三維有限元法在脊柱生物力學研究中的應用.pdf

1、第一部分應用三維有限元模型研究下頸椎在前屈后伸情況下的應力變化
　　 目的：頸椎病是脊柱外科常見疾病之一，其發(fā)病因素與脊柱生物力學密切相關。在目前研究生物力學的方法中，動物實驗、物理實驗和體外（尸體）實驗都無法達到預期效果，三維有限元方法作為一種新技術，有優(yōu)于其它實驗之處，可在持續(xù)性研究中重復及改變任何質量與定量變化，同時提供了局部及內部的反應機制，從而被越來越廣泛應用。頸椎是一個功能性整體，各部分相差懸殊，應力傳導復雜，如果采

2、用脊柱功能單位（FSU）難以反應整體情況，因此本課題通過應用有限元方法建立下頸椎（C3-C7）的三維模型，研究頸椎在前屈后伸兩種情況下的應力變化，從生物力學角度闡明頸椎病發(fā)病機制，為臨床疾病的預防提供參考。此外，本模型的建立也可以應用于臨床內固定器械的設計和術式的分析，為以后將有限元方法推廣到臨床疾病的治療奠定了基礎。
　　 方法：選取一健康女性志愿者，25歲，體重65kg，身高170cm，行CT掃描，層厚1mm，層間距0mm，

3、掃描范圍包括C3-C7全部骨性結構及椎間盤。掃描圖片共90張，實際建模采用中間有效部位75張。將掃描數(shù)據存入可讀寫光盤。在處理原始圖片前，將骨組織區(qū)域和椎間盤區(qū)域在圖像處理軟件Photoshop中進行分割并分別保存為JPG格式。運用C語言自行編寫的數(shù)字圖像處理程序對分割后的圖像進行邊緣檢測，提取邊界坐標，將每塊骨的外輪廓三維坐標分別存儲為單獨的點云文件。將采集的點云文件輸入逆向工程軟件Geomagic，生成的實體模型經過組裝，以IGES

4、格式存儲。從Geomagic里生成的實體模型IGES文件，導入到有限元分析軟件Ansys9.0中去。對每個椎體和椎間盤，用三維十節(jié)點四面體結構實體單元SOLID92進行網格劃分；對韌帶，本模型采用了三維僅受拉桿單元LINK10。整個模型共有110577個節(jié)點，69616個單元。將模型底面固定，在C3上面垂直加載頭顱重量，再對模型進行加載2 N.m的力矩使模型前屈后伸，不至于使頸椎產生任何損傷，得到相應的等效應力分布圖。
　　 結

5、果：由等效應力分布圖可以看出，總體上，下頸椎小關節(jié)應力由上至下逐漸增大，主要集中于C4-5，C5-6之間。前屆時以C5-6，C6-7應力較大，后伸時以C4-5，C5-6應力較大。小關節(jié)前屈時Z軸上受拉應力，后伸時Z軸上受壓應力。說明小關節(jié)在后伸時起承受和傳導載荷的作用。鉤椎關節(jié)的變化在此圖上不明顯。
　　 結論：小關節(jié)在前屈、后伸兩種工況下的受力，總體上集中于頸椎中下段，而且主要集中于C4-5，C5-6之間。這一結論從生物力學角

6、度闡述了小關節(jié)退變多見于中下段，特別是C4-6節(jié)段。所以，當人體處于長時間不良姿勢（頸椎前屈）的情況下，會使局部應力（尤其是小關節(jié)的應力）增加，應力增加導致了骨質增生，嚴重骨質增生又會刺激神經根等軟組織，如此反復，惡性循環(huán)，最后導致頸椎病的發(fā)生。所以，對于經常伏案工作人員，低頭應有節(jié)制，并注意在間歇時充分活動頸椎，經常改變體位，放松頸部肌肉，從而改善頸椎長時間應力集中的狀態(tài)，預防頸椎病的發(fā)生。
　　 第二部分人工頸椎間盤置換術對

