10歲兒童上頸椎有限元模型的建立及有限元分析.pdf

1、目的：（1）探討建立10歲正常蒙古族兒童上頸椎( C0～C2)的有限元模型，并驗證其有效性；（2）通過對已建立上頸椎模型前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)工況的有限元過載試驗，分析兒童上頸椎應(yīng)力分布變化。
　　方法：（1）選取一名10歲齡正常蒙古族男童頸椎CT DICOM數(shù)據(jù)包，導(dǎo)入三維重建軟件MIMICS16.0行圖像分割處理，得到優(yōu)化的硬組織表面模型，再導(dǎo)入有限元前處理軟件Hypermesh行頸椎C0～C2各部分網(wǎng)格的劃分、建立頸椎韌帶模

2、型并對各部分賦予材質(zhì)、單元屬性及施加載荷等，建立了頸椎C0～C2有限元整體模型，最后導(dǎo)入通用有限元軟件ANSYS14.0中行計算和結(jié)果分析；（2）在模擬生理載荷下（顱底垂直加載30N預(yù)壓力，1.0Nm力矩）測定上頸椎模型各節(jié)段(C0～C1，C1～C2)的前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)的三維運動范圍，將所得結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗證所建模型的有效性；（3）通過對本例上頸椎有限元模型進(jìn)行前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)過度加載（顱底垂直加載30N預(yù)壓力，5

3、.0Nm），展示寰椎、樞椎、齒突及寰椎橫韌帶的應(yīng)力云圖，并分析其應(yīng)力分布的變化特點，探討兒童上頸椎損傷的機(jī)制。
　　結(jié)果：（1）成功建立了一個外觀逼真的兒童上頸椎有限元模型，包括顱底、寰樞椎及附屬主要韌帶、接觸關(guān)節(jié)等結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過了有效性驗證；（2）在模擬頭顱重量及不同方向大小為5.0Nm的過度力矩載荷下，測量出上頸椎各節(jié)段角位移量，并清晰顯示其應(yīng)力云圖。
　　結(jié)論：（1）本研究所建立的兒童上頸椎有限元模型幾何相似性好，可用來

4、進(jìn)行生物力學(xué)研究；（2）該模型在上頸椎前屈-后伸工況下，應(yīng)力主要集中于寰枕關(guān)節(jié)和樞椎前方結(jié)構(gòu)。從前屈向后伸的變化過程中寰椎所受應(yīng)力向后弓移動。樞椎椎體和齒狀突基底在前屈時高應(yīng)力區(qū)域較后伸集中；（3）側(cè)彎時，在樞椎椎體及相對應(yīng)的接觸壓縮關(guān)節(jié)區(qū)域有中度應(yīng)力集中；（4）旋轉(zhuǎn)時，寰椎后弓與側(cè)塊連接處、樞椎椎體和齒突基底表現(xiàn)出高應(yīng)力分布，且寰枕關(guān)節(jié)和寰樞關(guān)節(jié)的接觸區(qū)域也有增高，表明上頸椎在過度旋轉(zhuǎn)時可能會產(chǎn)生損傷，易造成不穩(wěn)定，如增加額外外力可能