頸枕部三維非線性有限元模型的建立及有效性驗證.pdf

1、目的：建立正常人頸枕部更加精確的三維非線性有限元模型，驗證頸枕部三維非線性有限元模型的有效性 方法：選擇一28歲正常青年男性，利用MarConi MX8000多層螺旋CT機對其顱底—C3段進行連續(xù)掃描，獲取顱底—C3段以0.48mm為層厚的序列二維Dicom格式圖像，水平面圖像190張、矢狀位圖像219張、冠狀位圖像199張。Simple ware軟件的Scan IP模塊直接讀入Dicom格式原始圖像，并可分別對皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、

2、髓核及纖維環(huán)進行圖像分割，數(shù)據(jù)光順，三維重建等操作，最后生成顱底—C3節(jié)段(包括椎間盤)脊柱三維實體模型；再將此模型導入ScanFE模塊，該模塊能對此三維模型進行體網(wǎng)格劃分，最終生成能夠?qū)階NSYS11.0的格式文件；ANSYS11.0可直接導入以上三維模型，在ANSYS11.0軟件中，根據(jù)每條韌帶的解剖學資料建立顱底—C3段內(nèi)的18組韌帶單元，采用6點階段線性法模擬韌帶的力一位移曲線，定義韌帶單元的材料屬性，在顱底—C3節(jié)段的關(guān)節(jié)之

3、間添加不同厚度的軟骨單元和接觸對，模擬關(guān)節(jié)接觸的力學行為。分別賦予皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、髓核、軟骨及纖維環(huán)的彈性模量和泊松比，完成顱底—C3段三維非線性有限元模型的建立。顱底—C3段三維非線性有限元模型構(gòu)建完畢后，對模型施加與尸體標本力學實驗相同的垂直向下40 N的預載荷及1.5 Nm力矩使其產(chǎn)生前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)運動，將模型運動范圍與Panjabi等的體外實驗結(jié)果進行對比驗證，并判斷模型應力分布與臨床是否相符合，進一步驗證模型的有效性。

4、 結(jié)果：構(gòu)建的顱底—C3段三維非線性有限元模型包含部分枕骨、完整寰椎、樞椎、橫韌帶、軟骨、韌帶和椎間盤等重要結(jié)構(gòu)。構(gòu)建的三維非線性有限元模型的仿真性好，包括663551個單元，178247個節(jié)點。在40 N的預載荷及1.5Nm力矩下，各關(guān)節(jié)的運動范圍分別為寰枕關(guān)節(jié)(前屈13.3°、后伸11.9°、側(cè)屈4.3°、旋轉(zhuǎn)8.7°)；寰樞關(guān)節(jié)(前屈15.5°、后伸12.6°、側(cè)屈6.4°、旋轉(zhuǎn)30.8°)。在前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)運動中

5、的關(guān)節(jié)活動范圍與尸體實驗結(jié)果接近。從整個模型的縱向應力分布來看，無論處于何種相對位置狀態(tài)，樞椎齒狀突后方均處于比較高的應力環(huán)境下，在后伸位時齒狀突應力增高區(qū)域增大。上頸椎的應力集中范圍主要在椎管周圍，而寰椎側(cè)塊兩端和樞椎橫突所受的應力相對較小，對比不同相對工況下C2—C3小關(guān)節(jié)和鉤椎關(guān)節(jié)的應力分布，可以發(fā)現(xiàn)無論在前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)時小關(guān)節(jié)應力均大于鉤椎關(guān)節(jié)，頸枕部三維非線性有限元模型的應力分布特點符合臨床實際情況。 結(jié)論：應