7、鄰近節(jié)段生物力學影響的三維有限元分析
　　 目的：近年來，頸椎的發(fā)病率逐年增加，手術治療成為保守治療無效后的唯一選擇。但傳統(tǒng)融合術后可出現(xiàn)多種并發(fā)癥問題成為困擾廣大臨床醫(yī)師的難題，為解決異常應力作用于融合后鄰近節(jié)段的問題，自上世紀90年代以來新興了一種新的脊柱疾病治療的理念，即“非融合固定技術”，又叫做“動態(tài)性固定”。頸椎間盤置換手術是在這種理念下發(fā)展的一種比較成熟的解決方案，尤其是頸椎人工間盤置換術在臨床取得優(yōu)良的效果，伴隨著

8、頸椎人工間盤置換術的成功，對頸椎人工間盤生物力學的研究方興未艾。
　　 該研究作為數(shù)字模擬分析，區(qū)別與以往基于尸體建模的模式采用基于實體建模，更能充分反映出人體的生物學特性，尤其是對韌帶及人工椎間盤假體的模擬更接近于真實結構，通過力學分析方法對模型在正常范圍內的前屈后伸、側彎等工況的運動情況分析，了解其運動特性，并與前人一些尸體試驗結果及隨訪結果的運動情況比較，從而評價頸椎間盤置換術患者愈后的下頸椎運動情況。
　　 方法

9、：選取一名行人工間盤置入術后6個月的志愿者，男性，48歲，身高170cm，體重75kg，未發(fā)現(xiàn)骨性異常與脊柱畸形，行CT掃描機，自上而下行螺旋掃描，層厚0.6mm，層間距0mm，掃描范圍包括C4-C7全部骨性結構、韌帶、椎間盤及人工椎間盤假體。掃描圖片共392張，實際建模采用中間有效部位367張。將掃描數(shù)據存入可讀寫光盤。運用自行編寫的c語言數(shù)字圖像處理程序圖像對C4-C7骨性結構和椎間盤區(qū)域進行邊緣檢測，提取邊界坐標，并整理成點云文件

10、。將點云文件輸入逆向工程軟件Geomagic，在其中模型經歷點階段（Point Phase）、多邊形階段（Polygon Phase）、成形階段（Shape Phase）等三個處理階段，生成NURBS曲面。由NURBS曲面構造的實體模型通過IGES文件導入到有限元分析軟件Ansys9.0中去，對椎體皮質骨、松質骨、椎間盤用三維十節(jié)點四面體結構實體單元進行網格劃分，上下終板和纖維環(huán)被簡化成一體，中間髓核部分被區(qū)分出來。對C7下表面全自由度

11、約束，在C4椎體上表面分別加載均為2 N.m前屈、后伸、側彎和軸向旋轉的彎矩。主要計算分析各脊柱功能單元（FSU）椎體相對旋轉的運動螺旋軸（HAM）及繞軸旋轉的角度。
　　 結果：根據人工間盤置入術愈后人體頸椎CT片和運用c語言自行編寫的數(shù)字圖像處理程序提取邊界坐標，建立包含Bryan人工頸椎間盤假體的下頸椎三維有限元模型，使模型的幾何形狀與結構較好地模擬了愈后Bryan假體與周圍組織的關系。另外以包含有Bryan人工假體的下頸

12、椎為整體建立了C3-C7有限元模型，更加符合臨床要求。
　　 將計算該模型的運動情況得出的結果與前人試驗結果相比較，計算結果基本在試驗結果范圍內或者運動趨勢基本一致，其中后伸狀態(tài)計算結果略偏大，這可能與術中切除C5-C6段的前縱韌帶有關。
　　 結論：人工頸椎間盤置換術有效的改善了脊柱功能單位的生物力學性能，但需謹慎選擇人工椎間盤的大小，并且最大限度保留終板骨性組織，以避免出現(xiàn)術后假體下沉、移位、脫出、節(jié)段后凸等不良影響

