脊柱腰骶段的三维有限元建模及生物力学分析

摘要

目的：寻求脊柱腰骶段三维有限元模型准确构建的方法，并探讨不同体位下腰骶段应力的变化，研究与之相关疾病的生物力学机制。 方法：选取一健康成年男性，行影像放射学检查和临床检查排除相关疾病后对腰骶段行螺旋CT断层扫描。提取数据导入医学图像软件Mimics生成腰骶段三维实体模型，光滑处理和网格划分后导入Patran前处理软件生成L5和骶骨的四面体单元，然后生成椎间盘、终板模型、关节突关节模型和周围韧带的模型。最后对模型单元材料属性进行设定并导入有限元模型构建软件中。使用ABAQUS有限元分析软件，设定L5以上负载为500N，模拟人体中立位时的工况；对L5施加15N·m的力矩，分别模拟人体前屈、后伸、左弯，右旋的情况。计算模型的平均刚度验证模型，分析模型的应力分布与应力传到情况。 结果：(1)所构建的腰骶段三维有限元模型共包括51,072个实体单元，396个线单元，总计共12,934个结点。模型包含了接触非线性，几何非线性两种结构的非线性类型。 (2)本模型在前屈、后伸、侧屈和扭转作用下的平均刚度分别为2.10 N·m/°3.12 N·m/°、3.07 N·m/°和7.80 N·m/°，结果处于其他尸体实验研究的平均刚度范围中间。 (3)通过比较各种体位下模型的应力分布发现：①屈伸体位下，应力集中在L5椎体后部，且后伸时应力值最大；②无论前屈或后伸，L5峡部和关节突关节都承受较大的应力。侧屈时应力集中在同侧峡部，扭转时则集中在对侧。③中立位和前屈时，骶骨两侧的髂翼传导了大部分的应力。④各体位下椎间盘纤维环外层纤维受力大，无论后伸、侧屈、还是扭转，应力多集中在纤维环的后外侧。在应力下椎间盘发生的位移多突向后外，以侧屈时发生位移最大。 结论：所构建的腰骶段三维有限元模型仿真度高，反映了腰骶段脊柱真实的解剖形态及生物力学行为。分析比较不同体位下应力在腰骶段脊柱的应力分布以及传导规律，有助于我们了解脊柱腰骶段疾病发病的生物力学基础。本模型可用于进一步的生物力学实验。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

前言

第一章资料与方法

1.1资料

1.2方法与步骤

第二章结果

2.1脊柱腰骶段三维有限元模型的建立

2.2脊柱腰骶段三维有限元模型的自身验证

2.3脊柱腰骶段三维有限元模型的生物力学分析

第三章讨论

3.1本模型的优势

3.2加载和约束方式的选择

3.3脊柱腰骶段相关疾病的生物力学分析

3.4本研究的不足之处

第四章结论

参考文献

综述

致谢