分别予以同侧椎弓根螺钉＋对侧经关节突椎弓根螺钉、同侧椎弓根螺钉＋对侧经椎板关节突螺钉及双侧椎弓根螺钉固定的三维有限元模型,施加相同的载荷,分析不同运动状态下螺钉应力分布特点,比较3种螺钉应力状况。方法：对一成人正常L4—5椎节段标本、椎间融合器、椎弓根螺钉和皮质骨螺钉进行64排螺旋CT扫描,通过Mimicsll．1建立左侧经椎间孔腰椎间融合后3种内固定组合（同侧椎弓根螺钉＋对侧经椎板关节突螺钉、同侧椎弓根螺钉＋对侧经关节突椎弓根螺钉及双侧椎弓根螺钉固定）的几何模型,利用Simpleware3．1软件分别建立三维有限元模型,模拟500N惦Nm载荷下前屈、后伸、左＼右侧弯、左＼右侧旋等6种运动状态,用Abaqus6．8软件进行螺钉应力变化和分布特点分析。结果与结论：由于经椎间孔腰椎间融合入路切除了左侧关节突,造成内植物应力分布不对称,对弹性模量大的内固定器械一椎弓根螺钉应力影响最大,尤其是在左旋运动时。在不对称组合内固定中,由于关节突关节螺钉的使用,使对侧椎弓根螺钉应力相应增加,以左旋运动时尤为明显,但关节突关节螺钉断裂的危险性增高不明显。提示为降低螺钉断裂的风险,经椎间孔腰椎间融合后路3种组合内固定均应严格限制旋转运动,尤其是关节突切除侧的旋转运动。     

脊柱胸腰段钉棒系统后外侧前后一体内固定的有限元分析

背景：目前脊柱胸腰段内固定方法均有优缺点,希望探索一种新的内固定方案,使脊柱有效固定的同时,可更安全、方便的进行其他操作。 目的：建立脊柱胸腰段（T12-L2）三维有限元模型,观察钉棒系统后外侧前后一体内固定对胸腰段稳定性的影响。方法：基于人正常T12-L2节段的 CT 扫描数据,利用 Geomagic 11.0、Ug 7.0、Hypermesh 10.0、Abaqus 6.9.1软件建立T12-L2节段三维有限元模型,并在此基础上分别建立钉棒系统后路固定、前路固定、后外侧前后一体内固定模型,在T12上表面施加500 N预载荷,再施加7.5 N·m的力矩,模拟胸腰段前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转等生理活动,观察不同工况下内固定节段的平均刚度。 结果与结论：3种内固定模型在不同工况下的平均刚度均较正常模型的平均刚度高。在前屈、左右侧屈、左右扭转等不同工况下,后外侧钉棒系统前后一体固定的平均刚度均高于单纯后路固定,平均刚度分别较后路固定高13%,28%,11%,17%和9%,后伸时平均刚度低于后路固定,比后路固定低6%。但与前路相比,后外侧钉棒系统前后一体内固定在前屈、左右侧弯3种工况下的平均刚度低于前路固定,平均刚度分别比固定低15%,10%和14%,而在后伸、左右扭转情况下平均刚度高于前路固定,分别比前路固定高5%,12%和2%。提示后外侧钉棒系统前后一体内固定能够明显提高固定节段的稳定性,在抗后伸及左右扭转方面的稳定性略好于前路固定,而在抗前屈、左右侧弯、左右扭转方面略好于后路固定,因此可作为一种可选的内固定方法。