正常男性腰椎三维有限元模型的建立并证明其在所给力矩载荷下的有效性

摘要

目的:寻求创建正常人体的全腰椎L1-L5的3-D FE模型的方法，并证明及探讨其在所给的载荷下的有效性。
　　方法:筛选一名健康的无腰腹部外伤史、无脊柱畸形、无脊柱疼痛史、无退行性病变的自愿者，行CT进行断层扫描，收取所采集的DICOM格式图片并给予保存。根据所需图像的要求，选取303张图片。设定目标图像的界定值和阈值，尽可能的使CT图片上的每个断层保持基本的上下一致，尽可能的减少选定图片的相对移位和偏转。在MIMICS软件之中根据选好的CT图片中不同的组织灰度值，通过设定的图像界定值和阈值，来得到所需要的组织，逐层并且分割处理已经选取好的CT图像，消除周围的软组织及伪影。这次的研究将每个椎体都看成独立的图像进行区分，运用图像分割的技术得到所需要的模型，这期间付出了大量的手工操作。将所取得的数据输入MIMICS软件中生成三维图像，将三维图像导入GeoMagic Studio12软件中，进行简化、填充孔、去除特征、松弛及修复相交区域等一系列处理后，形成5个三维实体模型的椎体。把5个腰椎三维实体模型输入Solidworks2012 FE分析软件，将5个椎体的相对位置进行还原并组织各个椎体，建造椎间盘、髓核、纤维环基质和小关节等模型。将获取的全腰椎3-D FE模型输入Hypermesh中完成网格化区分，于Abuqas6.12软件中赋予材质模仿腰椎正常活动，将L5椎体下的终板进行约束，在L1椎体的上终板给予2kg·m-2·s-2、4kg·m-2·s-2、6kg·m-2·s-2、8kg·m-2·s-2、10 kg·m-2·s-2载荷分别使腰椎前屈、后伸、左侧弯、左旋、右侧弯、右旋，分别计算平均刚度值(kg·m-2·s-2/°)，将算取的刚度值和公认文献结果进行比较，来验证创建的3-D FE模型的有效性。
　　结果:(1)创建了正常的人体全腰椎L1-L5的3-D FE模型，共计55945个结点，297610个单元数，2mm大小网格。(2)所创建的全腰椎L1-L5的3-D FE模型具有高度逼真性，更加接近真实性，更为可靠。(3)本次实验所创建的全腰椎3-D FE模型给予2kg·m-2·s-2、4kg·m-2·s-2、6kg·m-2·s-2、8kg·m-2·s-2、10 kg·m-2·s-2载荷分别使腰椎前屈、后伸、左侧弯、左旋、右侧弯、右旋，计算平均刚度值(kg·m-2·s-2/°)分别为0.272、0.472、0.414、1.076、0.431、1.374。结果处于其他学者所研究的平均刚度值范围之间。
　　结论:本次实验所创建的全腰椎L1-L5的3-D FE模型是有效的。模型具有高度的仿真性，更接近真实性，更为可靠，能较真实的反应全腰椎的解剖形态。有助于帮助人们认识脊柱腰椎段疾病的生物力学基础，可以用在正常的腰椎模型及手术模型的生物力学的分析。

目录

声明

摘要

前言

材料与方法

1、实验对象

2、CT图像扫描

3、计算机建模

CT图像的处理

1、创建L1-L5椎体的三维图像

2、形成L1-L5椎体的3-D实体模型

3、前期有限元模型的处理

4、FE模型的网格区分及给予约束、载荷

结果

1、腰椎3-D FE模型创建的准确性

2、腰椎3-D FE模型的精确度和有效性的验证

讨论

1、本实验所研究的全腰椎3-D FE模型的准确性和特点

2、正常腰椎3-D FE模型的局限性

结论

参考文献

综述 腰椎三维有限元与生物力学的发展史

中英文缩略词对照表

致谢