上颈椎三维有限元模型的建立与分析

摘要

上颈椎由寰椎、枢椎、连接其间的关节囊、韧带等结构组成，解剖结构活动度大而稳定度较差，毗邻延髓、颈髓、小脑等重要结构，易造成致命损伤。随着上颈椎发病率的增加，对上颈椎损伤机制的研究，有助于医生更好地对其进行治疗与预防。本文主要通过建立上颈椎三维有限元模型进行后伸、侧弯与旋转的仿真分析，为上颈椎临床诊断提供相应依据，使医生充分认识上颈椎的损伤机制。
　　本文通过螺旋CT扫描正常人上颈椎，利用医学三维重建软件Mimics获取其整体轮廓曲线，通过阈值分割、区域生长、空洞填补等步骤，建立一个包括上颈椎椎骨、关节囊、前纵韧带、后纵韧带、十字韧带、翼状韧带的上颈椎三维面网格模型，并对其进行有限元前处理。之后在ANSYS中建立上颈椎有限元模型，利用文献中获得的尸体数据和前人的有限元模型仿真数据进行不同力矩作用下椎体旋转角度的对比，证明本模型可以用于进一步上颈椎力学性能研究。最后对上颈椎有限元模型在不同力矩下模拟后伸、侧弯与旋转运动，得到C0-C1，C1-C2节段的角位移情况及椎骨、韧带等部位的应力应变情况，并进行结果分析。
　　本文的创新工作主要包含以下三点:
　　1、建立了一种更为实用准确的有限元模型，比常用实体建模方式更接近实际解剖结构，所建模型网格质量更为优良，保证了最终有限元分析结果的高效性及准确性。
　　2、通过蒙罩进行更精确的材质赋值，与在ANSYS中材质赋值相比可根据情况人工选取合适区域，更加接近人体真实结构。
　　3、利用逆向工程，采用四面体实体单元对韧带建模，比目前的两点式缆索单元韧带模型更为精确，可直接查看某一韧带的形变及应力情况。
　　利用本文模型可以模拟上颈椎生物力学实验，直观的查看韧带及椎体的应力及位移状态，并通过查看仿真结果与临床结果进行对比，为医生实际诊断提供依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究背景

1．3 国内外研究现状

1．4 本课题研究的主要内容、创新点及意义

1．4．1 本课题研究的主要内容

1．4．2 本课题的创新点

1．4．3 本课题的研究意义

1．5 论文结构

第二章 上颈椎生物力学的有限元研究

2．1 颈椎的解剖学特征

2．2 上颈椎的生物力学特征

2．3 有限元法

2．3．1 有限元法的基本概念

2．3．2 有限元法的力学基础

2．3．3 有限元法的计算思路

2．3．4 有限元法在脊椎生物力学中的应用

2．4 本章小结

第三章 基于Mimics的上颈椎模型重建

3．1 Mimics简介

3．1．1 图像分割

3．1．2 三维图像重建可视化

3．1．3 有限元前处理模块(FEA模块)

3．2 基于Mimics软件建立上颈椎3D模型

3．2．1 材料及方法

3．2．2 CT图像的识别定位

3．2．3 界定图像的阈值

3．2．4 区域生长

3．2．5 空洞处理

3．2．6 子结构分离与增补

3．2．7 三维建模(Calculate 3D Models)

3．2．8 有限元的前处理

3．3 本章小结

第四章 基于ANSYS的上颈椎有限元模型建立与验证

4．1 ANSYS软件简介

4．1．1 前处理模块(PREP7)

4．1．2 求解模块(Solution)

4．1．3 后处理模块(POST1和POST26)

4．1．4 ANSYS软件求解过程

4．2 基于ANSYS软件建立上颈椎有限元模型

4．2．1 在ANSYS中定义单元类型

4．2．2 有限元网格的划分

4．2．3 赋予材料属性

4．3 上颈椎有限元仿真模型验证

4．3．1 模型的几何相似

4．3．2 验证方法

4．3．3 验证结果

4．4 本章小结

第五章 基于ANSYS的上颈椎有限元分析

5．1 后伸仿真分析

5．1．1 限制条件加载

5．1．2 仿真结果分析

5．2 侧弯仿真分析

5．2．1 限制条件加载

5．2．2 仿真结果分析

5．3 旋转仿真分析

5．3．1 限制条件加载

5．3．2 仿真结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本课题的主要研究成果

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研项目情况

致谢