脊柱胸腰部的生物力学建模与应用研究——中国力学虚拟人的基本问题初探

摘要

人体是一个极其复杂的系统，由于个体间的差异性、多样性以及活体实验的局限性，使得开展人体生物特性的研究工作十分困难。本文在建立人体脊柱胸腰部“骨—肌”三维几何模型和力学模型的基础上，以日常生活中常见的弯腰搬物为典型动作，对参与运动的相关肌肉的肌肉力进行了预测，再以预测的肌肉力为边界条件，分析了弯腰搬物过程中骨骼，椎间盘应力的分布规律，脊柱中心曲线的变形，椎体骨主应力的分布以及韧带的受力情况等。主要研究内容如下： ⑴人体脊柱胸腰部的“骨—肌”系统构建。采用图像分割和曲线最小二乘逼近的方法，精确获取骨骼和肌肉的轮廓信息。构建了符合人体解剖结构的胸腰部模型，包括：全部的12块胸椎(T1-T12)、12对肋骨和胸骨、5块腰椎(L1-L5)和骶骨(S)的重要信息，以及与脊柱屈伸功能相关的肌肉，包括：腹直肌、腹内斜肌、腹外斜肌、胸棘肌、腰棘肌、胸髂肋骨、腰髂肋肌、胸长肌、腰长肌、腰肌和腰方肌共计179条肌肉束的起止点和生理横截面积值。 ⑵在医生的指导下完成了人体屈伸功能相关的179束肌肉的力学直线模型的构建。采用NDI运动捕捉系统获取弯腰搬物过程中脊柱的运动变化，利用表面肌电信号测量获取相关肌肉的肌电信号变化。采用二次规划方法完成运动过程中肌肉力的预测，为有限元计算确定边界条件。并通过获取的肌电信号与肌肉力的预测值趋势比较，对计算结果进行验证。 ⑶基于人体骨CT的Hounsfieid值与骨弹性模量之间的关系，确定椎体松质骨和椎体后部结构的材料属性。通过等效材料分析的方法简化人体纤维环的模型。分析人体胸腰部在四个姿势时椎体松质骨、皮质骨、后部结构、髓核、纤维环上应力的分布及韧带受力的变化规律、椎体骨主应力线的分布和脊柱在外载荷及肌肉力作用下的变形。 ⑷根据一例右胸脊柱侧凸患者的CT数据建立了包括胸部至骨盆，肋骨完整的有限元模型，在有限元模型的基础上根据病人脊柱畸形的特点研究病人个性化支具的设计。并且根据临床实际加载模拟在不同束紧张力作用下脊柱形状的变化及支具上的作用力，结果表明个性化支具可以有效地矫正冠状面内的畸形并且可以减小如Boston支具引起的副作用。因此个性化支具的设计及分析方法可以有效地帮助矫形医生设计出更加有效的支具，提高矫形效果，具有重要的临床实用价值。 ⑸在“中国力学虚拟人”模型库中选择L4-L5这一基本功能单元模型，通过把L4-L5间的椎间盘替换成人工椎间盘来进行人工椎间盘的生物力学研究和评价。得出以下结论：该人工椎间盘可以重建椎间盘的高度，满足椎间盘的运动功能，但会引起椎体上应力的改变和增大小关节上的受力，因此其长期疗效还要通过随访进一步观察。 ⑹建立了人体脊柱胸腰部骨肌的三维几何模型及运动学模型和有限元模型，可以广泛地应用于生物力学研究，如对人工椎间盘进行体外的生物力学评价。对特发性脊柱侧弯病人进行个性化支具的研究可以指导支具设计师设计制造出矫形效果更好的支具，提高临床矫形效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题的背景及意义

