青少年特發(fā)性脊柱側凸三維有限元模型的構建及生物力學分析.pdf

1、[目的] 1.通過一例青少年特發(fā)性脊柱側凸患者的薄層CT掃描資料。建立特發(fā)性脊柱側凸有限元分析模型,并對其有效性進行驗證。 2.在已建立的有限元模型上進行初步生物力學研究實驗。 [方法] 1.對一例青少年特發(fā)性脊柱側凸(LenkelAN)患者行薄層螺旋CT沿人體橫斷面進行掃描,掃描范圍為第六胸椎(T6)上緣到第一腰椎(L1)下緣(側凸段),掃描層距為0.8mm,共277層,數(shù)據(jù)存盤。利用獲得的薄層斷面資料

2、進行二維圖像的初步處理,將同一張圖片內屬于不同椎體的部分分為不同圖片保存,提取出單個椎體圖像信息。將處理后的每一椎體的圖片導入Simpleware2.1軟件,建立相應笛卡兒坐標系生成每一椎體的三維實體模型。加入間盤結構后,得到側凸段三維實體模型。通過逆向工程軟件Geomagic8.0對所得模型表面打磨光滑,并將其表面擬合成Cl連續(xù)的非均勻有理B樣條(NURBS)曲面。最后,將模型導入ABAQUS6.6軟件,參考相關文獻賦予各部分結構的材

3、料屬性,劃分單元網格生成三維有限元模型。 2.選用國外先前類似研究結果進行計算對比,以驗證模型的有效性。模型L1椎體下表面固定,對T6上端先后施加150N的側彎力和前屈力,最后施加10Nm力矩的旋轉力,分別模擬脊柱的側彎、前曲和扭轉運動,分析實驗結果并與國外實驗對比。 3.在有限元模型上進行椎體兩側高度的實際測量和載荷情況下應力分布分析,在具體數(shù)值水平對側凸兩側進行對比分析,再檢驗其與Hueter-Volkmann原理的

4、符合程度。 [結果] 1.本脊柱側凸有限元模型包括8個椎體(T6～L1),7個椎間盤(髓核、纖維環(huán)),以及相關附屬結構,如前縱韌帶、后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶和黃韌帶。整個模型單元劃分采用了2種單元類型,6種材料性質,共劃分了232315個單元,356830個節(jié)點,遠遠超過以前所建立的脊柱模型的單元和節(jié)點數(shù)。建成后的三維有限元模型較精確模擬了脊柱側凸的結構和材料特性,單元劃分精細,外觀逼真,幾何相似性好。 2.

5、通過測量比較在三種不同載荷情況下(側屈力,側屈力+前屈力,側屈力+前屈力+旋轉力)脊柱側凸頂椎距離冠狀面中線距離及其旋轉角度,得到與國外先前研究相似的結果,表明該有限元模型結構合理,易于進行有限元分析。 3.通過模擬側凸段應力分布,測得椎體凸側各點應力值在側凸頂椎處最大,總體上有向兩端呈逐漸減小的變化趨勢；在凹側,應力分布基本也呈現(xiàn)出以頂椎為中心向兩端遞減。另外,凹側應力亦較凸側高數(shù)倍不等,在理論上對Hueter-Volkman