基于有限元法的人体腰椎力学分析及其应用研究

论文摘要

随着科学技术的发展,研究正常腰椎在外载下的力学行为、掌握退变腰椎的发病机理、对比不同手术方案对腰椎的治疗效果成为如今生物力学的重要研究方向之一。本文首先研究了现如今主要的腰椎三维模型建立方法以及腰椎节段各组织结构的本构模型,在此基础上,通过逆向建模技术对腰椎三维模型建立方法进行改进并对椎间盘的本构模型进行了深层次的研究,建立出了可靠的腰椎有限元模型,通过有限元方法对模型进行仿真计算。进一步的应用此模型研究了腰椎退变对腰椎节段力学行为的影响,比较了采用不同椎间融合器的手术对腰椎节段力学行为的影响。本研究主要可以分为三个部分:第一部分基于图像处理技术,建立了腰椎三维模型,研究了传统理论中腰椎组织结构的本构模型和边界条件,最终对有限元模型的可靠性进行验证。其结果显示:(1)有限元模型可以真实反映腰椎在各工况下的活动度;(2)有限元模型得到的椎间盘盘内压和医学实验结果数值相差很大。第二部分通过逆向建模技术改进了建立腰椎三维模型的方法,利用超弹性本构模型改进传统理论建立的有限元模型,并对有限元网格方法进行了进一步的研究,最终对有限元模型的可靠性进行验证。第三部分将改进的腰椎有限元模型应用于研究退变腰椎力学行为和评估手术结果两个方面。针对骨质疏松和椎间盘膨出两种情况,建立了对应的退变腰椎有限元模型;针对不同材料的椎间融合器,建立了PEEK和钛合金两种材料的手术模型。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 腰椎节段生理解剖结构
•     1.2.2 退变腰椎研究现状
•     1.2.3 腰椎椎间融合手术研究现状
•     1.2.4 有限元法在腰椎生物力学的研究现状
•       1.2.4.1 椎骨有限元模型
•       1.2.4.2 椎间盘有限元模型
•       1.2.4.3 韧带和椎间关节的有限元模型
•     1.2.5 结论
•   1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 基于Mimics的腰椎有限元模型建立及模型验证
•   2.1 引言
•   2.2 建模软件与建模方法
•     2.2.1 CT基本原理
•       2.2.1.1 CT图像采集方法
•       2.2.1.2 CT图像成像原理
•       2.2.1.3 CT图像的特点
•     2.2.2 医学建模软件Mimics
•     2.2.3 Mimics软件建立椎体模型的主要步骤和方法
•   2.3 腰椎L4-L5 节段三维模型建立
•     2.3.1 腰椎L4-L5 节段椎骨三维模型建立
•       2.3.1.1 材料获取
•       2.3.1.2 切片图像处理
•       2.3.1.3 腰椎L4-L5 节段椎骨三维模型生成
•     2.3.2 腰椎L4-L5 节段椎间盘三维模型建立
•     2.3.3 腰椎L4-L5 节段椎间关节三维模型建立
•   2.4 腰椎L4-L5 节段有限元模型建立
•     2.4.1 腰椎L4-L5 节段三维模型处理
•     2.4.2 腰椎L4-L5 节段整体模型体网格生成
•     2.4.3 腰椎L4-L5 节段的材料属性
•       2.4.3.1 腰椎L4-L5 节段腰椎的材料属性
•       2.4.3.2 腰椎L4-L5 节段椎间盘及关节的材料属性
•     2.4.4 腰椎L4-L5 节段韧带的建立
•     2.4.5 腰椎L4-L5 节段有限元模型接触关系、边界条件和载荷设置
•       2.4.5.1 接触关系设置
•       2.4.5.2 边界条件设置
•       2.3.4.3 载荷设置
•   2.5 结果
•     2.5.1 有限元仿真载荷-形变验证
•       2.5.1.1 轴向载荷工况有限元仿真结果
•       2.5.1.2 前屈载荷工况有限元仿真结果
•       2.5.1.3 后伸载荷工况有限元仿真结果
•       2.5.1.4 侧弯载荷工况有限元仿真结果
•       2.5.1.5 扭转载荷工况有限元仿真结果
•     2.5.2 有限元仿真椎间盘盘内压验证
•       2.5.2.1 前屈载荷工况椎间盘盘内压验证
