脊柱三维有限元分析模型的研究近况
经椎间孔腰椎融合术的有限元应用进展
经椎间孔腰椎融合术的有限元应用进展近年来，随着脊柱退行性疾病的发病率逐年增加，腰椎融合术不断创新，相关三维有限元分析方法日益趋向成熟。
本文对近10年来有限元在腰椎融合术的应用进展进行总结，详细阐述了经椎间孔腰椎融合术发展史、脊柱结构的有限元模型构建概要及经椎间孔腰椎融合术、内固定器械的有限元分析应用。
[Abstract] In recent years，with the incidence of spinal degenerative diseases increasing year by year and the constant innovation of lumbar spinal fusion，the three-dimensional finite element method is becoming more and more mature. This article concludes that the application of finite element method in lumbar spinal fusion in recent 10 years and explains in detail the development history of transforaminal lumbar interbody fusion （TLIF），the introduction for constructing finite element models of spine and the application of finite element analysis of TLIF and instrumentation system.[Key words] Fusion；Finite element analysis；Biomechanics；Spine脊柱退行性疾病包括腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄症、腰椎滑脱症、颈椎间盘突出症、颈椎病、经椎管狭窄症等。
20216265_脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析
㊃论 著㊃[收稿日期]2019-08-09;[修回日期]2019-10-25[基金项目]沧州市科学技术研究与发展指导计划(162302150)[作者简介]庞胤(1982-),男,河北沧州人,沧州医学高等专科学校讲师,医学硕士,从事人体解剖学研究㊂*通信作者㊂E -m a i l :186********@163.c o m脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析庞 胤1,尹 帅2*,赵长义3,刘媛媛1,张海峰1(1.沧州医学高等专科学校解剖学教研室,河北沧州061001;2.河北省沧州中西医结合医院骨科,河北沧州061001;3.河北医科大学基础医学院解剖学教研室,河北石家庄050017) [摘要] 目的建立正常脊柱腰段三维有限元模型,为生物力学研究及腰椎损伤研究提供可靠模型㊂方法采集1名健康成年男性脊柱腰段C T 和M R I 断层影像数据,应用M i m i c s 软件依据C T 数据对全部腰椎骨及骶骨上部进行三维模型重建,依据M R I 数据对L 1~L 5椎间盘髓核进行三维模型重建㊂将椎骨与髓核进行空间配准,在此基础上建立椎间盘㊁关节囊和韧带的三维模型㊂在A n s y s 中划分网格并定义材料属性,对模型施加运动性载荷模拟脊柱腰段处于前屈㊁后伸㊁侧弯和扭转等运动工况下的生物力学特征,验证模型的有效性㊂结果建立了完整的脊柱腰段三维有限元模型,包含椎骨㊁椎间盘㊁骶骨上端㊁韧带㊁关节囊等重要结构,总节点数为104190个㊁总单元数为339165个㊂模型通过有效性验证,运动工况下的角位移范围和椎间盘的应力分布特点符合腰椎的生物力学特性㊂结论本研究建立的三维有限元模型仿真度高,可用于脊柱腰段的生物力学研究以及模拟疾病和手术对腰椎生物力学的影响㊂[关键词] 三维有限元模型;脊柱腰段;椎间盘 d o i :10.3969/j .i s s n .1007-3205.2019.12.002 [中图分类号] R 322-34 [文献标志码] A [文章编号] 1007-3205(2019)12-1368-04C o n s t r u c t i o no f t h r e e -d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n tm o d e l o f l u m b a r s pi n e a n d s t r e s s a n a l ys i s o f i n t e r v e r t e b r a l d i s c P A N G Y i n 1,Y I NS h u a i 2*,Z H A O C h a n g -y i 3,L I U Y u a n -y u a n 1,Z H A N G H a i -f e n g1(1.D e p a r t m e n t o f A n a t o m y ,C a n g z h o uS e n i o rM e d i c a lC o