正常男性腰椎三維有限元模型的建立并證明其在所給力矩載荷下的有效性.pdf

1、目的:尋求創(chuàng)建正常人體的全腰椎L1-L5的3-D FE模型的方法，并證明及探討其在所給的載荷下的有效性。
　　方法:篩選一名健康的無(wú)腰腹部外傷史、無(wú)脊柱畸形、無(wú)脊柱疼痛史、無(wú)退行性病變的自愿者，行CT進(jìn)行斷層掃描，收取所采集的DICOM格式圖片并給予保存。根據(jù)所需圖像的要求，選取303張圖片。設(shè)定目標(biāo)圖像的界定值和閾值，盡可能的使CT圖片上的每個(gè)斷層保持基本的上下一致，盡可能的減少選定圖片的相對(duì)移位和偏轉(zhuǎn)。在MIMICS軟件之中根

2、據(jù)選好的CT圖片中不同的組織灰度值，通過(guò)設(shè)定的圖像界定值和閾值，來(lái)得到所需要的組織，逐層并且分割處理已經(jīng)選取好的CT圖像，消除周圍的軟組織及偽影。這次的研究將每個(gè)椎體都看成獨(dú)立的圖像進(jìn)行區(qū)分，運(yùn)用圖像分割的技術(shù)得到所需要的模型，這期間付出了大量的手工操作。將所取得的數(shù)據(jù)輸入MIMICS軟件中生成三維圖像，將三維圖像導(dǎo)入GeoMagic Studio12軟件中，進(jìn)行簡(jiǎn)化、填充孔、去除特征、松弛及修復(fù)相交區(qū)域等一系列處理后，形成5個(gè)三維實(shí)體

3、模型的椎體。把5個(gè)腰椎三維實(shí)體模型輸入Solidworks2012 FE分析軟件，將5個(gè)椎體的相對(duì)位置進(jìn)行還原并組織各個(gè)椎體，建造椎間盤、髓核、纖維環(huán)基質(zhì)和小關(guān)節(jié)等模型。將獲取的全腰椎3-D FE模型輸入Hypermesh中完成網(wǎng)格化區(qū)分，于Abuqas6.12軟件中賦予材質(zhì)模仿腰椎正?；顒?dòng)，將L5椎體下的終板進(jìn)行約束，在L1椎體的上終板給予2kg·m-2·s-2、4kg·m-2·s-2、6kg·m-2·s-2、8kg·m-2·s-2、

4、10 kg·m-2·s-2載荷分別使腰椎前屈、后伸、左側(cè)彎、左旋、右側(cè)彎、右旋，分別計(jì)算平均剛度值(kg·m-2·s-2/°)，將算取的剛度值和公認(rèn)文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行比較，來(lái)驗(yàn)證創(chuàng)建的3-D FE模型的有效性。
　　結(jié)果:(1)創(chuàng)建了正常的人體全腰椎L1-L5的3-D FE模型，共計(jì)55945個(gè)結(jié)點(diǎn)，297610個(gè)單元數(shù)，2mm大小網(wǎng)格。(2)所創(chuàng)建的全腰椎L1-L5的3-D FE模型具有高度逼真性，更加接近真實(shí)性，更為可靠。(3)本次

5、實(shí)驗(yàn)所創(chuàng)建的全腰椎3-D FE模型給予2kg·m-2·s-2、4kg·m-2·s-2、6kg·m-2·s-2、8kg·m-2·s-2、10 kg·m-2·s-2載荷分別使腰椎前屈、后伸、左側(cè)彎、左旋、右側(cè)彎、右旋，計(jì)算平均剛度值(kg·m-2·s-2/°)分別為0.272、0.472、0.414、1.076、0.431、1.374。結(jié)果處于其他學(xué)者所研究的平均剛度值范圍之間。
　　結(jié)論:本次實(shí)驗(yàn)所創(chuàng)建的全腰椎L1-L5的3-D F