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腰椎节段形态对峡部、小关节应力及小关节接触力影响的有限元分析 总被引:1,自引:0,他引:1
目的:探讨腰椎形态结构变化对峡部裂性滑脱及小关节退变的作用和意义。方法:采用改良的“非种子区域分割方法”及非平行“最佳切割平面”等一系列新型计算机辅助设计(CAD)方法精确建立包括椎间盘高度、腰椎小关节角、椎间盘前凸角改变的L4~L5活动节段有限元模型;在2700N轴向压缩载荷条件下,分别对各有限元模型的峡部、小关节应力、小关节接触力以及椎间盘负载进行测试。结果:压缩载荷下,腰椎活动节段峡部、小关节等效应力及小关节接触力随椎间盘高度的减小而减小,随小关节角的增大而增加,随椎间盘前凸角的增加而减小。结论:椎间盘高度、腰椎小关节角、椎间盘前凸角等形态结构变化对腰椎节段有限元模型的峡部、小关节应力及小关节接触力有明显的影响。提示腰椎峡部应力性骨折及小关节退变的发生与椎间盘高度、腰椎小关节角、椎间盘前凸角等解剖形态因素有关。 相似文献
2.
小关节角矢状化、椎间盘退变对退变性腰椎滑移作用的有限元研究 总被引:2,自引:0,他引:2
目的探讨小关节矢状化与椎间盘退变间的关系及其对退变性腰椎滑移的作用和意义。方法采用一种新型CAD方法精确构建65°小关节角、45°小关节角、25°小关节角与正常椎间盘、轻度退变椎间盘、重度退变椎间盘相组配的9种腰椎L4-L5活动节段有限元模型。生理压缩载荷下,分别对9种有限元模型的生物力学参数进行测试。结果与小关节角45°和25°有限元模型相比,小关节角65°有限元模型的矢状方向椎体前移位增加,关节突、峡部等效应力和关节突水平方向接触力明显增加;小关节角65°有限元模型的终板膨出减小,纤维环基质应力增加。与正常有限元模型相比,椎间盘轻度退变有限元模型刚度下降,小关节突及峡部应力轻度增加。9种有限元模型中,轻度退变椎间盘结合小关节角65°有限元模型的抗前剪力能力最差。结论小关节角矢状化既是退变性腰椎滑移的原发诱因,又是局部应力变化导致关节突再塑形的继发病理改变,矢状型小关节腰椎活动节段矢状方向内在不稳定性受椎间盘退变程度的影响,椎间盘退变对小关节角矢状化无明显促进作用。 相似文献
3.
全髋关节置换前后股骨侧应力的理论分析 总被引:3,自引:0,他引:3
采用复合梁基本理论来构建骨水泥和非骨水泥型全髋关节置换前后假体周围骨质应力分布的解析理论模型,通过将假体周围股骨分成等距的11个断层,并将每个断层分成前、后、内、外四个象限,分别计算每个象限的解析解和有限元分析值,做直线回归并相关分析。结果显示解析理论模型能有效的用于全髋关节置换前后力学环境变化的研究,利用该模型不仅有助于理解并解释临床相关的力学问题,而且有助于对全髋关节置换相关的涉及患者自身、假体设计和手术等多方面因素进行规律性研究。 相似文献
4.
终板凹陷角变化对腰椎运动节段生物力学影响的有限元分析 总被引:1,自引:0,他引:1
目的:研究终板凹陷程度变化对腰椎运动节段生物力学影响。方法:在以往建立的腰椎L4~5运动节段三维非线性有限元模型基础上,采用CAD方法精确构建三种不同终板凹陷角改变的有限元模型,有限元模型的椎间盘前凸角、小关节间隙等其余形态学参数及网格划分均保持一致。垂直压缩、屈曲、伸直、前后剪力5种载荷条件下,分别对三种有限元模型生物力学参数进行测试。结果:负载条件下,终板凹陷角增加、终板凹陷程度减小可导致终板-椎间盘界面应变减小,椎间盘刚度及髓核内压增加,椎间盘膨出、纤维环纤维张应力、纤维环基质应力、腰椎后部结构应力以及关节突接触力减小。结论:终板凹陷程度的减小增强了椎间盘对椎体的保护作用;同时可通过影响终板的形变减少对椎间盘的营养传递。 相似文献
5.
腰椎活动节段精确有限元模型的建立 总被引:2,自引:0,他引:2
目的 采用一种新型CAD方法用CT资料精确建立腰椎L4-L5节段三维非线性有限元模型. 方法用一种改良的"非种子区域分割方法"提取腰椎目标区域得到二值图像;再用反应腰椎曲度的"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"后快速重构腰椎曲面,最后经逆变换恢复原三维空间的形状特征.将L4-L5节段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. 结果所构建的有限元模型包含L4-L5节段所有重要解剖结构,压缩、屈曲、伸直载荷下有限元模型的预测结果与实验生物力学结果相符合. 结论包含先进算法的CAD技术实现了腰椎复杂几何模型的快速、精确建模. 相似文献
6.
