正常颈椎有限元模型建立及有效性验证

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°、...     

上颈椎失稳及其有限元模型建立的研究综述

上颈椎失稳是指当寰枕、寰枢关节因各种原因导致其结构功能减退,以致其在生理载荷下出现的过度活动或异常活动,引起一系列临床症状,严重时可致四肢瘫痪甚至死亡。因此,本文通过对近年来相关文献的整理,对上颈椎失稳的有限元研究入手,总结该病的相关生物力学特点,意在为该病的研究提供参考。     

颈椎有限元模型的建立方法及进展

详细论述建立颈椎有限元模型的四项基本准则（解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证）及其实现方法。回顾现有的一些具有代表性的颈椎有限元模型，并指出其未来发展的一些新动向。     

颈椎有限元模型的建立方法及进展

详细论述建立颈椎有限元模型的四项基本准则(解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证)及其实现方法。回顾现有的一些具有代表性的颈椎有限元模型,并指出其未来发展的一些新动向。     

Hangman骨折相关三维有限元模型的建立和验证

背景：目前有关上颈椎多节段有限元模型的相关文献很少,尚无建立Hangman骨折有限元模型的报道。 目的：建立C2~4节段正常颈椎及不同程度Hangman骨折的三维有限元模型,并对各模型进行模拟及加载验证。 方法：选择一健康成年男性志愿者进行C2~4节段CT扫描,以CT扫描图像为基础,在计算机工作站利用ANSYS等有限元分析软件,建立C2~4节段颈椎三维有限元模型,模型包括椎体和椎弓、椎间盘、韧带成分,在此模型基础上逐步模拟切断双侧C2椎弓峡部、切除C2~3前纵韧带和部分椎间盘的Hangman骨折模型,分别计算正常颈椎、不同Hangman骨折模型在模拟施加50 N载荷下,C2~3,C3~4节段三维六自由度的角位移(ROM)。 结果与结论：C2~3节段Hangman骨折加韧带椎间盘切除模型在各个方向上均较正常和固定模型ROM增大,在屈伸运动时增大最明显,而在旋转和侧屈时与正常标本相差不多。C3~4节段各组间的ROM相差不超过0.16°。各种三维有限元模型的位移和应力验证结果与实验生物力学结果基本相符,提示建立的三维有限元模型可以模拟颈椎生物力学实验。     

颈椎三维有限元模型的建立

目的 建立颈椎（C2～ C7）三维有限元模型。方法 根据1名既往无颈椎病史健康成年男性志愿者的颈椎断层CT扫描序列图像,采用Mimics1 3.1、SolidWorks2012软件进行三维重建和造型,利用ANSYS14.0软件,采用四面体网格划分方法,对颈椎及周围组织赋予不同的材料属性,建立颈椎（C2 ～C7）三维有限元模型。结果 本研究成功建立了6个椎体运动节段的三维有限元模型,模型高度模拟颈椎结构与材料特性,单元划分精细。在建立的模型上加载模拟脊柱的前屈、后伸、左右侧曲、左右旋转6种工况下的生理活动,所获得的理论分析结果与参考文献的报道一致。结论 建立的颈椎三维有限元模型可进行颈椎生物力学研究。     

全腰椎三维有限元模型的建立及其有效性验证

目的建立全腰椎及骶椎的有限元模型,为分析L4～5之间纤维环易破裂的病理提供可靠的模型。方法利用健康成人椎骨的CT影像,采用Mimics医学图像处理软件和Geomagic逆向工程软件建立L1～S1椎骨和椎间盘三维模型,再导入有限元软件Hypermesh中划分网格,并附加腰椎相关韧带,赋予材料属性,建立边界条件,构建腰椎加骶椎有限元模型;模拟腰椎受轴向压力、前弯、侧弯和后伸4种载荷下的生物力学反应。结果模型在受到10 N.m载荷作用分别发生前屈、侧弯和后伸运动下的整体刚度分别为0.61、0.7和0.75 N.m/(°),与实验结果较为吻合;轴向施加力和弯矩时L4～5之间的纤维环应变较大;纤维环在各种载荷下均出现较明显的应力集中。结论 L4～5之间纤维环局部应力集中和应变较大是导致其易破裂的原因之一;所建立的L1～S1椎体三维有限元模型符合脊柱生物力学特性,可用于脊柱生物力学的进一步研究。     

