三維有限元法在脊柱生物力學(xué)研究中的應(yīng)用.pdf

1、第一部分應(yīng)用三維有限元模型研究下頸椎在前屈后伸情況下的應(yīng)力變化
　　 目的：頸椎病是脊柱外科常見疾病之一，其發(fā)病因素與脊柱生物力學(xué)密切相關(guān)。在目前研究生物力學(xué)的方法中，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、物理實(shí)驗(yàn)和體外（尸體）實(shí)驗(yàn)都無法達(dá)到預(yù)期效果，三維有限元方法作為一種新技術(shù)，有優(yōu)于其它實(shí)驗(yàn)之處，可在持續(xù)性研究中重復(fù)及改變?nèi)魏钨|(zhì)量與定量變化，同時(shí)提供了局部及內(nèi)部的反應(yīng)機(jī)制，從而被越來越廣泛應(yīng)用。頸椎是一個(gè)功能性整體，各部分相差懸殊，應(yīng)力傳導(dǎo)復(fù)雜，如果采

2、用脊柱功能單位（FSU）難以反應(yīng)整體情況，因此本課題通過應(yīng)用有限元方法建立下頸椎（C3-C7）的三維模型，研究頸椎在前屈后伸兩種情況下的應(yīng)力變化，從生物力學(xué)角度闡明頸椎病發(fā)病機(jī)制，為臨床疾病的預(yù)防提供參考。此外，本模型的建立也可以應(yīng)用于臨床內(nèi)固定器械的設(shè)計(jì)和術(shù)式的分析，為以后將有限元方法推廣到臨床疾病的治療奠定了基礎(chǔ)。
　　 方法：選取一健康女性志愿者，25歲，體重65kg，身高170cm，行CT掃描，層厚1mm，層間距0mm，

3、掃描范圍包括C3-C7全部骨性結(jié)構(gòu)及椎間盤。掃描圖片共90張，實(shí)際建模采用中間有效部位75張。將掃描數(shù)據(jù)存入可讀寫光盤。在處理原始圖片前，將骨組織區(qū)域和椎間盤區(qū)域在圖像處理軟件Photoshop中進(jìn)行分割并分別保存為JPG格式。運(yùn)用C語言自行編寫的數(shù)字圖像處理程序?qū)Ψ指詈蟮膱D像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，提取邊界坐標(biāo)，將每塊骨的外輪廓三維坐標(biāo)分別存儲(chǔ)為單獨(dú)的點(diǎn)云文件。將采集的點(diǎn)云文件輸入逆向工程軟件Geomagic，生成的實(shí)體模型經(jīng)過組裝，以IGES

4、格式存儲(chǔ)。從Geomagic里生成的實(shí)體模型IGES文件，導(dǎo)入到有限元分析軟件Ansys9.0中去。對(duì)每個(gè)椎體和椎間盤，用三維十節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元SOLID92進(jìn)行網(wǎng)格劃分；對(duì)韌帶，本模型采用了三維僅受拉桿單元LINK10。整個(gè)模型共有110577個(gè)節(jié)點(diǎn)，69616個(gè)單元。將模型底面固定，在C3上面垂直加載頭顱重量，再對(duì)模型進(jìn)行加載2 N.m的力矩使模型前屈后伸，不至于使頸椎產(chǎn)生任何損傷，得到相應(yīng)的等效應(yīng)力分布圖。
　　 結(jié)

5、果：由等效應(yīng)力分布圖可以看出，總體上，下頸椎小關(guān)節(jié)應(yīng)力由上至下逐漸增大，主要集中于C4-5，C5-6之間。前屆時(shí)以C5-6，C6-7應(yīng)力較大，后伸時(shí)以C4-5，C5-6應(yīng)力較大。小關(guān)節(jié)前屈時(shí)Z軸上受拉應(yīng)力，后伸時(shí)Z軸上受壓應(yīng)力。說明小關(guān)節(jié)在后伸時(shí)起承受和傳導(dǎo)載荷的作用。鉤椎關(guān)節(jié)的變化在此圖上不明顯。
　　 結(jié)論：小關(guān)節(jié)在前屈、后伸兩種工況下的受力，總體上集中于頸椎中下段，而且主要集中于C4-5，C5-6之間。這一結(jié)論從生物力學(xué)角

6、度闡述了小關(guān)節(jié)退變多見于中下段，特別是C4-6節(jié)段。所以，當(dāng)人體處于長時(shí)間不良姿勢(shì)（頸椎前屈）的情況下，會(huì)使局部應(yīng)力（尤其是小關(guān)節(jié)的應(yīng)力）增加，應(yīng)力增加導(dǎo)致了骨質(zhì)增生，嚴(yán)重骨質(zhì)增生又會(huì)刺激神經(jīng)根等軟組織，如此反復(fù)，惡性循環(huán)，最后導(dǎo)致頸椎病的發(fā)生。所以，對(duì)于經(jīng)常伏案工作人員，低頭應(yīng)有節(jié)制，并注意在間歇時(shí)充分活動(dòng)頸椎，經(jīng)常改變體位，放松頸部肌肉，從而改善頸椎長時(shí)間應(yīng)力集中的狀態(tài)，預(yù)防頸椎病的發(fā)生。
　　 第二部分人工頸椎間盤置換術(shù)對(duì)

