寰樞椎有限元建模及生物力學(xué)分析.pdf

1、目的：本課題通過三維有限元方法(the finite element method,FEM)建立寰樞椎模型，并對模型進(jìn)行加載，獲取和分析寰樞關(guān)節(jié)在前屈、后伸、左右側(cè)彎、中立位等狀態(tài)下發(fā)生的應(yīng)力、應(yīng)變情況。
　　方法：選擇一名健康志愿者（男性，26歲），行頸椎正側(cè)位及開口位的X線片，排除骨質(zhì)病變及先天性寰樞椎畸形。用Philips Brilliance16排螺旋CT，以0.5mm的層厚對志愿者的上頸部進(jìn)行掃描，獲取頸椎的立體空間圖像

2、信息，保存于CT工作站中，將數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)Dicom格式通過光盤刻錄保存。將光盤中的圖像數(shù)據(jù)通過 import images導(dǎo)入醫(yī)學(xué)交互式軟件mimics10.01，通過域值分析、2D圖像處理、calculate3D、模型分離、表面網(wǎng)格自動劃分等步驟處理，重建出理想的寰樞椎三維幾何模型。將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入 ANSYS10.0軟件中，對模型進(jìn)行材料屬性定義、生成體格式及體網(wǎng)格劃分等步驟，最終生成有限元模型。并對模型分別進(jìn)行邊界定義、壓力加載及求解

3、等，分別模擬寰樞椎在中立位、前屈位、后伸位、左右側(cè)彎位等狀態(tài)下，求解出有限元模型對給予的壓力加載所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變，并導(dǎo)出各種狀態(tài)下的應(yīng)力等效分布云圖。
　　結(jié)果：通過有限元軟件的有限元方程組對模型分別模擬寰樞椎不同狀態(tài)下進(jìn)行不同壓力加載的運算求解，得出精確的近似值并通過應(yīng)力等效分布云圖的形式來體現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變的情況。各個應(yīng)力等效分布云圖顯示的結(jié)果：1、模擬屈曲狀態(tài)下加載，寰椎模型的應(yīng)力最大點集中于前弓,次級應(yīng)力集中區(qū)域為后弓及側(cè)塊

4、；2、模擬后伸狀態(tài)下加載，寰椎模型的應(yīng)力集中于后弓，其次是前弓；3、模擬中立位下加載，寰椎模型的應(yīng)力集中于前、后弓，其次是兩側(cè)的側(cè)塊；4、模擬左右側(cè)彎狀態(tài)下，寰椎模型的應(yīng)力集中于兩側(cè)的側(cè)塊，其次是前后弓。
　　結(jié)論：1、本實驗的數(shù)據(jù)及結(jié)果與以往文獻(xiàn)的寰樞椎生物力學(xué)研究的結(jié)論基本一致。所建立的寰樞椎三維有限元模型，是一個有效的、逼真的、準(zhǔn)確的頸椎單節(jié)段功能單位力學(xué)分析的虛擬數(shù)字化模型。2、寰樞椎在遭受不同大小及不同方向的外力作用時,