•       2.5.2.2 侧弯载荷工况椎间盘盘内压验证
•     2.5.3 讨论
•   2.6 本章小结
• 第三章 腰椎有限元模型改进及模型验证
•   3.1 引言
•   3.2 腰椎L4-L5 节段三维模型重建及改进
•     3.2.1 逆向建模软件Geomagic
•     3.2.2 工程建模软件Catia
•     3.2.3 腰椎L4-L5 节段腰椎三维模型改进
•       3.2.3.1 腰椎L4-L5 节段腰椎曲面模型重建
•       3.2.3.2 腰椎L4-L5 节段腰椎三维模型重建
•       3.2.3.3 腰椎L4-L5 节段椎间盘三维模型改进
•       3.2.3.4 腰椎L4-L5 节段椎间关节三维模型改进
•   3.3 腰椎L4-L5 节段有限元模型改进
•     3.3.1 腰椎L4-L5 节段整体模型体网格改进
•     3.3.2 腰椎L4-L5 节段的材料属性改进
•       3.3.2.1 腰椎L4-L5 节段腰椎的材料属性
•       3.3.2.2 腰椎L4-L5 节段椎间盘的材料属性改进
•   3.4 结果
•     3.4.1 有限元仿真载荷-形变验证
•       3.4.1.1 轴向载荷工况有限元仿真结果
•       3.4.1.2 前屈载荷工况有限元仿真结果
•       3.4.1.3 后伸载荷工况有限元仿真结果
•       3.4.1.4 侧弯载荷工况有限元仿真结果
•       3.4.1.5 扭转载荷工况有限元仿真结果
•     3.4.2 有限元仿真椎间盘盘内压验证
•       3.4.2.1 前屈载荷工况椎间盘盘内压验证
•       3.4.2.2 侧弯载荷工况椎间盘盘内压验证
•     3.4.3 椎间盘本构对结果影响
•     3.4.4 有限元模型网格密度研究
•     3.4.5 讨论
•       3.4.5.1 各载荷工况的腰椎应力分布
•       3.4.5.2 各载荷工况的椎间关节应力分布
•       3.4.5.3 建立腰椎有限元模型方法改进
•   3.5 本章小结
• 第四章 退变腰椎及其手术模拟的有限元仿真
•   4.1 引言
•   4.2 退变腰椎L4-L5 节段有限元仿真
•     4.2.1 椎间盘膨出的腰椎L4-L5 节段有限元仿真
•       4.2.1.1 椎间盘膨出的腰椎L4-L5 节段有限元模型建立
•       4.2.1.2 结果
•       4.2.1.3 讨论
•     4.2.2 骨质疏松腰椎L4-L5 节段有限元仿真
•       4.2.2.1 骨质疏松腰椎L4-L5 节段有限元模型建立
•       4.2.2.2 结果
•       4.2.2.3 讨论
•   4.3 后路腰椎椎间融合术的有限元仿真分析
•     4.3.1 腰椎L4-L5 节段手术有限元模型建立
•       4.3.1.1 建立后路腰椎椎间融合术的三维模型
•       4.3.1.2 建立后路腰椎椎间融合术的有限元模型
•     4.3.2 结果
•       4.3.2.1 前屈载荷工况有限元仿真结果
•       4.3.2.2 后伸载荷工况有限元仿真结果
•       4.3.2.3 侧弯载荷工况有限元仿真结果
•       4.3.2.4 扭转载荷工况有限元仿真结果
•     4.3.3 讨论
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 工作内容总结
•   5.2 本文主要创新点
•   5.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黎珂宇

导师: 沈星

关键词: 腰椎,三维模型,本构模型,有限元方法,腰椎退变,椎间融合器

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技

专业: 数学,数学,外科学

单位: 南京航空航天大学

分类号: R687;O241.82

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000079

总页数: 90

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