l l e g e ,H e b e iP r o v i n c e ,C a n gz h o u 061001,C h i n a ;2.D e p a r t m e n t o f O r t h o p a e d i c s ,C a n g z h o u H o s p i t a l o f I n t e gr a t e dT C M -WM ,H e b e iP r o v i n c e ,C a n g z h o u 061001,C h i n a ;3.D e p a r t m e n t o f A n a t o m y ,t h eS c h o o l o f Ba s i cM e d i c a l S c i e n c e s ,H eb e iM e d ic a lU n i v e r s i t y ,S h i j i a z h u a n g 050017,C h i n a )[A b s t r a c t ]O b j e c t i v e T oe s t a b l i s h at h r e e -d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t m o d e lo fn o r m a l l u m b a r s p i n e ,a n d p r o v i d ear e l i a b l e m o d e l f o rb i o m e c h a n i c a l r e s e a r c ha n dl u m b a rs p i n e i n j u r y r e s e a r c h .M e t h o d s C Ta n dM R I d a t a o f l u m b a r s p i n e o f a h e a l t h y a d u l tm a l ew e r e c o l l e c t e d .T h e t h r e e -d i m e n s i o n a lm o d e lo f l u m b a rv e r t e b r a ea n du p p e rs a c r u m w a sr e c o n s t r u c t e db y M i m i c s s o f t w a r eb a s e do nC Td a t a .T h e t h r e e -d i m e n s i o n a lm o d e l o fL 1-L 5di s cn u c l e u s p u l p o s u sw a s r e c o n s t r u c t e db y M R I d a t a .T h eb i o m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e l u m b a r s p i n eu n d e r f l e x i o n ,e x t e n s i o n ,l a t e r a l b e n d i n g a n dt o r s i o n w e r es i m u l a t e db y a p p l y i n g ex e r c i s e m u s c l e l o a d s t ot h e m o d e l ,a n dv e r i f y t h e v a l i d i t y o f t h em o d e l .R e s u l t s Ac o m p l e t e t h r e e -d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n t m o d e lo fl u m b a r s p i n e w a s e s t a b l i s h e d ,i n c l u d i n g t h e i m po r t a n t s t r u c t u r e s o f v e r t e b r a ,i n t e r v e r t e b r a l d i s c ,u p p e r s a c r u m ,l i g a m e n t a n d a r t i c u l a r c a ps u l e .T h e t o t a l n u m b e r o f n o d e sw a s 104190,a n d t h e t o t a l n u m b e r o f e l e m e n t sw a s 339165.T h e a n g u l a r d i s p l a c e m e n t r a n ge a n d t h e ㊃8631㊃第40卷第12期2019年12月河北医科大学学报J O U R N A L O F H E B E I M E D I C A L U N I V E R S I T YV o l .40 N o .12 D e c . 