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(yīng)用三維重建軟件Mimics、有限元軟件Hyperworks、數(shù)據(jù)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(xué)性能的三維有限元模型，為有限元分析提供模型基礎(chǔ)，可用于研究疾病發(fā)病機(jī)制、測量正常腰椎生理指標(biāo)、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(dǎo)入三維重

2、建軟件 Mimics，重建正常腰椎骨性結(jié)構(gòu)的三維模型（L4-L5），輸入至有限元軟件Hyperworks進(jìn)行網(wǎng)格化。根據(jù)解剖學(xué)及文獻(xiàn)結(jié)果建立重要的椎間盤部分。然后，根據(jù)文獻(xiàn)資料，分別建立韌帶、關(guān)節(jié)囊、關(guān)節(jié)突軟骨等部分的FEM模型，并用合適的材料性質(zhì)和實(shí)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(jìn)行計(jì)算，在Hyperview中進(jìn)行模擬測試。
　　結(jié)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(wǎng)格化。對于重要的椎間盤部分，為計(jì)算時(shí)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(zhì)上有八層網(wǎng)狀的纖維單元，總計(jì)7680根。纖維與基質(zhì)是完全共節(jié)點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)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(cè)傾、旋轉(zhuǎn)各加載10Nm。得到前屈、背伸、側(cè)傾、旋轉(zhuǎn)時(shí)模型

4、的活動(dòng)曲線，完成模型測試。
　　結(jié)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(zhǔn)確的腰椎 CT圖像結(jié)果。將掃描結(jié)果導(dǎo)入醫(yī)學(xué)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(dǎo)入HyperMesh軟件，進(jìn)行前處理后，根據(jù)文獻(xiàn)的各種材料參數(shù)，分別建立皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、軟骨終板、關(guān)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(guān)節(jié)囊部分的F