10岁儿童上颈椎有限元模型的建立及有限元分析

来源 :内蒙古医科大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xhhb925
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目的:(1)探讨建立10岁正常蒙古族儿童上颈椎( C0~C2)的有限元模型,并验证其有效性;(2)通过对已建立上颈椎模型前屈、后伸、侧屈、旋转工况的有限元过载试验,分析儿童上颈椎应力分布变化。  方法:(1)选取一名10岁龄正常蒙古族男童颈椎CT DICOM数据包,导入三维重建软件MIMICS16.0行图像分割处理,得到优化的硬组织表面模型,再导入有限元前处理软件Hypermesh行颈椎C0~C2各部分网格的划分、建立颈椎韧带模型并对各部分赋予材质、单元属性及施加载荷等,建立了颈椎C0~C2有限元整体模型,最后导入通用有限元软件ANSYS14.0中行计算和结果分析;(2)在模拟生理载荷下(颅底垂直加载30N预压力,1.0Nm力矩)测定上颈椎模型各节段(C0~C1,C1~C2)的前屈、后伸、侧屈、旋转的三维运动范围,将所得结果与文献结果进行对比,验证所建模型的有效性;(3)通过对本例上颈椎有限元模型进行前屈、后伸、侧屈、旋转过度加载(颅底垂直加载30N预压力,5.0Nm),展示寰椎、枢椎、齿突及寰椎横韧带的应力云图,并分析其应力分布的变化特点,探讨儿童上颈椎损伤的机制。  结果:(1)成功建立了一个外观逼真的儿童上颈椎有限元模型,包括颅底、寰枢椎及附属主要韧带、接触关节等结构,并经过了有效性验证;(2)在模拟头颅重量及不同方向大小为5.0Nm的过度力矩载荷下,测量出上颈椎各节段角位移量,并清晰显示其应力云图。  结论:(1)本研究所建立的儿童上颈椎有限元模型几何相似性好,可用来进行生物力学研究;(2)该模型在上颈椎前屈-后伸工况下,应力主要集中于寰枕关节和枢椎前方结构。从前屈向后伸的变化过程中寰椎所受应力向后弓移动。枢椎椎体和齿状突基底在前屈时高应力区域较后伸集中;(3)侧弯时,在枢椎椎体及相对应的接触压缩关节区域有中度应力集中;(4)旋转时,寰椎后弓与侧块连接处、枢椎椎体和齿突基底表现出高应力分布,且寰枕关节和寰枢关节的接触区域也有增高,表明上颈椎在过度旋转时可能会产生损伤,易造成不稳定,如增加额外外力可能致这些部位的进一步损伤;(5)在已模拟的四种极限工况下,横韧带所承受应力仅在与骨质附着部位中度增高,提示儿童寰枢关节半脱位与横韧带断裂损伤相关性不大。
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