一个退变颈椎三维有限元模型的建立和应用

摘要

颈椎是人体几何特性和运动特性最为复杂，也是人体最容易受到伤害的部分之一。退行性变引起的增生、骨赘、椎间盘脱水等常常是引起老龄者颈椎疾患的主要原因。目前，利用有限元法对颈椎进行生物力学研究通常是基于正常的颈椎结构，而对于具有退变特征的颈椎建模还未见报道。该文针对前人工作的不足，建立了带有退变特征的C4-C6、C2-C7、头+全颈椎三维有限元模型，并对所建模型进行了有效性验证。认为，模型能够较好地模拟颈椎的生物力学特性。应用验证有效的颈椎模型，在以下几方面进行了研究： 椎板半切除对颈椎的生物力学影响。基于完整C4-C6模型，建立了C5左侧椎板切除的有限元模型。边界与加载条件为C6椎体下表面固定、C4椎体上表面施加1.8Nm的生理载荷。考察了椎板半切除后小关节的应力变化和C4-C6节段的稳定性。结果表明，半椎板切除会引起相应节段小关节应力的显著增大，椎板切除对侧的小关节应力增加更大；半椎板切除术对颈椎的稳定性不会造成大的影响。 多节段椎板切除对颈椎的生物力学影响。基于完整C2-C7模型，分别建立了一节段(C5)、二节段(C4-C5)、三节段(C4-C5-C6)椎板连同相关韧带的切除模型。边界与加载条件为C7椎体下表面固定、C2椎体上表面施加1.5Nm的生理载荷。考察了椎板切除后颈椎的整体刚度、节间稳定性、椎体表面应力、椎间盘应力的变化。结果显示，颈椎的节间稳定性会受到较大的不利影响，整体刚度会随着切除节段的增多而降低；椎体前后缘应力、椎间盘应力明显增大处多数发生在椎板切除所在椎或相邻椎。 头颈睡姿对颈椎的生物力学影响。利用所建头+全颈椎有限元模型，采用C7椎体下表面固定、头及各椎体施加重力载荷的边界与加载条件，考察头颈在仰卧与侧卧睡姿下，不同头部重心高度时，椎体、间盘、椎弓根、钩突等处的应力状况。结果表明，头部重心的位移越大，各部位的应力值也越大；各模式下寰椎与枢椎部位的应力都比较小，应力较大部位均出现在下颈椎。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言(立题依据)

1.2国内外研究现状

1.2.1有限元法简介

1.2.2颈椎有限元模型的发展

1.2.3颈椎椎板切除的生物力学

1.2.4头颈睡姿与颈椎生物力学

1.3本文的研究内容

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

参考文献

2颈椎三维有限元模型的建立及验证

2.1引言

2.2头及颈椎有限元模型的建立

2.2.1正常颈椎的解剖结构

2.2.2本模型图像来源的解剖特点

2.2.3建模的软件平台

2.2.3模型的建立

2.3模型的验证

2.3.1 C4-C6模型的验证

2.3.2 C2-C7模型的验证

2.3.3头+全颈椎模型的验证

2.4讨论

2.5小结

参考文献

3椎板切除对颈椎的生物力学影响

3.1引言

3.2椎板半切除对颈椎的生物力学影响

3.2.1材料和方法

3.2.2结果与讨论

3.3多节段椎板切除对颈椎的生物力学影响

3.3.1材料和方法

3.3.2结果与讨论

3.4小结

参考文献

4头颈睡姿对颈椎的生物力学影响

4.1引言

4.2仰卧睡姿对颈椎的影响

4.2.1材料和方法

4.2.2结果与讨论

4.3侧卧睡姿对颈椎的影响

4.3.1材料和方法

4.3.2结果与讨论

4.4 小结

参考文献

5总结与展望

5.1本文的工作

5.2本文的创新点

5.3展望

作者在读期间科研成果

致 谢