基于CAD技术的个体化退变腰椎有限元模型库的建立 总被引:2,自引:0,他引:2
目的根据退变腰椎的形态特征,采用计算机辅助设计(computer aided design,CAD)方法精确建立不同形态改变的退变腰椎L4-L5运动节段三维有限元模型。方法采用改良的“非种子区域分割”以及非平行“最佳切割平面”等一系列新型CAD方法精确建立包括终板凹陷角、椎间盘高度、腰椎小关节角及椎间盘前凸角改变的L4-L5节段表面模型基本“结构模块”,表面模型数据导入ANSYS获得各“结构模块”有限元模型后,通过界面间的拼接粘贴构建不同形态改变的退变腰椎有限元模型并进行充分加载验证。结果所构建的有限元模型包含L4-L5节段所有重要解剖结构,正常和退变腰椎有限元模型预测结果与体外实验生物力学研究结果相符合。结论基于CT数据的新型CAD方法实现了个体化退变腰椎有限元模型库的建立。 相似文献
7.
全髋关节置换后聚乙烯内衬应力的弹塑性有限元分析 总被引:4,自引:0,他引:4
目的研究全髋关节假体中聚乙烯内衬在髋臼不同植入方向和不同直径股骨头时,在平地行走和上楼等不同运动状态下关节面白的接触应力水平。方法建立金属髋臼、聚乙烯内衬以及相应直径股骨头的三维有限元模型,在股骨头中心加载关节负荷,非线性接触弹塑性分析内衬关节面的接触应力。结果髋臼植入的前倾、外展角度不同和股骨头直径变化以及不同运动状态对内衬应力水平均有一定的影响。上楼等高负重运动以及股骨头直径减小均可增加内衬的应力,直径小于28 mm的股骨头在上楼时内衬的应力水平可超过聚乙烯的屈服强度;髋臼前倾(0°~30°)和外展(30°~60°)角度变化对平地行走时内衬应力水平的波动在20%左右,应力水平均低于其屈服强度,但是在上楼时前倾和外展角度的增加均可增加内衬的应力,前倾大于15°时应力峰值均超过聚乙烯的屈服强度。结论全髋关节置换手术可考虑选择股骨头直径较大的髋臼假体,并且严格控制髋臼植入在安全范围内,术后避免或减少上楼等高负重活动均有利于减少对内衬的破坏。 相似文献
8.
全髋关节置换前后股骨应力变化的有限元分析 总被引:32,自引:0,他引:32
目的:研究Chamley Elite骨水泥型和Summit近端多孔非骨水泥型股骨假体置换后股骨总体应力以及假体周围骨质区应力分布的变化。方法:根据Charnley Elite骨水泥柄和Summit非骨水泥柄假体形态建立三维有限元模型,并加载关节合力以及相关肌肉的肌力负荷,分析假体植入前后股骨总体应力模式并对股骨近端假体周围区域骨质应力分布进行分区量化研究。结果:两种假体植入后没有改变股骨总体的应力模式,应力峰值区域均位于全长股骨的中下段,但股骨应力峰值有所下降。股骨近端假体周围骨质等效应力水平出现了显著下降,下降最严重的区域为近段内侧象限即股骨距区,应力遮挡率分别达90.8%和95.3%;向假体远端应力水平逐渐增大,直至假体远段和末段水平应力值逐渐恢复并接近生理水平。就该两种不同固定方式的假体比较而言,引起的应力遮挡区域分布基本一致,应力下降程度Summit近端多孔非骨水泥型假体要高于Charnley Elite骨水泥型假体。结论:两种假体植入后均在股骨近端形成显著的应力遮挡,假体周围骨质应力大小和分布的改变是引起术后骨量丢失和假体松动的原因之一,也是术后股骨骨折发生的类型以术后肢体疼痛发生的力学基础。两种固定方式的假体均需通过进一步改进以减少应力遮挡。 相似文献
9.
不同运动负荷下腰椎应力的三维非线性有限元分析 总被引:8,自引:2,他引:6
目的:利用三维非线性有限元分析,研究1500N压力和15Nm弯矩下的脊椎前屈、后伸、侧弯和扭转运动时腰椎应力分布,探讨腰椎运动损伤的力学机制.方法:基于L3-L4节段的CT扫描数据建立有限元模型.根据腰椎三关节复合体结构,观察椎间盘膨出内陷尺度、纤维环应力水平、小关节负荷水平及后部结构等效应力分布来评价运动负荷导致的力学变化. 结果:压力和前屈负荷引起椎间盘前部受压膨出,后伸和侧弯负荷引起椎间盘在后部和后外侧部膨出.扭转不仅引起单侧小关节高负荷承载,还造成椎间盘后外侧区纤维环应力集中.后伸时小关节负荷虽低于扭转,但高于侧弯和前屈.椎弓根和椎弓峡部在压力和后伸负荷下等效应力较高.结论:椎间盘对压力的耐受性好于拉力,椎间盘后外侧区是各负荷下变形最大的区域,该部纤维环易于出现高应力而失败.小关节对腰椎活动特性有重要作用,扭转、后伸和高压力负荷引起小关节承受高负荷和小关节应力失败有关.椎弓根和椎弓峡部以及椎体前上部皮质骨区在屈伸和压力负荷下容易出现与应力相关的破坏. 相似文献
10.
腰椎L4~L5活动节段有限元模型的建立与验证 总被引:9,自引:0,他引:9
刘耀升 陈其昕 廖胜辉 唐小君 李方财 吴浩渡 余世策 LIU Yao-sheng CHEN Qi-xin LIAO Sheng-hui TANG Xiao-jun LI Fang-cai WU Hao-bo YU Shi-ce 《第二军医大学学报》2006,27(6):0665-0669
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. 相似文献