非限制性人工椎间盘假体植入三维有限元模型的建立

摘要

目的:建立非限制性人工椎间盘假体(NAD)及腰椎L4～L5活动节段高精度三维有限元(FE)模型,拟为生物力学实验研究提供标准数学模型。方法:在Auto CAD中设计NAD假体,基于CT数据通过Mimics建立腰椎L4～L5节段三维模型,将NAD模型放置于L4～L5椎间盘,数据导入Abaqus采用有限元装配技术转换成有限元模型。观察NAD置换后FE模型的模拟单元、节点及构成组件。采用轴向负荷400 N以模拟L4～L5节段正常的中立位负荷,采用轴向负荷400 N及10 N.m模拟后伸负荷,验证所建立模型的科学性。结果:建立了非限制性人工椎间盘假体放置于腰椎L4～L5活动节段高精度三维有限元模型,包括:腰椎L4～L5活动节段FE模型34 123个节点及162 858个单元,其中椎体161 679个四面体单元,椎间盘、终板共1 053个六面体单元,韧带、关节囊、纤维共126个Link单元;NAD的FE模型1 583个节点及4 927个单元,其中终板共1 053个六面体单元,髓核3 724个六面体单元。力学测试显示中立位负荷及后伸负荷时所建立FE模型力学分布与现有结果一致。结论:通过计算机辅助设计可以自动化程度较高的方法建立高精度NAD假体有限元模型,Mimics通过基于阈值算法及参数化建模提供精确腰椎活动节段模型,两者可以基于有限元装配技术转换成有限元模型,该模型可用于脊柱生物力学的进一步研究。