2019s t r e s s d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e i n t e r v e r t e b r a l d i s cu n d e r t h ec o n d i t i o no f e x e r c i s ew e r e c o n s i s t e n tw i t h t h eb i o m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f t h e l u m b a r s p i n e,w h i c hv e r i f i e s t h ev a l i d i t y o f t h em o d e l.C o n c l u s i o n T h e t h r e e-d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tm o d e l e s t a b l i s h e d i nt h i ss t u d y h a s ah i g hd e g r e e o f s i m u l a t i o n,a n d c a nb eu s e d t o s t u d y t h eb i o m e c h a n i c s o f t h e l u m b a r s p i n e, t o s i m u l a t e e f f e c t s o f d i s e a s e a n d s u r g e r y o nb i o m e c h a n i c s o f l u m b a r s p i n e.[K e y w o r d s]t h r e e-d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n tm o d e l;l u m b a r s p i n e;i n t e r v e r t e b r a l d i s c脊柱腰段解剖结构复杂,负重较大且运动灵活,是临床病变的好发部位㊂其中腰椎间盘承担椎体间力的传导,并完成脊柱各向弯曲及扭转运动,易发生退变及损伤㊂通过分析脊柱腰段的生物力学特性,可以为临床分析损伤原因及疗效评估提供理论指导[1-2]㊂现有的脊柱腰段有限元模型研究重点集中于模型的结构和材料属性的仿真度,而对运动载荷多通过简单的力矩或力偶模拟,对腰椎稳定性骨骼肌和运动性骨骼肌的实际作用考虑较少[3]㊂本研究利用C T及M R I断层数据建立正常脊柱腰段三维有限元模型,施加载荷模拟腰椎屈伸㊁侧弯和扭转运动,旨在为脊柱腰段损伤及病变的发病机制㊁手术方案及疗效评价等建立数字化研究模型㊂1资料与方法1.1数据采集选取1位男性健康青年志愿者,28岁,身高178c m,体质量68k g,既往身体健康,无脊柱相关性疾病及外伤史,行腰椎X射线正侧位片和C T预扫描排除脊柱腰段的器质性病变㊂实验前将实验的相关内容告知志愿者,并征得其同意㊂志愿者取仰卧位体位,腰部放松㊂首先行螺旋C T扫描(G E公司,L i g h t s p e e d16排螺旋C T机),最终得到了247幅断层扫描二维图像㊂以相同体位行M R I扫描(P h i l i p s公司,A c h i e v a3.0T M R I机),最终获得到57幅T2W I序列矢状面二维扫描断层图像㊂所有断层图像数据均以D I C OM格式存储㊂1.2脊柱腰段三维有限元模型构建①椎骨及髓核模型:用M i m i c s15.0软件打开C T数据文件,提取椎骨轮廓,自动生成蒙板;对蒙板进行手动修整,填补空洞㊁去除无用部分,计算生成各椎骨3D模型,导入3-M a t i c软件中,进行光滑处理,最终得到结构完整且表面光滑的椎骨模型;以相同的方法基于M R I数据生成椎间盘髓核的3D模型㊂②椎间盘及韧带模型:将椎骨及髓核3D模型以S T L格式输入到3-M a t i c中利用坐标系进行对位组装;用选择工具确定相邻椎骨的下表面和上表面,翻转法线,使用f i x工具连接2个表面创建椎间盘整体外形;根据实际解剖结构在椎体上下表面利用M o v e s u r f a c e生成终板,最后通过椎间盘整体㊁终板和髓核之间进行布尔运算生成纤维环;根据脊柱腰段各韧带的解剖学参数,确定前㊁后纵韧带在脊柱腰段表面的范围,通过M o v es u r f a c e生成前韧带㊁后纵韧带模型[4];以相同方法生成黄韧带㊁棘间韧带㊁棘上韧带㊁横突间韧带㊁关节囊韧带等结构;在3-M a t i c 软件中对各3D模型组件进行光滑处理,然后进行面网格和体网格划分,以*.c d b格式输出保存㊂将c d b文件导入A n s y s15.0,在F i n i t eE l e m e n t M o d e l e r分割表面后,利用S t a t i cS t r u c t u r a l模块中的E n g i n e e r i n g D a t e定义材料属性,通过弹性模量和泊松比设置骨密质㊁骨松质㊁韧带等各部分参数,各部分单元数目及材料参数见表1㊂表1有限元模型单元数量和材料属性T a b l e1E l e m e n t n u m b e r a n dm a t e r i a l p a r a m e t e r s o ff i n i t e e l e m e n tm o d e l材料单元数量杨氏模量(E/M P