脊柱頸段數(shù)字化模型建立及其對椎動脈型頸椎病的應(yīng)用研究.pdf

1、目的：脊柱頸段是人體脊柱的重要組成部分，活動度大，穩(wěn)定性差，解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本研究旨在通過CT數(shù)據(jù)在普通PC機上建立脊柱頸段的局部有限元模型，準(zhǔn)確反映其復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)及空間毗鄰關(guān)系，為臨床脊柱頸段疾患的診斷和治療提供可靠的影像和解剖學(xué)資料。通過對有限元模型加載邊界條件、載荷等力學(xué)參數(shù)，模擬椎動脈型頸椎病患者在轉(zhuǎn)頭后椎動脈的血流變化情況，探討椎動脈型頸椎病的流體力學(xué)特點，為椎動脈型頸椎病發(fā)病機制提供有限元模擬生物力學(xué)方面的理論依據(jù)，并希望其

2、對臨床診斷、治療以及治療后評價提供一定的幫助。
　　 方法：本模型選取一名經(jīng)臨床證實為椎動脈型頸椎病的男性患者作為志愿者，42歲，身高175cm，體重70kg，行螺旋CT掃描，掃描范圍包括全部頸椎及椎間盤，螺旋CT掃描參數(shù)為：120kv，250mA，層厚0.625mm，螺距0.516。使用高壓注射器以4ml/s的流率經(jīng)肘靜脈團(tuán)注碘帕醇70ml，延遲9s掃描，最終得到186幅分辨率為512×512像素的CT斷層圖像。將CT掃描數(shù)據(jù)

3、以DICOM格式存儲入可讀寫光盤。
　　 將DICOM文件導(dǎo)入Mimics10.01軟件，對原始圖像進(jìn)行蒙皮、分割、光滑等步驟生成頸椎骨、椎間盤及椎動脈的三維模型。將模型以點云的形式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio9進(jìn)行光滑及除噪處理，生成實體模型經(jīng)過組裝，獲得可進(jìn)行有限元分析的脊柱頸段數(shù)字化模型，并經(jīng)過解剖學(xué)數(shù)據(jù)驗證。
　　 從Geomagic Studio9里生成的實體模型以IGES文件導(dǎo)入到有限元分析

4、軟件ANSYS11.0中去，對每個椎骨、間盤及椎動脈進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義椎體及椎間盤為各項同性線彈性材料，椎動脈管壁設(shè)定為光滑、無滲透性的剛性管壁，流體性質(zhì)為血液。選取C4、5節(jié)段椎動脈有限元模型作為實驗對象，設(shè)置邊界條件、進(jìn)行力學(xué)加載，對數(shù)據(jù)進(jìn)行求解得出正常椎動脈血流模型的血液動力學(xué)特點；建立模擬人體轉(zhuǎn)頭后椎動脈受壓變狹窄的椎動脈模型并求解，對比兩者在血液流速、血流對管壁的壓力及血流流線等血流動力學(xué)方面的變化特點。
　　 結(jié)果：

5、
　　 1．建立了基于CT斷層圖像應(yīng)用Mimics生成的人體脊柱頸段三維可視化模型，含全部7塊頸椎體、5個椎間盤及2條椎動脈。
　　 2．通過Gemagic Studio9建立了脊柱頸段局部實體模型，整個模型共有95602個單元、135369個節(jié)點。其中骨骼單元83216個、節(jié)點120523個；椎間盤單元3683個、節(jié)點4825個；血管單元8703個、節(jié)點10021個。
　　 3．得到了椎動脈受壓變狹窄前后血液流

6、速矢量圖、管壁壓力圖、總壓力圖及血流流線圖可用于椎動脈型頸椎病的生物力學(xué)分析。
　　 結(jié)論：
　　 1．通過本課題的研究，獲得了一種基于CT斷層圖像數(shù)據(jù)，在PC機上應(yīng)用Mimics生成脊柱頸段三維可視化模型的方法。
　　 2．建立的脊柱頸段有限元模型，外形逼真，幾何相似性及生物力學(xué)特性經(jīng)過驗證可以用來進(jìn)行生物力學(xué)研究。成功模擬出椎動脈型頸椎病患者轉(zhuǎn)頭后椎動脈血流改變的有限元模型。
　　 3．通過有限元分析