頸椎三維有限元模型的建立與應(yīng)用.pdf

1、目的：①建立頸椎的三維有限元模型(C4/5/6)，以用于臨床試驗研究。②探討椎間盤退行變后頸椎的生物力學(xué)變化及其對頸椎穩(wěn)定性的影響。③探討頸椎椎間盤切除植骨融合后相鄰FSU的生物力學(xué)變化及其對頸椎退變的影響。④探討在頸椎人工椎間盤置換后頸椎生理運動的變化及有限元模型在頸椎人工椎間盤的開發(fā)與設(shè)計中的應(yīng)用。 方法：①選取一名健康成年男性志愿者，行影像放射的學(xué)檢查和臨床查體排除脊柱疾患后，用SiemensSomatomSensatio

2、n16層螺旋CT，以0.75mm的層厚進(jìn)行頸部均勻掃描，得到的連續(xù)斷層數(shù)據(jù)圖片以DICOM格式輸出，導(dǎo)入醫(yī)學(xué)三維重建軟件MaterialiseMimics，經(jīng)過圖片的篩選，預(yù)處理，提取邊界的坐標(biāo)生成表面三維圖像，再將此圖像通過UnigraphicsNX生成三維實體，并進(jìn)行修改光滑處理。根據(jù)測量數(shù)據(jù)直接用UnigraphicsNX作圖軟件建立C4/5，C5/6椎間盤的三維實體圖形。將三維實體圖形導(dǎo)入ANSYS8.1有限元分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格化

3、。錄入各結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)特性，構(gòu)建出頸椎的三維有限元模型，進(jìn)行邊界設(shè)定，在模型上加載45N的預(yù)載荷，再加以2.0N·M的純力矩模擬脊柱的前屈、后伸、左右側(cè)曲、旋轉(zhuǎn)的生理活動，觀察正常FSU(C4/5)的運動與受力，并與體外實物生物力學(xué)實驗結(jié)果比較。②在FSU(C4/5)的三維有限元模型上改變椎間盤的材料、力學(xué)性質(zhì)及高度，模擬椎間盤退變的病理狀態(tài)，再加以45N預(yù)載荷，2.0N·M的純力矩模擬脊柱的前屈、后伸、左右側(cè)曲、旋轉(zhuǎn)的生理活動，分析其

4、運動范圍及受力與正常的對比。③將C5/6椎間盤用骨的材料及力學(xué)性質(zhì)代替并通過邊界設(shè)定模擬C5/6椎間植骨融合，再施加45N的預(yù)載荷，2.0N·M的純力矩模擬脊柱的前屈、后伸、左右側(cè)曲、旋轉(zhuǎn)的生理活動，分析其相鄰節(jié)段FSU(C4/5)的活動范圍及受力與正常對比。④將C4/5的椎間盤用頸椎人工椎間盤的理論模型代替，以45N的預(yù)載荷，2.0N·M的純力矩模擬脊柱的前屈、后伸、左右側(cè)曲、旋轉(zhuǎn)的生理活動，分析C4/5的活動范圍與正常對比。

5、 結(jié)果：①C4/5三維有限元模型的運動范圍與體外實體實驗結(jié)果在統(tǒng)計學(xué)上沒有顯著差異(P＜0.01)。②頸椎間盤退變時頸椎的運動范圍及受力與正常FSU比較均增大，并在統(tǒng)計學(xué)上有顯著差異(P＜0.01)。③C5/6融合后C4/5的運動范圍及受力均增加，并在統(tǒng)計學(xué)上有差異(P＜0.05)。④人工椎間盤置換后，F(xiàn)SU(C4/5)部分方向運動范圍(前屈，左右側(cè)屈)與正常FSU相比在統(tǒng)計學(xué)上無顯著差異(P＞0.05)。 結(jié)論：①我們建立的頸