7、鄰近節(jié)段生物力學(xué)影響的三維有限元分析
　　 目的：近年來，頸椎的發(fā)病率逐年增加，手術(shù)治療成為保守治療無效后的唯一選擇。但傳統(tǒng)融合術(shù)后可出現(xiàn)多種并發(fā)癥問題成為困擾廣大臨床醫(yī)師的難題，為解決異常應(yīng)力作用于融合后鄰近節(jié)段的問題，自上世紀(jì)90年代以來新興了一種新的脊柱疾病治療的理念，即“非融合固定技術(shù)”，又叫做“動(dòng)態(tài)性固定”。頸椎間盤置換手術(shù)是在這種理念下發(fā)展的一種比較成熟的解決方案，尤其是頸椎人工間盤置換術(shù)在臨床取得優(yōu)良的效果，伴隨著

8、頸椎人工間盤置換術(shù)的成功，對(duì)頸椎人工間盤生物力學(xué)的研究方興未艾。
　　 該研究作為數(shù)字模擬分析，區(qū)別與以往基于尸體建模的模式采用基于實(shí)體建模，更能充分反映出人體的生物學(xué)特性，尤其是對(duì)韌帶及人工椎間盤假體的模擬更接近于真實(shí)結(jié)構(gòu)，通過力學(xué)分析方法對(duì)模型在正常范圍內(nèi)的前屈后伸、側(cè)彎等工況的運(yùn)動(dòng)情況分析，了解其運(yùn)動(dòng)特性，并與前人一些尸體試驗(yàn)結(jié)果及隨訪結(jié)果的運(yùn)動(dòng)情況比較，從而評(píng)價(jià)頸椎間盤置換術(shù)患者愈后的下頸椎運(yùn)動(dòng)情況。
　　 方法

9、：選取一名行人工間盤置入術(shù)后6個(gè)月的志愿者，男性，48歲，身高170cm，體重75kg，未發(fā)現(xiàn)骨性異常與脊柱畸形，行CT掃描機(jī)，自上而下行螺旋掃描，層厚0.6mm，層間距0mm，掃描范圍包括C4-C7全部骨性結(jié)構(gòu)、韌帶、椎間盤及人工椎間盤假體。掃描圖片共392張，實(shí)際建模采用中間有效部位367張。將掃描數(shù)據(jù)存入可讀寫光盤。運(yùn)用自行編寫的c語言數(shù)字圖像處理程序圖像對(duì)C4-C7骨性結(jié)構(gòu)和椎間盤區(qū)域進(jìn)行邊緣檢測(cè)，提取邊界坐標(biāo)，并整理成點(diǎn)云文件

10、。將點(diǎn)云文件輸入逆向工程軟件Geomagic，在其中模型經(jīng)歷點(diǎn)階段（Point Phase）、多邊形階段（Polygon Phase）、成形階段（Shape Phase）等三個(gè)處理階段，生成NURBS曲面。由NURBS曲面構(gòu)造的實(shí)體模型通過IGES文件導(dǎo)入到有限元分析軟件Ansys9.0中去，對(duì)椎體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤用三維十節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，上下終板和纖維環(huán)被簡化成一體，中間髓核部分被區(qū)分出來。對(duì)C7下表面全自由度

11、約束，在C4椎體上表面分別加載均為2 N.m前屈、后伸、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)的彎矩。主要計(jì)算分析各脊柱功能單元（FSU）椎體相對(duì)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)螺旋軸（HAM）及繞軸旋轉(zhuǎn)的角度。
　　 結(jié)果：根據(jù)人工間盤置入術(shù)愈后人體頸椎CT片和運(yùn)用c語言自行編寫的數(shù)字圖像處理程序提取邊界坐標(biāo)，建立包含Bryan人工頸椎間盤假體的下頸椎三維有限元模型，使模型的幾何形狀與結(jié)構(gòu)較好地模擬了愈后Bryan假體與周圍組織的關(guān)系。另外以包含有Bryan人工假體的下頸

12、椎為整體建立了C3-C7有限元模型，更加符合臨床要求。
　　 將計(jì)算該模型的運(yùn)動(dòng)情況得出的結(jié)果與前人試驗(yàn)結(jié)果相比較，計(jì)算結(jié)果基本在試驗(yàn)結(jié)果范圍內(nèi)或者運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本一致，其中后伸狀態(tài)計(jì)算結(jié)果略偏大，這可能與術(shù)中切除C5-C6段的前縱韌帶有關(guān)。
　　 結(jié)論：人工頸椎間盤置換術(shù)有效的改善了脊柱功能單位的生物力學(xué)性能，但需謹(jǐn)慎選擇人工椎間盤的大小，并且最大限度保留終板骨性組織，以避免出現(xiàn)術(shù)后假體下沉、移位、脫出、節(jié)段后凸等不良影響