基于CT图像下颈椎C4-C6节段三维有限元模型的建立及验证

选取下颈椎C4-C6活动节段的CT图像数据建立三维模型,其中包括颈椎C4-C6节段完整的各节椎体、椎间盘、终板、关节和5种韧带等结构模型。模拟前屈、后伸、左右侧弯、左右轴向旋转6种工况下的生物力学特性,经与离体实验和有限元结果对比分析证明,验证模型的可靠性。相同条件下,模型的关节活动度和应力分布特征与他人研究结果相似。该有限元模型可以分析颈椎生物力学特性,并为下颈椎临床诊断和植入物的力学性能研究奠定良好的基础。     

关于腰椎三维有限元模型的建模及有效性验证*

[摘要]目的 利用三维有限元原理，通过三维 有限元软件创建正常人腰骶椎三 维有限元模型，并对 模型进行有效性 考证。方法 选取一名健康成年男性志愿者，在平卧非承重条件下采用螺旋CT行薄层扫描，利用数字软件Simple ware2.0、Geo magic studio9.0、Hypermesh10.0、ANS YS9.0及Abaqus6.10-l等建立正常人腰骶椎（L3-S1）模型。对健康完整模型进行四种状态（前屈、后伸、侧屈和轴向旋转）的加载分析，并将L3-L4在不同工况下的角位移与以往文献结果比较，来验证模型的有效性。结果 建立健康成年男性的L3-S1三维有限元模型，包括72158个节点，173035个单元；模型L3-L4节段在前屈、后伸、侧屈及旋转运动时的角位移数值与其他实验数据对比相似性好，各椎间盘最大Von Mises应力与文献结果一致。结论 通过有效性验证，可认为该基于正常人体L3-S1腰骶部的三维有限元模型在一定的条件下是有效的，可用于生物力学实验。     

全腰椎非线性有限元模型的建立与有效性验证

目的　为人体腰椎生物力学有限元分析建立有效的全腰椎非线性数字仿真模型。 方法　采集一名25岁的健康男性腰椎（L1~5）CT影像数据,依次通过Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013、UG8.5、Hypermesh 13.0、Abaqus6.14-4五个软件建立模型,赋予各组织对应的属性。首先进行网格收敛性测试,选取合适的网格划分方案以提高分析效率。然后通过给模型施加不同的力矩载荷来模拟腰椎的6种运动（前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转、右轴向旋转）,计算腰椎各功能节段（functional spinal unit,FSU）的活动度（range of motion,ROM）。 结果　模型得出的结果与体外试验的数据类似,两者变化趋势规律一致。 结论　本研究使用的全腰椎非线性有限元模型的建立与验证方法可用于未来脊柱相关疾病的建模与分析。     

人工颈椎间盘置换术后异位骨化三维有限元模型的建立与意义

目的建立包含完整下颈椎(C_3-C_7)的C_(5/6)节段人工颈椎间盘置换(cervical disc replacement,CDR)术后异位骨化(heterotopic ossification,HO)三维有限元模型,为CDR术后HO生物力学相关研究提供基础模型。方法将健康志愿者颈椎CT的DICOM格式数据依次使用Mimics 16.0、Geomagic 12.0及Pro/Engineer 5.0软件构建包含C_3-C_7颈椎的C_(5/6)节段CDR术后HO三维有限元模型,并观察HO对手术节段活动度和小关节压力的影响。结果本研究建立了CDR术后HO三维有限元模型,共包含394 198个单元和765 411个节点。运动加载结果显示HO发生后手术节段活动度有不同程度的下降,曲伸、侧弯及旋转活动较无HO模型减少分别20.6%、14.3%及11.3%;手术节段后方小关节应力在HO发生后在不同工况下有不同程度的下降,后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及旋转活动较无HO模型减少分别4.1%、3.7%、10.7%、26%及12.1%。结论本研究成功构建了包含C_3-C_7下颈椎的C_(5/6)节段CDR术后HO三维有限元模型,为CDR术后HO的生物力学相关研究提供了基础模型。     

颈椎有限元模型的应用进展

有限元分析法（FEA）是一种在生物力学领域广泛应用的研究方法.近年来,颈椎有限元模型已被广泛应用于研究颈椎损伤、颈椎退变及模拟各种颈椎手术,已日趋完善.回顾了颈椎有限元模型的发展,介绍了颈椎有限元建模与分析在颈椎损伤、人工椎间盘置换、椎间植骨融合、颈椎退变及颈椎失稳等方面的应用进展,展望了未来的发展趋势.     

