頸椎三維有限元模型建立及寰椎骨折的有限元分析.pdf

1、目的：
　　利用三維有限元技術(shù)(Three-dimensional Finite Element Method,Three-D FEM)通過生物力學(xué)建模軟件建立正常人體全頸椎的三維有限元模型，用有限元分析軟件進(jìn)行生物力學(xué)分析，結(jié)果與體外實驗測得數(shù)據(jù)相比較，驗證該模型的有效性；模型驗證有效后，在正常頸椎模型的基礎(chǔ)上建立四種寰椎骨折模型，進(jìn)行生物力學(xué)分析,結(jié)果與正常頸椎模型相比較，評估骨折模型穩(wěn)定性。
　　材料與方法：
　

2、　選取一名健康成年男性志愿者,實驗前進(jìn)行詳細(xì)的病史詢問、體格檢查、影像學(xué)檢查，排除頸椎外傷、頸椎病、頸椎畸形、頸椎腫瘤、頸椎結(jié)核等頸椎急慢性疾病。利用日本東芝公司的Aquilion ONE640層CT機(jī)進(jìn)行頸椎CT掃描，將CT圖像文件導(dǎo)入生物力學(xué)建模軟件(E-feature Biomedical Modeler)中進(jìn)行模型重建，建立人體正常頸椎三維有限元模型。通過E-feature Biomedical Modeler系統(tǒng)中的ANASY

3、S轉(zhuǎn)換接口將三維有限元模型導(dǎo)入ANASYS15.0有限元分析軟件。模擬頸椎正常的生理活動。根據(jù)生物力學(xué)分析結(jié)果計算在不同加載條件下上頸椎活動節(jié)段的活動度，將實驗結(jié)果與體外實驗測得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。模型驗證有效后，在正常頸椎模型的基礎(chǔ)上建立四種寰椎骨折模型（1、寰椎前弓骨折；2、寰椎后弓骨折；3、寰椎側(cè)塊骨折；4、寰椎爆裂性骨折伴橫韌帶斷裂）。對骨折模型施加相同的邊界條件和加載方式，進(jìn)行生物力學(xué)分析，計算活動度，分析應(yīng)力分布，評估骨折模型

4、穩(wěn)定性。
　　結(jié)果：
　　本實驗成功建立了正常人全頸椎三維非線性有限元模型，該模型一共包括343258個單元，476317個節(jié)點(diǎn)。正常頸椎模型各種運(yùn)動情況下各活動節(jié)段的活動度與文獻(xiàn)報道相符合，應(yīng)力分布圖分析結(jié)果與Brolin實驗結(jié)果基本一致。正常頸椎模型前屈時寰椎最大應(yīng)力處位于側(cè)塊靠近前弓部位，其次為后弓與側(cè)塊連接處；后伸時寰椎最大應(yīng)力處位于側(cè)塊靠近前后弓部位，其次為后弓與側(cè)塊連接處；側(cè)彎時寰椎最大應(yīng)力處位于同側(cè)側(cè)塊以及橫韌

5、帶附著處，其次為同側(cè)前后弓與側(cè)塊連接處；旋轉(zhuǎn)時寰椎最大應(yīng)力處位于同側(cè)側(cè)塊靠近后弓處，其次為后弓與側(cè)塊連接處以及前弓。前弓骨折、后弓骨折、側(cè)塊骨折模型在各種運(yùn)動情況下活動度均在正常范圍內(nèi)，爆裂骨折模型在前屈和側(cè)彎情況下活動度比正常模型增大5.8％-7.0%，旋轉(zhuǎn)情況下減小12.6%-13.0%。前弓骨折模型在前屈、后伸情況下寰椎最大位移分別減少0.07%、0.44%，側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)情況下分別增加1.67%、0.66%；前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)情

6、況下寰椎旋轉(zhuǎn)矢量和分別增加2.07%、0.36%、4.72%、1.35%；寰椎最大等效應(yīng)力分別增加40.73%、26.05%、105.17%、27.71%。后弓骨折模型在前屈、后伸、側(cè)彎情況下寰椎最大位移分別增加0.06%、0.02%、0.15%，旋轉(zhuǎn)情況下減小1.22%；前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)情況下寰椎旋轉(zhuǎn)矢量和分別增加2.21%、0.67%、0.67%、1.14%；寰椎最大等效應(yīng)力分別增加68.97%、27.00%、39.16%、7

7、0.31%。側(cè)塊骨折模型在前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)情況下寰椎最大位移分別增加0.17%、0.04%、0.09%、0.10%；前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)情況下寰椎旋轉(zhuǎn)矢量和分別增加0.58%、0.36%、0.56%、0.87%；寰椎最大等效應(yīng)力分別增加22.38%、-10.15%、0.10%、-0.78%。爆裂骨折模型在前屈、側(cè)彎情況下寰椎最大位移分別增加5.67%、6.66%，旋轉(zhuǎn)情況下減小13.03%；前屈、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)情況下寰椎旋轉(zhuǎn)矢量和分