13、。
　　 第三部分椎體成形術(shù)治療老年骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折對(duì)鄰近節(jié)段生物力學(xué)的影響
　　 目的：近年來，經(jīng)皮椎體成形術(shù)（PVP）和球囊擴(kuò)張后凸成形術(shù)（KP）已成為治療老年人骨質(zhì)疏松椎體壓縮性骨折的常用微創(chuàng)手術(shù)方法。但就國內(nèi)外已有的相關(guān)報(bào)道來看，球囊擴(kuò)張后凸成形術(shù)（KP）比（PVP）有著更好的恢復(fù)椎體高度，糾正脊柱后凸畸形的效果，而且骨水泥滲透率相對(duì)更低。然而隨著KP在臨床上廣泛應(yīng)用，學(xué)者們也越發(fā)的關(guān)注術(shù)后鄰近椎體骨折的問

14、題，目前已有一些關(guān)于PVP術(shù)后類似病發(fā)證的報(bào)道，但由于PVP與KP從術(shù)式特點(diǎn)上確有不同，而且關(guān)于計(jì)算機(jī)模擬KP術(shù)后鄰近椎體的生物力學(xué)變化的研究較少。
　　 因此，建立術(shù)前、術(shù)后兩個(gè)脊柱功能單元的三維有限元模型。為了能充分反映出人體的生物學(xué)特性，區(qū)別與以往基于尸體建模的模式，采用基于患者的實(shí)體建模，加強(qiáng)對(duì)椎間盤、皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、韌帶及后部結(jié)構(gòu)的模擬，使其更接近與真實(shí)結(jié)構(gòu)[1]。觀察模型在正常范圍內(nèi)的垂直壓縮、前屈后伸、側(cè)彎情況下，

15、手術(shù)前后強(qiáng)化椎體、鄰近椎體、鄰近椎間盤和后部結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)變化，研究KP對(duì)鄰近節(jié)段的生物力學(xué)影響。
　　 方法：隨機(jī)選取一名老年骨質(zhì)疏松壓縮性骨折病人，女性，68歲，身高160cm，體重55kg，先行X線檢查，排除椎體壓縮骨折以外的其他可見的脊柱病變，采用西門子CT掃描機(jī)，自上而下行螺旋掃描，掃描范圍包括T11-L1全部骨性結(jié)構(gòu)、韌帶及椎間盤，行CT掃描機(jī)，自上而下行螺旋掃描，層厚0.6mm，層間距0mm，掃描范圍包括T11-L

16、1全部骨性結(jié)構(gòu)、韌帶和椎間盤。掃描圖片共789張，實(shí)際建模采用中間有效部位745張。將掃描數(shù)據(jù)存入可讀寫光盤。運(yùn)用自行編寫的c語言數(shù)字圖像處理程序圖像對(duì)T11-L1骨性結(jié)構(gòu)和椎間盤區(qū)域進(jìn)行邊緣檢測(cè)，提取邊界坐標(biāo)，并整理成點(diǎn)云文件。將點(diǎn)云文件輸入逆向工程軟件Geomagic，在其中模型經(jīng)歷點(diǎn)階段（Point Phase）、多邊形階段（Polygon Phase）、成形階段（Shape Phase）等三個(gè)處理階段，生成NURBS曲面。由NU

17、RBS曲面構(gòu)造的實(shí)體模型通過IGES文件導(dǎo)入到有限元分析軟件Ansys9.0中去，對(duì)椎體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤用三維十節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，上下終板和纖維環(huán)被簡化成一體，中間髓核部分被區(qū)分出來。固定L1下終板和部分小關(guān)節(jié)部位，自T11上終板豎直向下均勻加載300N，觀察T11-T12椎間盤，T12-L1椎間盤，T11下終板，L1上終板的應(yīng)力變化；然后于T11上終板加載轉(zhuǎn)矩為10N.m的應(yīng)力，觀察測(cè)試其在前屈、后伸、側(cè)屈、軸

18、向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的應(yīng)力變化。
　　 結(jié)果：在垂直荷載壓力下，T11下終板和L1上終板表面應(yīng)力與術(shù)前相比，應(yīng)力分布有所變化，但并無明顯增加，而且遠(yuǎn)低于相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究所報(bào)道[14]的終板受損變形的最低值；T11-T12椎間盤和T12-L1椎間盤所受應(yīng)力，與術(shù)前相比，雖然低于相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道所能承受的最大值，但應(yīng)力明顯增大。
　　 結(jié)論：球囊擴(kuò)張后凸成形術(shù)有效的改善了脊柱功能單位的生物力學(xué)性能，有效的恢復(fù)了術(shù)椎的高度，對(duì)鄰近椎體未產(chǎn)生較