髓核部分及全部摘除對腰椎間盤生物力學(xué)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(yùn)動節(jié)段三維流固耦合有限元模型,并對模型的有效性進(jìn)行驗證；(2)在正常模型的基礎(chǔ)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(yù)的腰椎間盤生物力學(xué)的影響。
　　 方法:
　　 對1名健康男性志愿者進(jìn)行L4～5運(yùn)動節(jié)段的螺旋CT掃描成像,利用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics10.01對其進(jìn)行預(yù)處理,再利用逆向工程軟件Geomagic9.0對模型

2、進(jìn)行NURBS曲面重構(gòu),一然后導(dǎo)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(yùn)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(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,以驗證模型的有效性。在完整模型的基礎(chǔ)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(yùn)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(yùn)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(yīng)力及平均孔隙壓力隨時間的變化。
　　 結(jié)果:
　　 (1)建立了L4～5運(yùn)動節(jié)段的流固耦合有限元模型,模型的總節(jié)點(diǎn)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(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力均逐漸增高,髓核全部摘除術(shù)后的平均軸向有效應(yīng)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(xué)特點(diǎn),因而具有廣闊的應(yīng)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(yīng)力明顯增高,