正常颈椎有限元模型建立及有效性验证

摘要

目的:建立颈椎C2~C7节段三维有限元模型,分析模型的生物力学特征,进行有效性验证。方法:招募一名健康志愿者为建模对象,利用64排螺旋CT进行颈椎连续性断层扫描,扫描区域设定为枕骨至C7椎体节段。将获得的图像数据DICOM文件导入至Mimics图像分割软件中,对颈椎骨性结构进行分割提取。在Geomagic studio软件中对获得的颈椎骨性结构模型进行去噪、光顺、修补填充等处理,拟合曲面实体,并偏移分割生成皮质骨与松质骨,将模型保存为STEP文件。在Solidworks软件中完成椎间盘髓核、纤维环及关节软骨结构的建立与模型的组装匹配。ANSYS Workbench软件中添加材料属性、接触关系、边界条件及载荷,测量颈椎在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种应力作用下位移变化。结果:成功建立颈椎C2~C7节段有限元模型,颈椎C2~C3屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为7.2°、8.2°、5.3°,颈椎C3~C4屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为7.2°、8.1°、6.2°,颈椎C4~C5屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为8.1°、7.9°、7.8°,颈椎C5~C6屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为6.9°、5.4°、5.2°,颈椎C6~C7屈伸、侧屈、旋转角度位移分别为5.7°、4.8°、3.7°,和既往颈椎生物力学模型测试结果基本一致。结论:本研究基于有限元建模软件成功建立正常颈椎有限元模型,该方法所建立的模型可靠,通过有效性验证,具备良好的生物力学性能。