脊柱颈胸结合部C5~T2三维有限元建模与验证

目的基于CT图像数据建立人体脊柱颈胸结合部C5~T2的三维有限元模型,并验证模型的正确性和有效性。方法采用Mimics、Geomagic和Hypermesh软件对人体脊柱颈胸结合部C5~T2椎体进行三维重建、模型修复和有限元前处理,对模型顶面施加±0.5、1、1.5、2 N·m扭矩,用于模拟人体前屈和后伸活动时所产生的载荷作用,使用ANSYS软件计算脊柱颈胸结合部C5~T2节段在前屈和后伸承受扭矩载荷作用时的关节活动度(range of motion,ROM),将计算结果与前人研究结果进行对比分析。结果人体脊柱颈胸结合部C5~T2三维模型中C5~6、C6~7、C7~T1和T1~2各节段椎体在1 N·m载荷作用下,前屈时ROM分别为4.30°、3.21°、1.66°和1.41°,后伸时ROM分别为3.47°、2.86°、0.96°和0.92°。前屈时最大应力出现在椎体前缘,后伸时椎体后缘出现较大应力。ROM和应力分布的趋势与前人研究结果相一致。结论建立的脊柱颈胸结合部三维模型精确逼真,符合脊柱颈胸结合部的生物力学特性,模拟结果可为临床病理研究和颈胸部手术术式的评价提供理论依据。     

人工颈椎间盘置换术后颈椎生物力学的有限元分析

目的研究人工颈椎间盘植入术后节段的活动以及临近节段椎间盘、椎体内应力改变。方法建立C4～C7有限元模型，于C5C6之间分别植入人工椎间枯及植骨融合，计算在正常加载下压缩、屈曲、侧偏、轴向旋转时C4C5椎间盘及C5椎体内应力变化，以及C5C6节段的活动度。结果植入人工椎间盘后，该节段的活动基本正常，植骨融合术后该节段的活动丧失60～80％。植骨融合术后在压缩状态时，临近的上下椎间盘内应力明显增加，C5椎体内应力增加幅度最人，人工椎间盘置换术后临近节段椎间盘及椎体内应力变化很小。结论人工颈椎间盘置换可以恢复颈椎的正常活动，对于临近节段的牛物力学影响甚微。     

脊柱侧凸三维有限元模型的建立及其意义

目的建立胸腰段脊柱侧凸的三维有限元模型。方法螺旋CT扫描脊柱侧凸患者T6椎体上缘至L1椎体下缘,所得图片经Photoshop处理后导入Simpleware软件,采用实体建模方法构建出每一椎体及椎间盘的实体模型,经过逆向工程软件Geomagic光滑、组装后导入有限元分析软件ABAQUS,进行网格划分建成脊柱侧凸的有限元模型。结果所建模型共划分了232315个单元,356830个节点,模型结构完整,单元划分精细,外观逼真,几何相似性好,能精确测量一定载荷下的应力和位移分布。结论本研究所建有限元模型有助于脊柱侧凸的生物力学研究,对于脊柱侧凸的治疗及个性化矫形支具的设计具有指导意义。     

颈椎人工椎间盘置换有限元分析

目的　建立C4~5节段PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘植入后的三维有限元模型,进行手术节段的运动分析。 方法 采用对成年男性的新鲜尸体的颈椎标本进行CT三维扫描方法建立C4~5节段和PrestigeTM-LP人工间盘有限元,模拟完成C4~5人工椎间盘置换手术。测量生理加载下手术节段前屈/后伸、侧弯及轴向旋转运动角度。结果 有限元模型对颈椎的结构,包括椎体间韧带、颈椎关节突关节、钩椎关节等均进行了精确的重建,并较好地模拟手术操作进行PrestigeTM-LP人工间盘植入。运动加载后运动角度,前屈5.7°,后伸3.5°,侧弯5.0°,旋转11.3°,与文献报道结果较为接近。 结论　有限元模型具有精确度高,手术模拟真实的特点,可作为颈椎人工椎间盘生物力学研究的一种较好途径。PrestigeTM-LP颈椎人工椎间盘置换可较好地保留手术节段的运动功能。     

基于Simpleware全颈椎三维有限元模型的构建与分析

目的 利用Simpleware软件构建全颈椎三维有限元模型,并对模型进行验证和分析,为探讨颈椎损伤机制提供可靠模型。方法 基于CT断层扫描图像,利用医学图像处理软件Simpleware、逆向工程软件Geomagic建立C1~7全颈椎三维实体模型,导入Hypermesh进行颈椎网格划分、添加韧带并引入小关节突接触关系等,建立C1~7全颈椎有限元模型,在ANSYS中模拟前屈、后伸、侧弯和轴向旋转工况下颈椎的生物力学性能。结果 建立的模型准确可靠,在前屈、后伸、侧弯和轴向旋转时,活动范围与文献中离体实验和有限元分析结果相近。椎间盘应力集中在椎体受压侧,C4/5最易产生应力集中。结论 建立的C1~7全颈椎有限元模型能够有效模拟颈椎的生物力学特性,为后续颈椎挥鞭样损伤的生物力学研究奠定良好的基础。