應(yīng)用三維有限元模型研究下頸椎在前屈后伸情況下的應(yīng)力變化.pdf

1、目的：頸椎病是脊柱外科常見(jiàn)疾病之一，其發(fā)病因素與脊柱生物力學(xué)密切相關(guān)。在目前研究生物力學(xué)的方法中，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、物理實(shí)驗(yàn)和體外(尸體)實(shí)驗(yàn)都無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，三維有限元(three-dimension,finite element)方法作為一種新興學(xué)科，有優(yōu)于其它實(shí)驗(yàn)之處，可在持續(xù)性研究中重復(fù)及改變?nèi)魏钨|(zhì)量與定量變化，同時(shí)提供了局部及內(nèi)部的反應(yīng)機(jī)制，從而被越來(lái)越廣泛應(yīng)用。頸椎是一個(gè)功能性整體，各部分相差懸殊，應(yīng)力傳導(dǎo)復(fù)雜，如果采用脊柱功能單

2、位(FSU)難以反應(yīng)整體情況，因此本課題通過(guò)應(yīng)用有限元方法建立下頸椎(C3-C7)的三維模型，研究頸椎在前屈后伸兩種情況下的應(yīng)力變化，從生物力學(xué)角度闡明頸椎病發(fā)病機(jī)制，為臨床疾病的預(yù)防提供參考。此外，本模型的建立也可以應(yīng)用于臨床內(nèi)固定器械的設(shè)計(jì)和術(shù)式的分析，為以后將有限元方法推廣到臨床疾病的治療奠定了基礎(chǔ)。 方法：選取一健康女性志愿者，25歲，體重65kg，身高170cm，行CT掃描，層厚1mm，層間距0mm，掃描范圍包括C3．

3、C7全部骨性結(jié)構(gòu)及椎間盤(pán)。掃描圖片共90張，實(shí)際建模采用中間有效部位75張。將掃描數(shù)據(jù)存入可讀寫(xiě)光盤(pán)。在處理原始圖片前，將骨組織區(qū)域和椎間盤(pán)區(qū)域在圖像處理軟件Photoshop中進(jìn)行分割并分別保存為JPG格式。運(yùn)用C語(yǔ)言自行編寫(xiě)的數(shù)字圖像處理程序?qū)Ψ指詈蟮膱D像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，提取邊界坐標(biāo)，將每塊骨頭的外輪廓三維坐標(biāo)分別存儲(chǔ)為單獨(dú)的點(diǎn)云文件。將采集的點(diǎn)云文件輸入逆向工程軟件Geomagic，生成的實(shí)體模型經(jīng)過(guò)組裝，以IGES格式存儲(chǔ)。從Ge

4、omagic里生成的實(shí)體模型IGES文件，導(dǎo)入到有限元分析軟件Ansys9.0中去。對(duì)每個(gè)椎體和椎間盤(pán)，用三維十節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元SOLID92進(jìn)行網(wǎng)格劃分；對(duì)韌帶，本模型采用了三維僅受拉桿單元LINK10。整個(gè)模型共有110577個(gè)節(jié)點(diǎn)，69616個(gè)單元。將模型底面固定，在C3上面垂直加載頭顱重量，再對(duì)模型進(jìn)行加載2 N.m的力矩使模型前屈后伸，不至于使頸椎產(chǎn)生任何損傷，得到相應(yīng)的等效應(yīng)力分布圖。 結(jié)果：由等效應(yīng)力分布圖可

5、以看出，總體上，下頸椎小關(guān)節(jié)應(yīng)力由上至下逐漸增大，主要集中于C4-5，C5-6之間。前屈時(shí)以C5-6，C6-7應(yīng)力較大，后伸時(shí)以C4-5，C5-6應(yīng)力較大。小關(guān)節(jié)前屈時(shí)Z軸上受拉應(yīng)力，后伸時(shí)Z軸上受壓應(yīng)力。說(shuō)明小關(guān)節(jié)在后伸時(shí)起承受和傳導(dǎo)載荷的作用。鉤椎關(guān)節(jié)的變化在此圖上不明顯。 結(jié)論：小關(guān)節(jié)在前屈、后伸兩種工況下的受力，總體上集中于頸椎中下段，而且主要集中于C4-5，C5-6之間。這一結(jié)論從生物力學(xué)角度闡述了小關(guān)節(jié)退變多見(jiàn)于中下