脊柱腰段椎間盤有限元力學分析及損傷模擬.pdf

1、目的:脊柱腰段解剖結(jié)構(gòu)復雜，負重較大且運動靈活，是臨床病變的好發(fā)部位。其中腰椎間盤承擔椎體間力的傳導，并完成脊柱各向彎曲及扭轉(zhuǎn)運動，易發(fā)生退變及損傷。分析脊柱腰段椎間盤的生物力學特性是推斷損傷及指導治療的重要途徑。本研究旨在利用CT及MRI圖像DICOM數(shù)據(jù)對正常脊柱腰段主要結(jié)構(gòu)進行三維重建，然后對模型進行網(wǎng)格劃分和材料屬性設定使其成為有限元模型并進行受力分析。參考腰椎間盤突出病例進行脊柱腰段椎間盤損傷的計算模擬。以數(shù)字技術(shù)來揭示腰椎間

2、盤解剖結(jié)構(gòu)特點，分析正常及退變時腰椎間盤的生物力學特性，探討易損傷部位，對腰椎間盤突出的發(fā)生機制、預防、治療以及康復提供理論指導。
　　 方法:選取一健康成年男性志愿者進行數(shù)據(jù)采集，于相同體位分別行螺旋CT掃描和MRI掃描，掃描范圍包括全部腰椎、椎間盤及骶骨上部結(jié)構(gòu)，將CT和MRI掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式分別存儲入可讀寫光盤。在Mimics14.0軟件內(nèi)使用閾值調(diào)整工具、區(qū)域增長工具、選擇性編輯工具和Remesh功能，依據(jù)CT數(shù)

3、據(jù)重建L1～L5椎骨及骶骨上部的三維模型，依據(jù)MRI數(shù)據(jù)重建L1～L5椎間盤髓核的三維模型。將所建模型導入Geomagic12.0軟件中對位組裝，利用橋接工具形成椎間盤模型，通過偏移功能構(gòu)建終板模型和韌帶模型，最后進行布爾運算生成纖維環(huán)模型。將所有模型導回Mimics14.0中組裝并自動劃分面網(wǎng)格和體網(wǎng)格。將模型導入Ansys13.0中設定材料屬性，重劃網(wǎng)格，設置接觸關系，對第五腰椎椎體和下關節(jié)突關節(jié)面進行約束。脊柱腰段三維有限元正常模

4、型構(gòu)建完成后，在Ansys13.0中對模型的L4～L5節(jié)段分級加力驗證模型有效性。通過改變材料屬性建立退變模型模擬腰椎間盤突出。對正常及退變模型的L4椎骨分別施加軸向力及力偶模擬脊柱腰段的負重載荷、前屈運動、后伸運動、側(cè)彎運動、旋轉(zhuǎn)運動五種狀態(tài)，分析其形變及力學特征。依據(jù)L4～L5退變椎間盤受力特點，確定纖維環(huán)易損傷部位。
　　 結(jié)果:利用Mimics14.0和Geomagic12.0軟件，基于CT及MRI掃描圖像DICOM數(shù)據(jù)

5、，建立了脊柱腰段的三維模型及有限元模型，包含L1～L5的椎骨、五個椎間盤、骶骨上端、前縱韌帶、后縱韌帶等重要結(jié)構(gòu)。該模型與脊柱標本相比具有較高相似性且可以進行有限元力學分析。通過改變模型材料屬性成功建立退變椎間盤模型。
　　 對模型分級加力對比分析，驗證了模型的有效性。對正常和退變模型加力模擬了脊柱腰段的負重載荷、前屈運動、后伸運動、側(cè)彎運動、旋轉(zhuǎn)運動五種狀態(tài)。通過測量纖維環(huán)后緣中央和兩外側(cè)區(qū)等效應力大小，得到了在不同狀態(tài)下纖維

6、環(huán)后緣應力分布數(shù)據(jù)。求解得到了椎間盤在不同狀態(tài)下的形變及應力分布特點:
　　 正常及退變椎間盤在軸向負重300N時，退變髓核整體形變減小但形變區(qū)域后移;等效應力值變化不大，但應力向邊緣聚集。退變纖維環(huán)整體形變減小但形變區(qū)域后移;等效應力值變小，但應力向邊緣聚集。
　　 前屈運動時，最大應力及形變均位于前緣，但退變髓核最大形變區(qū)域和應力均出現(xiàn)后移。后伸運動時，退變纖維環(huán)的應力水平比正常時升高，應力集中于后緣。側(cè)彎運動時，退

7、變纖維環(huán)和髓核應力均向彎曲一側(cè)的后外部集中。旋轉(zhuǎn)運動時，退變髓核應力增大且向邊緣移動，應力集中于后外側(cè);纖維環(huán)應力增大，后移集中于側(cè)后緣。最后輸出云圖及動畫結(jié)果。
　　 結(jié)論:
　　 通過本實驗，我們得到如下結(jié)論:
　　 1、基于CT、MRI圖像DICOM數(shù)據(jù)通過Mimics14.0、Geomagic12.0和Ansys13.0軟件可以重建出人體脊柱腰段的椎骨、椎間盤等結(jié)構(gòu)的三維模型和有限元模型。三維模型解剖結(jié)構(gòu)