正常及退變下腰椎在不同工況下三維有限元力學分析.pdf

1、目的:下腰椎為人體承受重力的主要結(jié)構(gòu);下腰椎退行性變是引起成人腰痛的首要原因。本研究基于CT及MRI數(shù)據(jù)建立了正常及退變下腰椎有限元模型，對正常及退變下腰椎模型在不同工況下進行有限元力學分析;通過此方法了解不同工況下正常及退變下腰椎生物力學特性，為解釋下腰椎損傷機制提供有限元模擬生物力學方面的理論依據(jù)。有助于臨床醫(yī)生更深入的了解此種疾病的發(fā)生與發(fā)展，并希望對該疾病個體化治療提供幫助。
　　方法:
　　1\本模型選取健康成年男

2、性，20歲，身高174cm體重68kg，行影像學及臨床檢查排除相關(guān)疾病后行螺旋CT及MRI掃描，掃描范圍包括L4-L5下腰椎及椎間盤。最終得到下腰椎CT斷層圖像236層，核磁斷層圖像98層;將CT及MRI掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式存儲入可讀寫光盤。
　　2\將下腰椎CT斷層圖像結(jié)合人體解剖學數(shù)據(jù)以DICOM文件格式導入MIMICS13.01軟件中，通過MIMICS軟件建模形成下腰段三維有限元模型。通過逆向工程軟件Geomagic s

3、tudio12.0對模型進行優(yōu)化處理形成三維有限元實體模型。
　　3\將下腰段三維有限元實體模型導入有限元分析軟件Ansys10.0中。對L4、L5椎體及L4/L5椎間盤用三維十節(jié)點四面體結(jié)構(gòu)實體單元SOLID進行網(wǎng)格劃分;定義椎體的骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)彈性模量分別為12000 Mpa、100 Mpa，泊松比分別為0.3、0.2;椎間盤髓核及纖維環(huán)彈性模量分別為1.0Mpa、450Mpa，泊松比分別為0.49、0.3。最終生成正常下腰椎

4、三維有限元模型。通過改變L4/5椎間盤的彈性模量及泊松比，建立退變下腰椎有限元三維模型。將正常及退變下腰椎模型L5椎體下表面進行固定，在L4椎體上表面施加500N壓力模擬軸向壓縮;施加10Nm的力矩模擬正常及退變下腰段前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)等不同工況下腰椎及椎間盤力學變化情況。
　　結(jié)果:
　　基于CT及MRI掃描數(shù)據(jù)，通過MIMICS13.01及逆向工程軟件Geomagic studio12.0建立了腰椎及椎間盤（髓核、纖

5、維環(huán)）的三維模型。
　　將上述模型導入ANASY10.0中，劃分椎體骨皮質(zhì)及骨松質(zhì)，耦合椎體與椎間盤之間及纖維環(huán)與髓核之間接觸關(guān)系，設(shè)置相應(yīng)結(jié)構(gòu)屬性、彈性模量及柏松比，進行整體及局部網(wǎng)格劃分，最終得到正常下腰段三維有限元模型。其中椎體模型2塊，單元為20486個，節(jié)點為22934個，椎間盤模型（髓核及纖維環(huán)）1塊，單元為12110個，節(jié)點為13150個。利用ANASY10.0軟件前處理功能，通過改變髓核及纖維環(huán)的彈性模量與泊松比數(shù)

6、值，對椎間盤不同組織的物理特性進行重新定義，最終得到椎間盤退變的下腰段三維有限元模型。
　　通過有限元分析軟件Ansys10.0軟件在不用工況下對正常及退變下腰段模型進行三維有限元力學分析得到正常及退變下腰段形變、位移及力學分布特點:
　　正常及退變下腰段椎體正位時應(yīng)力主要集中于椎體骨皮質(zhì)及椎弓峽部;前屈位時應(yīng)力主要集中于椎體骨皮質(zhì)前緣及椎弓峽部前外側(cè);后伸位時應(yīng)力主要分布在腰椎后緣骨皮質(zhì)及兩側(cè)椎弓峽部后外側(cè);側(cè)彎時應(yīng)力主要

7、分布于壓縮側(cè)椎體骨皮質(zhì)、椎峽弓部及椎管周圍;軸向旋轉(zhuǎn)時以椎弓峽部應(yīng)力較大，椎弓根次之;退變下腰段椎體應(yīng)力情況較正常下腰段椎體應(yīng)力有所增大。正常下腰段及椎間盤退變下腰段模型前屈位移形變較后伸位移形變范圍大，側(cè)彎位移形變較正位位移形變范圍增加，而扭轉(zhuǎn)位移形變略小于前屈及后伸位移形變。
　　正常及退變下腰段椎間盤正位時髓核及纖維環(huán)均承受著應(yīng)力，而纖維環(huán)的應(yīng)力集中在后側(cè)，并向后外側(cè)傳遞，椎弓根附近應(yīng)力最大，應(yīng)力由后部向前逐漸減小;前屈位時

8、椎間盤前側(cè)壓應(yīng)力分布較集中;后伸位時椎間盤后側(cè)區(qū)壓力較集中;側(cè)彎位時壓應(yīng)力主要集中于壓縮區(qū);對側(cè)應(yīng)力相對減少;旋轉(zhuǎn)時壓應(yīng)力主要集中于椎間盤后外側(cè)且纖維環(huán)壓應(yīng)力明顯增大;退變下腰椎椎間盤應(yīng)力情況與正常椎間盤相似，但髓核所受應(yīng)力較前明顯減小，纖維環(huán)所受應(yīng)力較前明顯增加;正常下腰段及椎間盤退變下腰段椎間盤前屈位移范圍大于后伸，側(cè)彎位移范圍較正位時向壓縮側(cè)移動。
　　結(jié)論:
　　通過本實驗，我們得到如下結(jié)論:
　　1、基于CT

9、及MRI掃描數(shù)據(jù)，通過MIMICS13.01及逆向工程軟件Geomagic studio12.0、ANASY10.0建立了腰椎及椎間盤（髓核、纖維環(huán)）的三維有限元模型并驗證其模型的有效性;通過改變髓核及纖維環(huán)的彈性模量與泊松比數(shù)值，對椎間盤不同組織的物理特性進行重新定義，最終得到椎間盤退變的下腰段三維有限元模型;
　　2、通過對正常及退變下腰段有限元生物力學分析，得到了不同工況下正常及退變下腰段生物力學定量及定性變化情況;為解釋下