个性化颈椎椎间融合器的设计及其三维有限元分析

摘要

目的：基于患者颈椎CT骨三维成像数据，使用计算机仿真技术，设计个体化颈椎椎间融合器，并通过三维有限元法进行验证分析其即刻稳定性及防下沉性能，探讨颈椎椎间融合器个体化设计的可能性。
　　方法：提取患者的颈椎C T骨三维数据，通过Mimics16.0(试用版）建立感兴趣的颈5、颈6椎体及其椎间隙结构的3D几何模型，在此基础上使用SolidWorks201364 bit设计个体化颈椎椎间融合器（个体化Cage)，再导入Geomagic studio201264bit构建NUBRS曲面片，借助Hypermesh V12.0划分网格，最后在ABAQUS6.16(试用版）中分两组模型分别进行加载，进行颈椎运动三维有限元模拟分析得出轴向压缩位移数据及应力、位移分布图，了解个体化Cage的即刻稳定性及防下沉性能。
　　结果：本文有限元模型在轴向压缩位移模拟上的预测结果与体外实验数据及学者们所建模型的预测结果无明显差异（P>0.05)，而颈椎运动范围角度模拟失真（P<0.05)。个体化Cage植入后，颈6椎体（C6)在轴向压缩、前屈、后伸及侧弯的运动下，轴向压缩位移均明显减少，C6皮质骨与松质骨强度值均得到提升（P<0.05)。颈椎前屈、后伸及侧弯运动时刚度值增高明显（P<0.05)，而在轴向压缩运动时刚度值无明显增加（P>0.05)。个体化Cage植入后，各结构在各颈椎运动中的最大Von-Mises应力均较前明显提升（P<0.05)。应力云图分析中见C5、C6及个体化Cage均有应力集中区域，其压缩位移波动于0.03-0.11mm之间。
　　结论：1.本文基于颈椎C T骨三维成像数据，通过Mimics、Geomagic及Hypermesh软件重建的C5椎体、C6椎体及其椎间隙结构的三维有限元模型具有良好的仿真性能，可用于生物力学的模拟分析。2.本文通过计算机仿真技术设计了个体化Cage，利用三维有限元法进行其即刻稳定性及防下沉性能分析，结果显示个体化Cage具有即刻稳定性及良好的防下沉性能，提示基于颈椎CT骨三维成像数据个体化Cage设计在理论上具有可行性，可为下一步进行的生物力学实验提供参考。

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第一章引言

第二章步骤与方法

1.建模准备

1 .1 建模环境

1.2 样本采集

1 .3 图像处理软件

1 .4 病椎几何模型的建立

2.个 体 化 解 剖 型 颈 椎 椎 间 融 合 器 的 设 计

2. 1 符合上下终板解剖形态的表面特征

2 .2 合理的椎间撑开高度

2 .3 具有即刻稳定性的锁定钉固定装置

2 .4 符合生理曲度的植骨窗

2 . 5 更接近于人体骨质的PEEK材料

2 . 6 个 体 化 Cage几何模型的建立

3.有 限元模 型 建 立及 分 析 方 法

3.1 网格划分

3.2 接触及材料属性设定

3. 3 模型有效性分析一颈椎轴向压缩位移及运动范围角度

3 . 4 个 体 化 Cage即刻稳定性分析一颈椎轴向压缩位移、强度值及刚度值

3. 5 个体化Cage防下沉性能分析--最大Von-Mises应力及应力云图

第三章结果与分析

1. 模型有效性分析

1.1 C6椎体轴向压缩位移

1.2颈椎运动范围角度

2 .个体化Cage即刻稳定性分析

2. 1 颈椎轴向压缩位移

3 个体化Cage防下沉性能分析

3. 1 最 大 Von-Mises应力

3. 2 应力云图分析

第四章讨论

1.设计方法

2.有限元分析

2. 1 模型有效性分析

2. 2 即刻稳定性分析

2. 3 最大Von-Mises应力分析

2. 4 应力分析

3.展望

第五章结论

参考文献

致谢

颈椎椎间融合器进展