13、。
　　 第三部分椎體成形術治療老年骨質疏松椎體壓縮性骨折對鄰近節(jié)段生物力學的影響
　　 目的：近年來，經皮椎體成形術（PVP）和球囊擴張后凸成形術（KP）已成為治療老年人骨質疏松椎體壓縮性骨折的常用微創(chuàng)手術方法。但就國內外已有的相關報道來看，球囊擴張后凸成形術（KP）比（PVP）有著更好的恢復椎體高度，糾正脊柱后凸畸形的效果，而且骨水泥滲透率相對更低。然而隨著KP在臨床上廣泛應用，學者們也越發(fā)的關注術后鄰近椎體骨折的問

14、題，目前已有一些關于PVP術后類似病發(fā)證的報道，但由于PVP與KP從術式特點上確有不同，而且關于計算機模擬KP術后鄰近椎體的生物力學變化的研究較少。
　　 因此，建立術前、術后兩個脊柱功能單元的三維有限元模型。為了能充分反映出人體的生物學特性，區(qū)別與以往基于尸體建模的模式，采用基于患者的實體建模，加強對椎間盤、皮質骨、松質骨、韌帶及后部結構的模擬，使其更接近與真實結構[1]。觀察模型在正常范圍內的垂直壓縮、前屈后伸、側彎情況下，

15、手術前后強化椎體、鄰近椎體、鄰近椎間盤和后部結構的生物力學變化，研究KP對鄰近節(jié)段的生物力學影響。
　　 方法：隨機選取一名老年骨質疏松壓縮性骨折病人，女性，68歲，身高160cm，體重55kg，先行X線檢查，排除椎體壓縮骨折以外的其他可見的脊柱病變，采用西門子CT掃描機，自上而下行螺旋掃描，掃描范圍包括T11-L1全部骨性結構、韌帶及椎間盤，行CT掃描機，自上而下行螺旋掃描，層厚0.6mm，層間距0mm，掃描范圍包括T11-L

16、1全部骨性結構、韌帶和椎間盤。掃描圖片共789張，實際建模采用中間有效部位745張。將掃描數(shù)據存入可讀寫光盤。運用自行編寫的c語言數(shù)字圖像處理程序圖像對T11-L1骨性結構和椎間盤區(qū)域進行邊緣檢測，提取邊界坐標，并整理成點云文件。將點云文件輸入逆向工程軟件Geomagic，在其中模型經歷點階段（Point Phase）、多邊形階段（Polygon Phase）、成形階段（Shape Phase）等三個處理階段，生成NURBS曲面。由NU

17、RBS曲面構造的實體模型通過IGES文件導入到有限元分析軟件Ansys9.0中去，對椎體皮質骨、松質骨、椎間盤用三維十節(jié)點四面體結構實體單元進行網格劃分，上下終板和纖維環(huán)被簡化成一體，中間髓核部分被區(qū)分出來。固定L1下終板和部分小關節(jié)部位，自T11上終板豎直向下均勻加載300N，觀察T11-T12椎間盤，T12-L1椎間盤，T11下終板，L1上終板的應力變化；然后于T11上終板加載轉矩為10N.m的應力，觀察測試其在前屈、后伸、側屈、軸

18、向旋轉狀態(tài)下的應力變化。
　　 結果：在垂直荷載壓力下，T11下終板和L1上終板表面應力與術前相比，應力分布有所變化，但并無明顯增加，而且遠低于相關實驗研究所報道[14]的終板受損變形的最低值；T11-T12椎間盤和T12-L1椎間盤所受應力，與術前相比，雖然低于相關文獻報道所能承受的最大值，但應力明顯增大。
　　 結論：球囊擴張后凸成形術有效的改善了脊柱功能單位的生物力學性能，有效的恢復了術椎的高度，對鄰近椎體未產生較