论文部分内容阅读
目的基于螺旋CT扫描图像,应用三维重建软件Mimics、有限元软件Hyperworks、数据分析软件Abaqus、模拟测试软件Hyperview等软件建立符合正常腰椎生理及生物力学性能的三维有限元模型,为有限元分析提供模型基础,可用于研究疾病发病机制、测量正常腰椎生理指标、探索并模拟疾病治疗方案等。方法选取一名健康青年男性(25岁,身高177cm,体重75kg),利用西门子64排螺旋CT扫描获得完整腰椎图像,导入三维重建软件Mimics,重建正常腰椎骨性结构的三维模型(L4-L5),输入至有限元软件Hyperworks进行网格化。根据解剖学及文献结果建立重要的椎间盘部分。然后,根据文献资料,分别建立韧带、关节囊、关节突软骨等部分的FEM模型,并用合适的材料性质和实体单元类型分别对各部分单位赋值。完毕后以INP格式在Abaqus中进行计算,在Hyperview中进行模拟测试。结果利用三维重建软件Mimics及有限元软件Hyperworks成功对腰椎(L4-L5)三维模型有限元网格化。对于重要的椎间盘部分,为计算时收敛的需要,将其建成全六面体单元,髓核占椎间盘的比例为44%,髓核中心比椎间盘中心偏后3.5mm。椎间盘基质上有八层网状的纤维单元,总计7680根。纤维与基质是完全共节点,在运动中相互作用。将模型的L5椎体下表面单元完全约束,在L4椎体上表面建立刚性连接,加载400N的载荷模拟上半身重量,前屈、背伸、侧倾、旋转各加载10Nm。得到前屈、背伸、侧倾、旋转时模型的活动曲线,完成模型测试。结论1.通过对正常成人T12下缘至S2上缘脊柱沿横截面行螺旋CT扫描,得到了准确的腰椎CT图像结果。将扫描结果导入医学三维重建软件Mimics15.0,勾勒椎体边界,成功建立了腰椎椎体三维模型。将Mimics得到的椎体模型导入Hyper Mesh软件,进行前处理后,根据文献的各种材料参数,分别建立皮质骨、松质骨、软骨终板、关节突软骨、黄韧带、前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、关节囊部分的FEM模型,成功构建了腰椎L4/L5节段三维有限元模型。2.本研究建立的腰椎三维有限元模型具有单元划分精细,可视效果好,空间结构测量精度高,接近实体,符合研究要求等特点,获得了优良的网格质量,保证了有限元分析结果的准确性及可靠性。在进行了模型的验证后,验证了模型准确地显示了腰椎及椎间盘的解剖结构,符合解剖学特征,且模型与实体生物力学特性及活动度等一致,本模型可以用于后续的力学性能分析。