不同材料属性赋予下椎体的静力学分析

摘要

背景:人体骨骼具有非线性强、骨质分布不均匀等特点,不同的弹性模量赋值导致静力学结果差异性大.目的:分析3种材料属性赋予方法在椎体数值模拟分析中的差异性.方法:基于逆向工程原理,通过图像分割建立腰椎L4、L5及椎间盘模型,对椎体模型赋予3种材料属性:①灰度值赋值:通过Mimics利用灰度值进行梯度赋值;②均质及灰度值混合赋值:对椎体前端皮质骨进行单一弹性模量赋予,对前端松质骨及后端椎弓根、横突、棘突等利用灰度值进行赋予;③皮质骨及松质骨赋值:采用皮质骨及松质骨两种弹性模量.对3种赋值方法下的有限元模型进行轴向载荷100-500 N加载,以及分别施加2,4,6,8,10 N·m的弯矩模拟椎体进行前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转.结果 与结论:不同工况加载下的椎体轴向位移及偏转角度有明显差异,均方根误差分析显示,灰度值赋值法相比于其他两种方法更接近于真实实验数据,不会在材料赋值交界处产生明显的应力阶跃现象,以及不会产生明显的应力集中现象,更符合椎体的力学性质,从而可以更准确地进行脊柱生物力学分析.