1.1.1选题背景

1.1.2研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1人体胸腰部的牛物力学研究现状

1.2.2脊柱植入物的生物力学研究现状

1.2.3脊柱侧凸支具的牛物力学分析现状

1.3本论文研究目的及主要研究内容

1.3.1研究目的

1.3.2本论文的主要研究内容

第二章脊柱胸腰部三维骨肌系统建模

2.1引言

2.2人体脊柱胸腰部生理结构简介

2.3基于冷冻切片的人体脊柱胸腰部三维几何建模

2.3.1系列冷冻切片配准

2.3.2骨组织轮廓周期B样条曲线逼近

2.3.3轮廓线的转正

2.3.4.胸腰部骨骼曲面建模

2.4中国力学虚拟人胸腰部骨-肌系统建模

2.4.1人体胸腰部相关肌群及功能

2.4.2肌肉力与PCSA的关系

2.4.3人体胸腰部肌肉的生理横截面积

2.4.4肌肉的建模方法

2.5本章小结

第三章弯腰搬物过程脊柱胸腰部运动学分析及肌肉力预测

3.1引言

3.2人体弯腰搬物运动过程测试

3.2.1实验测试系统简介

3.2.2肌肉MVC的表面肌电测试

3.2.3弯腰搬物实验测试过程

3.3表面肌电信号的采集与处理

3.4人体弯腰搬物过程模型变换

3.5人体弯腰搬物过程肌肉力预测

3.5.1肌肉力的预测方法

3.5.2运动过程力臂的计算

3.5.3人体躯干重量的分布

3.5.4肌肉力的预测算法

3.6肌肉力预测结果及分析

3.6.1肌肉力预测结果

3.6.2肌肉力预测结果分析

3.7弯腰搬物的基本力学问题

3.7.1不同弯曲角度时腰骶关节的运动关系

3.7.2肌肉受力与外力及运动速度的关系

3.7.3椎间盘受力与屈曲的关系

3.8本章小结

第四章弯腰搬物过程脊柱胸腰部的有限元分析

4.1引言

4.2组织材料特性的确定

4.2.1人体脊柱胸腰部相关的组织材料

4.2.2骨和椎间盘材料特性的确定

4.3有限元模型建立过程

4.4面面接触问题理论及基本公式推导

4.4.1接触界面条件

4.4.2法向接触条件

4.4.3接触问题的虚位移原理

4.4.4接触问题的有限元方程及求解

4.5有限元模型网格化、边界约束及载荷

4.5.1有限元模型网格化

4.5.2边界约束及载荷

4.6有限元结果分析及基本力学问题

4.6.1整个脊柱胸腰椎体中心点位移的变化

4.6.2椎体皮质骨的应力分布

4.6.2椎体松质骨的最大应力

4.6.3椎体后部结构的最大应力

4.6.4椎间盘纤维环的应力分布

4.6.5椎间盘髓核的应力分布

4.6.6韧带的受力

4.6.7椎体主应力分布

4.6.8结论

4.7本章小结

第五章中轻度特发性脊柱侧凸的生物力学分析

5.1引言

5.2特发性脊柱侧凸的病理学

5.2.1遗传基因

5.2.2躯干生长不平衡

5.2.3神经系统_甲衡功能异常

5.2.4神经内分泌的异常

5.2.5生活习惯

5.3特发性脊柱侧凸的治疗方法

5.4支具矫形的生物力学原理

5.5侧凸脊柱的快速原型制造

5.5.1CT数据预处理

5.5.2三维重建

5.5.3侧凸脊柱快速原型的制作

5.6患者脊柱有限元模型的建立及个性化支具的设计

5.6.1数据来源

5.6.2躯干部有限元模型的建立

5.6.3个性化支具的建模

5.7个性化支具的有限元分析

5.7.1模型的有效性验证

5.7.2边界条件、加载及模拟过程

5.7.3结 果

5.8讨论

5.9本章小结

第六章Maverick型人工椎间盘的生物力学分析

6.1引言

6.2椎间盘的生物力学特点

6.3人工椎间盘的设计与临床应用

6.4人工椎间盘的建模

6.4.1有限元模型的建立

6.4.2模型的有效性验证

6.5人工椎间盘的生物力学分析

6.5.1人工椎间盘假体的牛物力学分析

6.5.2椎体的生物力学分析

6.5.3小关节的生物力学分析

6.6本章小结

第七章全文总结与展望

7.1本文工作总结

7.2本文的主要贡献与创新点

7.3今后研究工作展望

附表

参考文献

攻读博士学位期间发表或录用的文章

致谢