青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸三維有限元模型的構(gòu)建及生物力學(xué)分析.pdf

1、[目的] 1.通過(guò)一例青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者的薄層CT掃描資料。建立特發(fā)性脊柱側(cè)凸有限元分析模型,并對(duì)其有效性進(jìn)行驗(yàn)證。 2.在已建立的有限元模型上進(jìn)行初步生物力學(xué)研究實(shí)驗(yàn)。 [方法] 1.對(duì)一例青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(LenkelAN)患者行薄層螺旋CT沿人體橫斷面進(jìn)行掃描,掃描范圍為第六胸椎(T6)上緣到第一腰椎(L1)下緣(側(cè)凸段),掃描層距為0.8mm,共277層,數(shù)據(jù)存盤。利用獲得的薄層斷面資料

2、進(jìn)行二維圖像的初步處理,將同一張圖片內(nèi)屬于不同椎體的部分分為不同圖片保存,提取出單個(gè)椎體圖像信息。將處理后的每一椎體的圖片導(dǎo)入Simpleware2.1軟件,建立相應(yīng)笛卡兒坐標(biāo)系生成每一椎體的三維實(shí)體模型。加入間盤結(jié)構(gòu)后,得到側(cè)凸段三維實(shí)體模型。通過(guò)逆向工程軟件Geomagic8.0對(duì)所得模型表面打磨光滑,并將其表面擬合成Cl連續(xù)的非均勻有理B樣條(NURBS)曲面。最后,將模型導(dǎo)入ABAQUS6.6軟件,參考相關(guān)文獻(xiàn)賦予各部分結(jié)構(gòu)的材

3、料屬性,劃分單元網(wǎng)格生成三維有限元模型。 2.選用國(guó)外先前類似研究結(jié)果進(jìn)行計(jì)算對(duì)比,以驗(yàn)證模型的有效性。模型L1椎體下表面固定,對(duì)T6上端先后施加150N的側(cè)彎力和前屈力,最后施加10Nm力矩的旋轉(zhuǎn)力,分別模擬脊柱的側(cè)彎、前曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并與國(guó)外實(shí)驗(yàn)對(duì)比。 3.在有限元模型上進(jìn)行椎體兩側(cè)高度的實(shí)際測(cè)量和載荷情況下應(yīng)力分布分析,在具體數(shù)值水平對(duì)側(cè)凸兩側(cè)進(jìn)行對(duì)比分析,再檢驗(yàn)其與Hueter-Volkmann原理的

4、符合程度。 [結(jié)果] 1.本脊柱側(cè)凸有限元模型包括8個(gè)椎體(T6～L1),7個(gè)椎間盤(髓核、纖維環(huán)),以及相關(guān)附屬結(jié)構(gòu),如前縱韌帶、后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶和黃韌帶。整個(gè)模型單元?jiǎng)澐植捎昧?種單元類型,6種材料性質(zhì),共劃分了232315個(gè)單元,356830個(gè)節(jié)點(diǎn),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以前所建立的脊柱模型的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)。建成后的三維有限元模型較精確模擬了脊柱側(cè)凸的結(jié)構(gòu)和材料特性,單元?jiǎng)澐志?xì),外觀逼真,幾何相似性好。 2.

5、通過(guò)測(cè)量比較在三種不同載荷情況下(側(cè)屈力,側(cè)屈力+前屈力,側(cè)屈力+前屈力+旋轉(zhuǎn)力)脊柱側(cè)凸頂椎距離冠狀面中線距離及其旋轉(zhuǎn)角度,得到與國(guó)外先前研究相似的結(jié)果,表明該有限元模型結(jié)構(gòu)合理,易于進(jìn)行有限元分析。 3.通過(guò)模擬側(cè)凸段應(yīng)力分布,測(cè)得椎體凸側(cè)各點(diǎn)應(yīng)力值在側(cè)凸頂椎處最大,總體上有向兩端呈逐漸減小的變化趨勢(shì)；在凹側(cè),應(yīng)力分布基本也呈現(xiàn)出以頂椎為中心向兩端遞減。另外,凹側(cè)應(yīng)力亦較凸側(cè)高數(shù)倍不等,在理論上對(duì)Hueter-Volkman