正常腰椎及椎骨質(zhì)疏松三維有限元模型的建立及分析.pdf

1、目的:腰椎是人體脊柱的重要組成部分,其解剖結(jié)構(gòu)復雜。在目前研究生物力學的方法中,物理實驗、動物實驗、和體外(尸體)實驗都無法達到預期效果,三維有限元(three-dimension,finite element)方法作為一種新技術(shù),有優(yōu)于其它實驗之處,可在持續(xù)性研究中重復及改變?nèi)魏味颗c質(zhì)量變化,同時提供了內(nèi)部及局部的反應機制,從而被越來越廣泛應用。本研究旨在通過CT數(shù)據(jù)來對正常腰椎主要結(jié)構(gòu)及骨質(zhì)疏松腰椎進行三維模型重建并對正常腰椎模型

2、及骨質(zhì)疏松腰椎模型進行準穩(wěn)態(tài)有限元受力分析。以此方法來揭示腰椎解剖結(jié)構(gòu)特點,分析正常腰椎及骨質(zhì)疏松腰椎的生物力學特性,為解釋腰椎損傷機制提供有限元模擬生物力學方面的理論依據(jù)。并希望其對臨床診斷、治療以及治療后評價提供一定的幫助。
　　 材料和方法:
　　 1、本模型選取一健康男性志愿者,25歲,身高175cm體重70kg,行螺旋CT掃描,掃描范圍包括全部腰椎及椎間盤,螺旋CT掃描參數(shù)為:120kv,36mA,螺旋層厚0.

3、699mm,床進速度0.707mm/s。最終得到239幅分辨率為512×512像素的二維CT掃描斷層圖像。將CT掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式存儲入可讀寫光盤。
　　 2、將DICOM文件導入MIMICS10.01軟件,對原始圖像進行蒙皮、分割、光滑等步驟生成腰椎、椎間盤及主要韌帶的三維模型。將模型導入逆向工程軟件Geomagic studio9.0,進行光滑及除噪處理,生成的實體模型經(jīng)過組裝,獲得可進行有限元分析的腰椎及椎間盤模型,

4、并經(jīng)過解剖學數(shù)據(jù)驗證。
　　 3、將Geomagic9.0里生成的實體模型IGES文件,導入到有限元分析軟件Ansys10.0中去。對每個椎體和椎間盤,用三維十節(jié)點四面體結(jié)構(gòu)實體單元SOLID92進行網(wǎng)格劃分。定義椎體及椎間盤為各項同性線彈性材料,椎體的骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)及椎間盤的彈性模量分別為12000 Mpa、100 Mpa、40 Mpa,泊松比分別為0.3、0.2、0.4。整個模型共有14071個節(jié)點,70439個單元。最終生

5、成正常腰椎主要結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。再將椎骨主要結(jié)構(gòu)及椎間盤的彈性模量均減少30％,模擬腰椎骨質(zhì)疏松模型。對正常腰椎模型進行力學加載,將模型下表面固定,限定邊界約束條件,在第一腰椎上表面垂直加載1000N的壓力,進行求解得出正常腰椎模型等效應力圖、位移圖及變形圖,隨后在同樣的約束、加載條件下對腰椎骨質(zhì)疏松模型進行求解得出腰椎骨質(zhì)疏松模型等效應力圖、位移圖、變形圖,實驗數(shù)據(jù)與文獻中報道的有限元模型數(shù)據(jù)基本吻合,證明本有限元模型有效可用。<

6、br>　　 結(jié)果:
　　 通過本課題的研究,建立了包括全部腰椎、椎間盤在內(nèi)的腰椎有限元模型。共有70439個單元104071節(jié)點,其中腰椎模型5塊,單元68110個、節(jié)點100266個;椎間盤模型4塊,單元2329個、節(jié)點3805個。得到了相應的正常腰椎模型及腰椎骨質(zhì)疏松模型模擬壓力狀態(tài)下腰椎的等效應力分布圖。對正常腰椎和骨質(zhì)疏松腰椎模型進行有限元分析顯示,正常腰椎受到1000N的壓力時,應力最大值位于第四椎間盤及第五腰椎;骨

7、質(zhì)疏松腰椎模型受力時,應力最大值也分別位于第四椎間盤及第五腰椎,但是在相同受力狀態(tài)下,腰椎骨質(zhì)疏松模型比正常腰椎模型所受到的應力更小,更容易發(fā)生骨折及骨質(zhì)變形。
　　 結(jié)論:
　　 通過本實驗,我們得到如下結(jié)論:
　　 1、基于CT斷層掃描影像通過Mimics10.01軟件重建出人體椎骨、椎間盤及主要韌帶的三維幾何模型。
　　 2、經(jīng)過逆向工程軟件Geomagic studio9.0處理,建立了包括椎體、

8、椎弓、椎間盤在內(nèi)的腰椎三維有限元模型。
　　 3、在相同壓力情況下對正常及骨質(zhì)疏松腰椎模型進行有限元應力分析,得到了正常及骨質(zhì)疏松腰椎模型應力云圖。從圖上可以看出無論是正常腰椎模型還是骨質(zhì)疏松腰椎模型,其第四椎間盤及第五腰椎應力值最大,并且骨質(zhì)疏松腰椎模型所受應力小于正常腰椎模型所受應力。結(jié)合臨床病例,腰椎損傷病人也多發(fā)生第四椎間盤及第五腰椎,這間接證實了本次試驗有限元模型的可靠性,為腰椎及椎間盤損傷病因?qū)W研究提供一定的理論依據(jù)