脊柱腰段椎間盤有限元力學(xué)分析及損傷模擬.pdf

1、目的:脊柱腰段解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)重較大且運(yùn)動(dòng)靈活，是臨床病變的好發(fā)部位。其中腰椎間盤承擔(dān)椎體間力的傳導(dǎo)，并完成脊柱各向彎曲及扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，易發(fā)生退變及損傷。分析脊柱腰段椎間盤的生物力學(xué)特性是推斷損傷及指導(dǎo)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(duì)正常脊柱腰段主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性設(shè)定使其成為有限元模型并進(jìn)行受力分析。參考腰椎間盤突出病例進(jìn)行脊柱腰段椎間盤損傷的計(jì)算模擬。以數(shù)字技術(shù)來(lái)揭示腰椎間

2、盤解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析正常及退變時(shí)腰椎間盤的生物力學(xué)特性，探討易損傷部位，對(duì)腰椎間盤突出的發(fā)生機(jī)制、預(yù)防、治療以及康復(fù)提供理論指導(dǎo)。
　　 方法:選取一健康成年男性志愿者進(jìn)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(chǔ)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(zhǎng)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(dǎo)入Geomagic12.0軟件中對(duì)位組裝，利用橋接工具形成椎間盤模型，通過(guò)偏移功能構(gòu)建終板模型和韌帶模型，最后進(jìn)行布爾運(yùn)算生成纖維環(huán)模型。將所有模型導(dǎo)回Mimics14.0中組裝并自動(dòng)劃分面網(wǎng)格和體網(wǎng)格。將模型導(dǎo)入Ansys13.0中設(shè)定材料屬性，重劃網(wǎng)格，設(shè)置接觸關(guān)系，對(duì)第五腰椎椎體和下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面進(jìn)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(duì)模型的L4～L5節(jié)段分級(jí)加力驗(yàn)證模型有效性。通過(guò)改變材料屬性建立退變模型模擬腰椎間盤突出。對(duì)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(fù)重載荷、前屈運(yùn)動(dòng)、后伸運(yùn)動(dòng)、側(cè)彎運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)五種狀態(tài)，分析其形變及力學(xué)特征。依據(jù)L4～L5退變椎間盤受力特點(diǎn)，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(gè)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(biāo)本相比具有較高相似性且可以進(jìn)行有限元力學(xué)分析。通過(guò)改變模型材料屬性成功建立退變椎間盤模型。
　　 對(duì)模型分級(jí)加力對(duì)比分析，驗(yàn)證了模型的有效性。對(duì)正常和退變模型加力模擬了脊柱腰段的負(fù)重載荷、前屈運(yùn)動(dòng)、后伸運(yùn)動(dòng)、側(cè)彎運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)五種狀態(tài)。通過(guò)測(cè)量纖維環(huán)后緣中央和兩外側(cè)區(qū)等效應(yīng)力大小，得到了在不同狀態(tài)下纖維

6、環(huán)后緣應(yīng)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(yīng)力分布特點(diǎn):
　　 正常及退變椎間盤在軸向負(fù)重300N時(shí)，退變髓核整體形變減小但形變區(qū)域后移;等效應(yīng)力值變化不大，但應(yīng)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(yīng)力值變小，但應(yīng)力向邊緣聚集。
　　 前屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，最大應(yīng)力及形變均位于前緣，但退變髓核最大形變區(qū)域和應(yīng)力均出現(xiàn)后移。后伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，退變纖維環(huán)的應(yīng)力水平比正常時(shí)升高，應(yīng)力集中于后緣。側(cè)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)，退

7、變纖維環(huán)和髓核應(yīng)力均向彎曲一側(cè)的后外部集中。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，退變髓核應(yīng)力增大且向邊緣移動(dòng)，應(yīng)力集中于后外側(cè);纖維環(huán)應(yīng)力增大，后移集中于側(cè)后緣。最后輸出云圖及動(dòng)畫結(jié)果。
　　 結(jié)論:
　　 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，我們得到如下結(jié)論:
　　 1、基于CT、MRI圖像DICOM數(shù)據(jù)通過(guò)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)