腰椎有限元模型的建立与脊柱牵引过程中的仿真研究

摘要

腰椎疾病是外科常见病,在腰椎间盘疾病的治疗方法中,牵引疗法是较为有效的治疗方法之一,其中牵引时间、大小和方向都与腰椎的生物力学特性有关,不同的牵引时间、牵引力的大小及力的作用方向都会对治疗效果产生较大影响,因此研究腰椎的生物力学特性并以此来确定牵引治疗的关键参数,具有重要意义。有限元分析法是理论生物力学研究中最有效的分析方法之一,尤其在针对人体的脊柱生物力学特性研究中,相对实验生物力学而言,具有更好的可替代性、可重复性和可控性等优势。
　　 本文主要探讨如何快速、准确的建立腰椎三维有限元模型,并进行不同角度牵引状态下的仿真分析,得出牵引角度对牵引效果的影响规律,从而为新型的成角度腰椎牵引设备的研制提供理论依据。
　　 本研究首先利用Mimics医学软件对CT图像进行处理,重构出腰椎椎骨模型,同时结合布尔运算建立起椎间盘模型,从而得到具有较高精确性的几何模型;为便于后续的有限元分析,将所建几何模型导入Solidworks工程软件中,利用其自带的Scan to3D插件生成实体模型;然后在Ansys有限元分析软件中建立起有限元模型,对模型进行轴向压缩力和侧屈扭矩条件下的仿真分析,将得出的轴向压缩力一轴向位移、侧屈扭矩一侧屈角位移的仿真曲线与体外生物力学实验曲线对比完成模型验证;最后对模型施加两组大小相同、方向不同的牵引力进行仿真分析,得出在一定大小的牵引力下,牵引角度的变化对各节腰椎间盘厚度的影响规律,并计算各节腰椎间盘内压的相应变化情况。
　　 本研究所建腰椎三维有限元模型能够方便地施加约束和载荷进行有限元分析,精确模拟腰椎生物力学实验。仿真结果表明,通过调整牵引角度可以对病变的椎间盘进行有针对性的治疗,从而达到较好的牵引效果。