髓核部分及全部摘除對腰椎間盤生物力學影響的流固耦合有限元分析.pdf

1、目的:
　　 (1)建立正常人L4～5運動節(jié)段三維流固耦合有限元模型,并對模型的有效性進行驗證；(2)在正常模型的基礎上建立髓核部分摘除及全部摘除的流固耦合有限元模型,研究髓核部分摘除以及全部摘除對所干預的腰椎間盤生物力學的影響。
　　 方法:
　　 對1名健康男性志愿者進行L4～5運動節(jié)段的螺旋CT掃描成像,利用醫(yī)學圖像處理軟件Mimics10.01對其進行預處理,再利用逆向工程軟件Geomagic9.0對模型

2、進行NURBS曲面重構(gòu),一然后導入有限元軟件ANSYS12.1重建椎體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、纖維環(huán)和髓核等結(jié)構(gòu),最后通過劃分網(wǎng)格、定義材料屬性、定義接觸、加載求解等操作建立了腰椎運動節(jié)段流固耦合三維有限元模型,將椎間盤24小時內(nèi)高度變化的數(shù)據(jù)與文獻數(shù)據(jù)進行比較,以驗證模型的有效性。在完整模型的基礎上模擬后路L4／5椎間盤髓核部分摘除以及髓核全部摘除的運動節(jié)段有限元模型,對完整模型、髓核部分摘除及髓核全部摘除這三個運動節(jié)段模型施加相同的載荷,觀

3、察椎間盤高度丟失、纖維環(huán)平均有效應力及平均孔隙壓力隨時間的變化。
　　 結(jié)果:
　　 (1)建立了L4～5運動節(jié)段的流固耦合有限元模型,模型的總節(jié)點數(shù)210718個,總單元數(shù)85973個。將本模型所測得的椎間盤高度丟失隨時間變化數(shù)據(jù)與文獻數(shù)據(jù)進行比較,結(jié)果基本一致。(2)在三個模型的L4椎體上終板施加同樣的軸向壓縮載荷850N,持續(xù)施加1小時,與髓核完整模型及髓核部分摘除模型相比,髓核全部摘除后椎間盤的高度下降值明顯增大

4、；1小時內(nèi)髓核全部摘除后椎間盤高度下降是髓核部分摘除下降的最大值1.13倍；1小時內(nèi)髓核全部摘除椎間盤的軸向位移的下降幅度(0.11mm)小于椎間盤部分摘除下降幅度(0.44mm)及完整椎間盤下降幅度(0.64mm)。(3)與髓核部分摘除及完整椎間盤相比,在加載初,髓核全部摘除后纖維環(huán)的平均軸向有效應力明顯高于髓核部分摘除及完整椎間盤；隨時間的變化,纖維環(huán)的平均軸向有效應力均增高,1小時內(nèi),髓核全部摘除后纖維環(huán)平均軸向有效應力增高幅度低

5、于髓核部分摘除及完整椎間盤。(4)在加載初,髓核全部摘除模型纖維環(huán)的平均軸向孔隙壓力明顯高于髓核部分摘除及完整椎間盤模型；隨時間的變化纖維環(huán)的平均孔隙壓力均降低,1小時內(nèi),髓核全部摘除后纖維環(huán)平均軸向孔隙壓力降低幅度低于髓核部分摘除及完整椎間盤,最終,髓核全部摘除模型纖維環(huán)的平均軸向孔隙壓力仍明顯高于髓核部分摘除及完整椎間盤模型。(5)三個模型均顯示,在加載初,纖維環(huán)的平均軸向孔隙壓力均高于平均軸向有效應力,隨時間的變化,平均軸向孔隙壓

6、力均逐漸降低而平均軸向有效應力均逐漸增高,髓核全部摘除術后的平均軸向有效應力和平均軸向孔隙壓力的變化幅度較小。
　　 結(jié)論:
　　 (1)腰椎流固耦合有限元模型更加符合人體的生物力學特點,因而具有廣闊的應用前景。(2)與完整椎間盤及髓核部分摘除模型相比,腰椎間盤髓核完全摘除后椎間盤高度明顯下降,因此,髓核全部摘除后更容易造成椎間隙狹窄。(3)與完整椎間盤及髓核部分摘除模型相比,髓核全部摘除后纖維環(huán)的平均有效應力明顯增高,