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正常腰椎及腰椎骨质疏松三维有限元模型的建立及分析

作　者: 李伟
导　师: 任国山；刘峰
学　校: 河北医科大学
专　业: 人体解剖与组织胚胎学
关键词: 腰椎骨质疏松三维重建有限元分析应力生物力学
分类号: R687.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

目的:腰椎是人体脊柱的重要组成部分,其解剖结构复杂。在目前研究生物力学的方法中,物理实验、动物实验、和体外(尸体)实验都无法达到预期效果,三维有限元(three-dimension,finite element)方法作为一种新技术,有优于其它实验之处,可在持续性研究中重复及改变任何定量与质量变化,同时提供了内部及局部的反应机制,从而被越来越广泛应用。本研究旨在通过CT数据来对正常腰椎主要结构及骨质疏松腰椎进行三维模型重建并对正常腰椎模型及骨质疏松腰椎模型进行准稳态有限元受力分析。以此方法来揭示腰椎解剖结构特点,分析正常腰椎及骨质疏松腰椎的生物力学特性,为解释腰椎损伤机制提供有限元模拟生物力学方面的理论依据。并希望其对临床诊断、治疗以及治疗后评价提供一定的帮助。材料和方法:1本模型选取一健康男性志愿者,25岁,身高175cm体重70kg,行螺旋CT扫描,扫描范围包括全部腰椎及椎间盘,螺旋CT扫描参数为:120kv,36mA,螺旋层厚0.699mm,床进速度0.707mm /s。最终得到239幅分辨率为512×512像素的二维CT扫描断层图像。将CT扫描数据以DICOM格式存储入可读写光盘。2将DICOM文件导入MIMICS10.01软件,对原始图像进行蒙皮、分割、光滑等步骤生成腰椎、椎间盘及主要韧带的三维模型。将模型导入逆向工程软件Geomagic studio9.0,进行光滑及除噪处理,生成的实体模型经过组装,获得可进行有限元分析的腰椎及椎间盘模型,并经过解剖学数据验证。3将Geomagic9.0里生成的实体模型IGES文件,导入到有限元分析软件Ansys10.0中去。对每个椎体和椎间盘,用三维十节点四面体结构实体单元SOLID92进行网格划分。定义椎体及椎间盘为各项同性线弹性材料,椎体的骨皮质、骨松质及椎间盘的弹性模量分别为12000 Mpa、100 Mpa、40 Mpa,泊松比分别为0.3、0.2、0.4。整个模型共有14071个节点,70439个单元。最终生成正常腰椎主要结构的三维有限元模型。再将椎骨主要结构及椎间盘的弹性模量均减少30%,模拟腰椎骨质疏松模型。对正常腰椎模型进行力学加载,将模型下表面固定,限定边界约束条件,在第一腰椎上表面垂直加载1000N的压力,进行求解得出正常腰椎模型等效应力图、位移图及变形图,随后在同样的约束、加载条件下对腰椎骨质疏松模型进行求解得出腰椎骨质疏松模型等效应力图、位移图、变形图,实验数据与文献中报道的有限元模型数据基本吻合,证明本有限元模型有效可用。结果:通过本课题的研究,建立了包括全部腰椎、椎间盘在内的腰椎有限元模型。共有70439个单元104071节点,其中腰椎模型5块,单元68110个、节点100266个;椎间盘模型4块,单元2329个、节点3805个。得到了相应的正常腰椎模型及腰椎骨质疏松模型模拟压力状态下腰椎的等效应力分布图。对正常腰椎和骨质疏松腰椎模型进行有限元分析显示,正常腰椎受到1000N的压力时,应力最大值位于第四椎间盘及第五腰椎;骨质疏松腰椎模型受力时,应力最大值也分别位于第四椎间盘及第五腰椎,但是在相同受力状态下,腰椎骨质疏松模型比正常腰椎模型所受到的应力更小,更容易发生骨折及骨质变形。结论:通过本实验,我们得到如下结论:1基于CT断层扫描影像通过Mimics10.01软件重建出人体椎骨、椎间盘及主要韧带的三维几何模型。2经过逆向工程软件Geomagic studio9.0处理,建立了包括椎体、椎弓、椎间盘在内的腰椎三维有限元模型。3在相同压力情况下对正常及骨质疏松腰椎模型进行有限元应力分析,得到了正常及骨质疏松腰椎模型应力云图。从图上可以看出无论是正常腰椎模型还是骨质疏松腰椎模型,其第四椎间盘及第五腰椎应力值最大,并且骨质疏松腰椎模型所受应力小于正常腰椎模型所受应力。结合临床病例,腰椎损伤病人也多发生第四椎间盘及第五腰椎,这间接证实了本次试验有限元模型的可靠性,为腰椎及椎间盘损伤病因学研究提供一定的理论依据。

全文目录

摘要  4-6
英文摘要  6-10
前言  10-11
材料与方法  11-16
结果  16-18
附图  18-33
附表  33-35
讨论  35-40
结论  40
参考文献  40-44
综述三维有限元方法在腰椎生物力学中的研究进展与应用  44-55
   参考文献  52-55
致谢  55-56
个人简历  56

正常腰椎及腰椎骨质疏松三维有限元模型的建立及分析

内容摘要

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