三维有限元法在柱生物力学研究中的应用.pdf

中文摘要 三维有限元法在脊柱生物力学中的应用 摘 要 第一部分应用三维有限元模型研究下颈椎在前屈后伸情况下的应力变 化 目的：颈椎病是脊柱外科常见疾病之一，其发病因素与脊柱生物力学 密切相关。在目前研究生物力学的方法中，动物实验、物理实验和体外(尸 element) 体)实验都无法达到预期效果，三维有限元(three．dimension，finite 方法作为一种新技术，有优于其它实验之处，可在持续性研究中重复及改 变任何质量与定量变化，同时提供了局部及内部的反应机制，从而被越来 越广泛应用。颈椎是一个功能性整体，各部分相差悬殊，应力传导复杂， 如果采用脊柱功能单位(Functionalspinalunit，FSU)难以反应整体情况， 因此本课题通过应用有限元方法建立下颈椎(C3．C7)的三维模型，研究颈 椎在前屉后仲两种情况下的应力变化，从生物力学角度阐明颈椎病发病机 制，为临床疾病的预防提供参考。此外，本模型的建立也可以应用于临床 内固定器械的设计和术式的分析，为以后将有限元方法推广到临床疾病的 治疗奠定了基础。 扫描，层厚1mm，层间距0mm，扫描范围包括C3．C7全部骨性结构及椎问 盘。扫描图片共90张，实际建模采用中间有效部位75张。将扫描数据存 入可读写光盘。在处理原始图片前，将骨组织区域和椎间盘区域在图像处 写的数字图像处理程序对分割后的图像进行边缘检测，提取边界坐标，将 每块骨的外轮廓三维坐标分别存储为单独的点云文件。将采集的点云文件 Ansys9．0中去。对每个椎体和椎间盘，用三维十节点四面体结构实体单元 SOLID92进行网格划分；对韧带，本模型采用了三维仅受拉杆单元 在C3上面垂直加载头颅重量，再对模型进行加载2N．m的力矩使模型前 中文摘要 屈后伸，不至于使颈椎产生任何损伤，得到相应的等效应力分布图。 结果：由等效应力分布图可以看出，总体上，下颈椎小关节应力由 较大，后伸时以C4．5，C5．6应力较大。小关节前屈时Z轴上受拉应力，后 伸时Z轴上受压应力。说明小关节在后伸时起承受和传导载荷的作用。 钩椎关节的变化在此图上不明显。 结论：小关节在前屈、后伸两种工况下的受力，总体上集中于颈椎中 下段，而且主要集中于C4．5，C5．6之间。这一结论从生物力学角度阐述了 小关节退变多见于中下段，特别是C4．6节段。所以，当人体处于长时间 不良姿势(颈椎前屈)的情况下，会使局部应力(尤其是小关节的应力) 增加，应力增加导致了骨质增生，严重骨质增生又会刺激神经根等软组织， 如此反复，恶性循环，最后导致颈椎病的发生。所以，对于经常伏案工作 人员，低头应有节制，并注意在间歇时充分活动颈椎，经常改变体位，放 松颈部肌肉，从而改善颈椎长时间应力集中的状态，预防颈椎病的发生。 关键词：下颈椎；三维有限元；应力；生物力学；颈椎病 第二部分人工颈椎间盘置换术对邻近节段生物力学影响的三维有限元 分析 目的：近年来，颈椎的发病率逐年增加，手术治疗成为保守治疗无效 后的唯一选择。但传统融合术后可出现多种并发症问题成为困扰广大临床 医师的难题，为解决异常应力作用于融合后邻近节段的问题，自上世纪 90年代以来新兴了一种新的脊柱疾病治疗的理念，即“非融合固定技术， 又叫做“动态性固定”。颈椎间盘置换手术是在这种理念下发展的一种比较 成熟的解决方案，尤其是颈椎人工间盘置换术在临床取得优良的效果，伴 随着颈椎人工间盘置换术的成功，对颈椎人工间盘生物力学的研究方兴未 艾。 该研究作为数字模拟分析，区别与以往基于尸体建模的模式采用基于 实体建模，更能充分反映出人体的生物学特性，尤其是对韧带及人工椎间 盘假体的模拟更接近于真实结构，通过力学分析方法对模型在正常范围内 的前屈后伸、侧弯等工况的运动情况分析，了解其运动特性，并与前人一 中文摘要 些尸体试验结果及随访结果的运动情况比较，从而评价颈椎间盘置换术患 者愈后的下颈椎运动情况。 方法：选取一名行人工间盘置入术后6个月的志愿者，男性，48岁， 性结构、韧带、椎间盘及人工椎间盘假体。扫描图