腰椎4-5節(jié)段三維有限元模型的建立及分析.pdf

1、目的：基于螺旋CT掃描圖像，應用三維重建軟件Mimics、有限元軟件Hyperworks、數據分析軟件Abaqus、模擬測試軟件Hyperview等軟件建立符合正常腰椎生理及生物力學性能的三維有限元模型，為有限元分析提供模型基礎，可用于研究疾病發(fā)病機制、測量正常腰椎生理指標、探索并模擬疾病治療方案等。
　　方法：選取一名健康青年男性（25歲，身高177cm，體重75kg），利用西門子64排螺旋 CT掃描獲得完整腰椎圖像，導入三維重

2、建軟件 Mimics，重建正常腰椎骨性結構的三維模型（L4-L5），輸入至有限元軟件Hyperworks進行網格化。根據解剖學及文獻結果建立重要的椎間盤部分。然后，根據文獻資料，分別建立韌帶、關節(jié)囊、關節(jié)突軟骨等部分的FEM模型，并用合適的材料性質和實體單元類型分別對各部分單位賦值。完畢后以INP格式在 Abaqus中進行計算，在Hyperview中進行模擬測試。
　　結果：利用三維重建軟件Mimics及有限元軟件Hyperwor

3、ks成功對腰椎（L4-L5）三維模型有限元網格化。對于重要的椎間盤部分，為計算時收斂的需要，將其建成全六面體單元，髓核占椎間盤的比例為44%，髓核中心比椎間盤中心偏后3.5mm。椎間盤基質上有八層網狀的纖維單元，總計7680根。纖維與基質是完全共節(jié)點，在運動中相互作用。將模型的L5椎體下表面單元完全約束，在L4椎體上表面建立剛性連接，加載400N的載荷模擬上半身重量，前屈、背伸、側傾、旋轉各加載10Nm。得到前屈、背伸、側傾、旋轉時模型

4、的活動曲線，完成模型測試。
　　結論：1.通過對正常成人T12下緣至S2上緣脊柱沿橫截面行螺旋CT掃描，得到了準確的腰椎 CT圖像結果。將掃描結果導入醫(yī)學三維重建軟件 Mimics15.0，勾勒椎體邊界，成功建立了腰椎椎體三維模型。將Mimics得到的椎體模型導入HyperMesh軟件，進行前處理后，根據文獻的各種材料參數，分別建立皮質骨、松質骨、軟骨終板、關節(jié)突軟骨、黃韌帶、前縱韌帶、后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、關節(jié)囊部分的F