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文檔簡介
1、目的:應用三維有限元模型對前后路聯合不同融合節(jié)段治療Denis B型爆裂骨折的生物力學性能進行分析。
方法:選取因DenisB型爆裂骨折行后路復位椎弓根螺釘固定+前路雙節(jié)段融合術,后路復位椎弓根螺釘固定+前路單節(jié)段融合術的志愿者各1名,經術后1年回訪,符合影像學椎間融合標準,納入研究對象。采用64排螺旋CT對已經選定的對象進行螺旋掃描及斷層圖像處理,管電壓120kV,管電流200mA,掃描層厚1mm,層間距1mm,以DIC
2、OM格式DVD刻盤保存。將圖像數據以DICOM格式導入交互式醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)Mimics軟件,進行預處理進而重建T11-L2三維模型。由于椎骨形狀不規(guī)則,椎間盤和椎體之間、上下小關節(jié)面之間的界限很難區(qū)分,本研究大量采用手工分割的方法,在Mimics三維視窗里與CT工作站重建的3D模型進行相互參照,并將初步重建的三維圖像經FEA—remesher導人Mimics自帶的剛格劃分程序Magics9.9(MIMICSremesher)劃分面網格
3、。經過Mimics中的FEA模塊對所研究的3D模型優(yōu)化并劃分面網格后,在有限元分析軟件ANSYS前處理器中利用Mesh工具將面網格模型轉化為體網格模型。建立椎間盤模型,椎間盤的上下表面由1.0mm厚的軟骨終板構成,纖維環(huán)纖維由只承受拉應力的truss單元構建,纖維在環(huán)狀體中呈剪刀狀方式走行,并與椎間盤平面成平均25°~40°的夾角。單元類型為SOLID92(10節(jié)點四面體)。導入ANSYS體網格化后再重新導人Mimics中賦予其材料屬性
4、。各部位的彈性模量及泊松比選擇文獻公認的資料。按照脊椎的結構在ANSYS組裝各個模型單元,同時補充前縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、黃韌帶、關節(jié)囊韌帶、橫突間韌帶等主要韌帶,因前路徹底減壓時,部分切除了后縱韌帶,遂各模型中均未補充后縱韌帶。以彈簧單元模擬上述韌帶結構。韌帶單元采用3D單元LINK8,韌帶單元只承受拉應力不承受壓應力。組裝上述結構并賦予其有限元模型的材料參數,按各部分在空間的相對位置組裝好后,根據實際解剖情況定義接觸面。以上下
5、終板為主面,椎間盤上下面為從面;上下小關節(jié)間的接觸定義為標準滑動接觸(standard),摩擦系數為0.2,主面選取上關節(jié)面。至此,三維有限元模型完整建立,模型1獲得單元546609個,節(jié)點877237個;模型2獲得單元480621個,節(jié)點769041個。所獲得模型用以模擬前后路聯合雙節(jié)段融合(模型1)和前后路聯合單節(jié)段融合(模型2)的2種治療方法。行前后路聯合單節(jié)段融合手術的研究對象在取出后路椎弓根螺釘后,依照上述方法建立T11-L2
6、三維有限元模型(模型3),獲得單元434404個,節(jié)點688093個。將上述3個模型分別導入到有限元分析軟件ANSYS,施加約束和載荷分別加載260N壓力和10N·m的力矩,模擬椎體前屈、后伸、左彎、右彎、左扭轉、右扭轉運動,觀察各應力作用下3個模型最大位移以及T11-T12椎間盤的受力情況。
結果:從椎體位移分布情況來看,模型3在大多數加載條件下,脊柱活動度較模型1有明顯的增加;模型2較模型1略有增加。其中260N的軸向
7、壓力以及10N·m扭矩加載時,模型2在前屈、后伸測試時沿x軸的最大位移較模型1分別高13.1%和26.0%,而模型3則分別高310.3%和263.8%;模型2在左、右側彎沿y軸的最大位移較模型1分別高3.8%和13.6%,而模型3則分別高143.7%和230%;模型2在左、右扭轉沿z軸的最大位移較模型1高2.3%和23.2%,而模型3則分別高130.6%和223.4%。從應力分布情況來看,模型2與模型3在上述6種加載條件下,T11-T1
8、2椎間盤最大VonMises應力較模型1均有不同程度的降低。其中260N的軸向壓力以及10N·m扭矩加載時,模型2在前屈、后伸測試時,椎間盤最大VonMises應力較模型1分別低58.2%和54.9%,而模型3則分別低69.0%和67.8%;模型2在左、右側彎測試時,該節(jié)段椎間盤最大VonMises應力較模型1分別低10.1%和20.8%,而模型3則分別低15.2%和29.3%;模型2在左、右扭轉測試時,最大VonMises應力較模型1
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