正常及退變頸椎椎間盤的數字分析.pdf

1、目的:本研究旨在利用CT和MRI掃描正常頸椎所得數據和計算機技術重建人體脊柱頸段可視化三維有限元數字模型，分析正常頸椎間盤在不同工況下的應力分布，并通過改變材料賦值模擬頸椎椎間盤退變，分析其力學改變，從而豐富研究資料，為后續(xù)的頸椎病尤其是頸椎椎間盤突出癥的預防、治療、預后及人工椎間盤的開發(fā)與評估等提供研究平臺與可靠保證。
　　方法:選取一名身材最大程度地接近目前中國人的50百分位體型的健康成年男性志愿者進行原始數據采集。志愿者采用

2、相同體位分別行螺旋CT掃描和MRI掃描，掃描范圍設置為顱底上方2cm至第一胸椎下方2cm，掃描數據以DICOM格式保存。在Mimics15.0（試用版）軟件中，利用閾值劃分等工具提取熱區(qū)，經過蒙板、分離、填充、去突、補凹、光滑等步驟處理，基于CT數據建立包含C1-C7全部頸椎節(jié)段的骨性模型，基于MRI數據建立髓核的3D模型。將所建模型導入逆向工程軟件GeomagicStudio12.0中組裝，使用橋接工具建立椎間盤模型，通過偏移功能生成

3、終板模型和韌帶模型，最后進行布爾運算建立纖維環(huán)模型。將各組件導回Mimics15.0（試用版）中，合成完整的頸椎3D模型，并進行網格劃分。將體網格模型導入Ansys13.0中賦值后，再次劃分體網格，設置邊界條件，最終建立頸椎三維有限元數字模型。通過對C5-C6節(jié)段加力來驗證該模型的可靠性。為模擬頸椎椎間盤突出，改變材料賦值建立退變模型。之后，對正常及退變模型逐一施加軸向載荷及力偶，模擬并分析頸椎在軸向壓縮、前屈、后伸、側彎、旋轉五種工況

4、下的形變及應力變化。
　　結果:聯合運用醫(yī)學圖像處理軟件Mimics15.0（試用版）、GeomagicStudio12.0和Ansys13.0，對CT、MRI掃描所得DICOM數據進行處理，創(chuàng)建了一個較精確的正常人體頸椎C1-C7有限元模型，包含7個椎骨文件、5個椎間盤髓核文件、10個終板文件、5個纖維環(huán)文件、1個前縱韌帶文件、1個后縱韌帶文件和12個黃韌帶文件。模擬的解剖結構細膩準確、高度仿真，經測量和計算模型在預載荷下的活動

5、范圍，驗證了模型準確有效，可用于后續(xù)的有限元分析。經過改變有限元模型各組成成分的材料賦值，建立了退變的椎間盤有限元模型。通過施加載荷模擬軸向壓縮、前屈、后伸、側彎、旋轉各工況下正常及退變椎間盤的位移和等效應力變化，求解得到了椎間盤各組件的位移形變、等效應力分布云圖和動畫等。通過測量纖維環(huán)后緣中部和兩外側區(qū)等效應力的改變以及對比正常和退變椎間盤形變位移和等效應力云圖，得到以下結果:
　　在模擬脊柱頸段負重狀態(tài)時，正常椎間盤應力集中在

6、椎間盤后半部分，且后緣中點應力最大。椎間盤退變后，髓核及纖維環(huán)均形變減小并且形變區(qū)域向后部移動，髓核的應力值沒有明顯變化，終板應力較正常有所增大，纖維環(huán)的應力值明顯變小，但在應力分布上纖維環(huán)后緣中部較外側部大。
　　在模擬脊柱頸段前屈、后伸、側彎及旋轉等四種生理活動狀態(tài)時，退變椎間盤的整體應力分布變化趨勢與正常椎間盤基本一致。正常椎間盤的纖維環(huán)應力均表現為后緣中部較后緣外側部大。退變后，纖維環(huán)的應力水平均比正常時升高，但纖維環(huán)的應

7、力分布則有所不同:在后伸時與軸向壓縮時一樣，后緣中部較后緣外側部大，而在脊柱前屈、側彎時后緣兩外側部較后緣中部大。
　　結論:
　　1、建立了一個較精確的正常人體頸椎C1-C7有限元數字模型，其中利用MRI的T2序列數據建立的椎間盤髓核更加接近真實狀態(tài)。整個模型仿真度高，經驗證準確有效，可用于后續(xù)的有限元分析。
　　2、成功建立了C5-C6頸椎間盤退變的有限元數字模型。并通過施加載荷模擬出了不同工況下椎間盤的位移和等效