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畸形及手术条件下枕寰枢复合体生物力学特性研究

作　者: 杨生
导　师: 孟春玲
学　校: 北京工商大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 生物力学 有限元 枕寰枢复合体 寰枕融合 齿突切除术 后路内固定术
分类号: R687.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


临床医学研究表明,国人枕寰枢复合体区域的相关病变多发生在先天骨性畸形的基础上,其中最常见的是寰枕融合以及因其导致的寰枢椎脱位,其治疗一般要经历两次手术:齿突切除术和后路内固定术。但先天畸形和手术操作引起的生物力学改变及变化过程尚不清楚,目前主要通过临床观察,缺乏基础研究,而能否了解上述改变将直接影响临床诊断的准确性和治疗方案的选择。通过对枕寰枢复合体生理功能、解剖结构及运动特性的研究,提出了模型简化方案;采集CT断层图片,应用Mimics医学影像处理软件完成枕寰枢复合体的三维重建并获取点云数据,辅助以逆向工程完成骨性结构的曲面重构,建立具有精细解剖结构的枕寰枢复合体几何模型;采用TrueGrid软件建立包括关节软骨在内的全六面体有限元网格模型,通过生物材料属性及接触力学的研究,建立三维有限元分析模型;结合尸体试验数据,分别在0.3Nm和1.5Nm外载荷下进行了前屈、后伸、侧屈和轴向旋转四种生理运动的非线性有限元接触分析及有效性验证。以通过验证的有限元模型为基础,建立寰枕融合及齿突切除术、后路内固定术的有限元模型并进行对比分析,得到枕寰枢复合体在四种生理运动情况下的生物力学特性数据。模型有效性验证结果为:除寰枕关节轴向旋转运动角度偏大0.5°外,其他数据均在尸体试验数据的角度范围内;模型运动非线性和韧带变形均与实际生理情况相符。分析结果表明:单纯的寰枕融合不会直接导致寰枢椎脱位或半脱位,但可以改变该区域的生物力学特性,使韧带及关节软骨的损伤几率增加,模型稳定性降低;齿突切除术的实施使得运动角度增大,稳定性降低;后路内固定术在牺牲该区域运动特性的条件下能够恢复该区域的稳定性。通过枕寰枢复合体有限元模型的建立研究,探索了一条建立枕寰枢复合体有限元模型的有效途径;通过非线性有限元接触分析,研究寰枕融合及手术对生物力学特性的影响,更加深入了解此区域先天畸形及手术治疗手段的有效性,研究结果具有较高的实用性和临床参考价值。

全文目录


摘要  2-3
ABSTRACT  3-8
第一章 绪论  8-12
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 国内外枕寰枢复合体生物力学的有限元研究概况  9-10
  1.3 研究目的和意义  10
  1.4 研究内容  10-11
  1.5 拟解决的关键问题  11-12
第二章 枕寰枢复合体有限元模型的建立研究  12-35
  2.1 枕寰枢复合体的解剖结构及简化研究  12-17
    2.1.1 生理结构  12
    2.1.2 解剖结构及简化研究  12-15
    2.1.3 枕寰枢复合体运动特性  15-17
  2.2 枕寰枢复合体几何模型的建立研究  17-23
    2.2.1 几何建模方法研究  17-18
    2.2.2 建模数据来源  18-19
    2.2.3 点云数据提取  19-20
    2.2.4 骨性结构几何模型重构  20-22
    2.2.5 几何模型质量评估  22-23
  2.3 枕寰枢复合体有限元模型的建立研究  23-32
    2.3.1 骨性结构网格划分  24-27
    2.3.2 骨性结构有限元网格模型装配  27-28
    2.3.3 软骨结构网格划分  28-30
    2.3.4 韧带模型建立  30-32
  2.4 材料参数研究  32-34
    2.4.1 骨性结构材料参数研究  32
    2.4.2 软组织材料参数研究  32-34
  2.5 总结  34-35
第三章 非线性有限元接触分析  35-49
  3.1 法向接触属性研究  35-39
    3.1.1 法向接触理论研究  36-38
    3.1.2 法向接触属性的有限元实现  38-39
    3.1.3 法向接触的有限元设置  39
  3.2 切向接触属性研究  39-42
    3.2.1 粘结条件  39
    3.2.2 滑动条件  39-41
    3.2.3 切向接触属性的有限元实现  41-42
    3.2.4 切向接触属性的有限元设置  42
  3.3 接触的有限元分析  42-49
    3.3.1 接触面的建立  43
    3.3.2 接触面的主、从面设置  43
    3.3.3 接触状态跟踪方法  43-44
    3.3.4 接触离散方法  44-46
    3.3.5 接触对属性的有限元设置  46-47
    3.3.6 接触的有限元分析  47-49
第四章 枕寰枢复合体有限元模型的有效性验证  49-59
  4.1 体外尸体试验介绍  49-50
    4.1.1 尸体标本制备与设备  49-50
    4.1.2 试验过程  50
  4.2 有限元分析的载荷及位移边界条件  50-51
  4.3 结果的对比分析  51-58
    4.3.1 模型运动角度的计算  52-54
    4.3.2 结果及分析  54-58
  4.4 结论  58-59
第五章 枕寰枢复合体寰枕融合畸形的生物力学分析  59-66
  5.1 寰枕融合畸形简介  59
  5.2 寰枕融合生物力学特性分析  59-65
    5.2.1 寰枕融合的有限元模型  59
    5.2.2 结果对比及分析  59-65
  5.3 结论  65-66
第六章 寰枕融合手术条件下的生物力学分析  66-71
  6.1 寰枕融合手术条件下的生物力学分析  66-70
    6.1.1 有限元模型的建立  66-67
    6.1.2 结果分析  67-70
  6.2 总结  70-71
第七章 总结与展望  71-73
  7.1 枕寰枢复合体生物力学有限元法研究总结  71-72
  7.2 展望  72-73
参考文献  73-77
发表论文及科研成果清单  77-78
致谢  78

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中图分类: > 医药、卫生 > 外科学 > 骨科学（运动系疾病、矫形外科学） > 矫形外科手术学 > 骨骼手术
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