脊柱腰段有限元模型建立及壓縮性骨折模擬.pdf

1、目的:腰椎是人體脊柱的重要組成部分,其解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,臨床病變及損傷非常多見。分析腰椎的生物力學(xué)特性是推斷損傷及指導(dǎo)治療的重要手段。三維有限元(three-dimension,finite element)方法是進(jìn)行生物力學(xué)分析的一種新技術(shù),其建?？梢岳冕t(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù),及迅速靈活又真實(shí)可信。其模型在研究中可重復(fù)使用,亦可根據(jù)研究目的隨意改變定量與質(zhì)量設(shè)定,既可以顯示外部形變又可以解釋內(nèi)部及局部的反應(yīng)機(jī)制,從而被越來越廣泛應(yīng)用。本研究旨在利

2、用CT數(shù)據(jù)對正常脊柱腰段主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建,然后,對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和賦值使其成為有限元模型以便進(jìn)行受力分析,并參考腰椎壓縮性骨折病例進(jìn)行腰椎壓縮性骨折的計(jì)算模擬。以數(shù)字技術(shù)來揭示腰椎解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析正常腰椎及受壓導(dǎo)致骨折時的腰椎生物力學(xué)特性,對腰椎壓縮性骨折的發(fā)生機(jī)制、臨床診斷、治療以及治療后評價提供一定的幫助。
　　 方法:數(shù)據(jù)采自一健康成年男性志愿者和一位腰椎壓縮性骨折成年男性患者,分別行螺旋CT掃描,掃描范圍包括第1

3、2胸椎和全部腰椎及椎間盤,將CT掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式存儲入可讀寫光盤。在MIMICS14.0軟件內(nèi)重建T12～L5的三維幾何形狀,自動劃分單元網(wǎng)格,根據(jù)CT值對骨骼結(jié)構(gòu)的材料屬性分十級定義。手工添加椎間盤,劃分精細(xì)的單元網(wǎng)格,椎間盤與椎體之間進(jìn)行布爾運(yùn)算。在關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)處添加接觸對,模擬關(guān)節(jié)接觸的力學(xué)行為。脊柱胸腰段三維非線性有限元模型構(gòu)建完畢后,在Ansys12.1中對模型實(shí)施受力分析,模擬脊柱胸腰段的各種運(yùn)動,對模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)

4、證。依據(jù)L1椎體壓縮性骨折患者的超薄CT掃描數(shù)據(jù),在第一腰椎三維非線性有限元模型上通過實(shí)施約束和分區(qū)分級加力的方式模擬椎體壓縮骨折,建立L1椎體壓縮性骨折的有限元模型,并對模型加載進(jìn)行有效性驗(yàn)證和分析。
　　 結(jié)果:構(gòu)建的脊柱胸腰段三維非線性有限元模型包含T12～L5的六個椎骨、五個椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)等重要結(jié)構(gòu)。該模型與CT工作站所建三維模型相似性好且可以進(jìn)行有限元力學(xué)分析。對第一腰椎椎體下面約束而在其上面分區(qū)分級加力,成功建立