a)泊松比(μ)骨密质62745120000.3骨松质1037451000.2终板100445000.4髓核1435810.5纤维环534624.20.5前纵韧带177217.80.3后纵韧带11661100.3黄韧带6772150.3棘间韧带5581100.3棘上韧带2292100.3横突间韧带4592100.3关节囊韧带46191100.3设定模型各组件之间的接触关系,关节突关节面之间设定为N oS e p a r a t i o n,其他位置均设定为B o n d㊂在骶骨下面添加F i x e dS u p p o r t,限制各向自由度㊂至此,人体脊柱腰段的三维有限元模型建立完成㊂1.3负载与骨骼肌附着点脊柱的负重载荷加载部位确定为椎体上表面和上关节突关节面,以垂直载荷300N模拟身体上部的重力;在椎骨表面根据解剖结构确定脊柱腰段主要稳定性骨骼肌的附着点㊂左右稳定肌包括横突间肌㊁回旋肌,前后稳定肌包括棘间肌㊁多裂肌㊂1.4模型有效性验证在椎间盘损伤最为好发的㊃9631㊃河北医科大学学报第40卷第12期L4~L5节段上进行模型有效性验证㊂约束L5椎体下面和下关节突关节面,限制其所有的自由度,在L4椎体上表面及关节突关节面上分别给予500N㊁1000N㊁1500N㊁2000N的轴向压缩载荷[5],测量轴向位移㊂在L4椎体上表面中部指定一节点,并在节点上施加300N的垂直载荷和10N㊃m的力矩[6],分别模拟腰椎屈伸㊁侧弯和扭转,并测量不同运动工况下腰椎的角位移范围,观察椎间盘应力的分布趋势及特点,将结果与其他研究进行比较,从而验证模型的有效性㊂2结果2.1脊柱腰段有限元模型的结构利用C T及M R I数据成功建立了外形结构真实准确㊁生物力学仿真度高的正常脊柱腰段的三维有限元模型,包括L1~L5椎骨及骶骨上部的皮质和髓质㊁纤维环㊁髓核㊁终板㊁前纵韧带㊁后纵韧带㊁黄韧带㊁棘间韧带㊁棘上韧带㊁关节突关节囊等重要结构,总节点数为104190个㊁总单元数为339165个㊂2.2模型有效性后处理计算结果显示,有限元模型L4~L5节段在500N㊁1000N㊁1500N㊁2000N 的轴向压力下,有限元模型L4轴向位移分别是0.25 mm㊁0.54mm㊁0.81mm㊁1.04mm,描绘出轴向压力-位移曲线图并与文献数据比较,该结果与在相同条件下离体实验和有限元分析的结果相近㊂模型在正常受力状态下表现出弹性特性㊂测得不同运动工况下腰椎的角位移平均值数据分别为前屈4.12ʎ㊁后伸2.83ʎ㊁侧弯3.71ʎ㊁扭转1.64ʎ,与文献中标本和有限元实验测量值相近㊂2.3脊柱腰段L4~L5腰椎椎间盘的应力分析为了进一步验证模型的有效性,对脊柱腰段有限元模型L5椎体和下关节突关节面限制其所有的自由度,在L4椎体上表面中部指定一节点,并在节点上施加300N的垂直载荷和10N㊃m的力矩,模拟了屈伸㊁侧弯㊁扭转等运动工况,观察椎间盘在不同工况下的受力情况㊂在运动工况下,应力主要集中于腰椎间盘边缘,前屈㊁后伸时,应力分别集中于椎间盘前㊁后两侧;侧弯时,椎间盘受压一侧存在着明显的应力集中,且向椎间盘中心有逐渐减小的趋势;扭转时,纤维环受到扭力后发生倾斜至牵张,且应力集中于轴向扭转方向的侧后方㊂这与人体脊柱腰段的生理特性相符㊂3讨论随着计算机技术和有限元软件的发展,利用三维有限元方法研究人体脊柱腰段生物力学特点的研究不断深入[7-8]㊂三维有限元法具有简便㊁快速㊁经济的特点,可以模拟并运算复杂条件下各种材料的力学特点,且实验具有易调整和可重复等特点,可模拟脊柱等复杂结构,使其在腰椎的力学研究中得到迅速的推广㊂构建胸腰椎三维有限元模型,是脊柱生物力学研究的有效手段;利用C T扫描图像建立模型,从多角度㊁不同方法可验证三维有限元模型的准确和实用性㊂吴小辉等[9]研究发现,三维有限元模型能很好地评估人体胸腰椎的受力状况;同时为脊柱内固定系统的稳定性提供理论依据㊂姜伟等[10]通过扫描健康成人腰椎体建立了L3~L5关节突关节未融合和融合的有限元模型,未融合模型L3/4㊁L4/5节段活动度与既往文献中腰椎活动度趋势一致㊂众多学者在构建有限元模型时主要利用C T 扫描数据建立椎骨模型,再通过软件按一般解剖结构特点手动建立椎间盘㊁韧带等软组织[11-13]㊂这样的模型中软组织较真实情况有一定差距㊂而M R I 对软组织有较好的分辨率,有学者利用M R I数据建立单独的椎间盘结构,但M R I数据对椎骨建模有欠缺㊂本研究建立完整而准确的脊柱腰段三维有限元模型,该模型包含椎骨㊁椎间盘和韧带等结构㊂本研究总结了以往建模的不足之处,对建模进行了优化,椎骨部分利用C T数据进行构建,这是由于C T对复杂形态和各种密度的组织均有较高的分辨率,尤其对高密度的骨组织成像清晰准确,确保构建出的椎骨模型精准㊂椎间盘部分利用M R I数据进行建模,由于M R I对软组织显示良好,提高了椎间盘模型的精确性㊂同时为了保证通过C T和M R I2组数据建立模型的吻合度,在数据采集和处理上采取了以下措施:①2组数据均采用D I C OM格式读取,保证了不同设备之间的兼容性,单位及坐标系参数统一,距离数据等价;②2组数据均采集自同一志愿者,采集时采用相同体位;③在M i m i c s软件中利用M R IT2序列数据建立髓核模型,这是由于该序列对含水量多的组织显示清晰,髓核边界明显,伪影相对较少,利用2组数据建立的椎骨上下表面重合对2种模型进行吻合,确定髓核的空间位置;④将建立的所有模型导入M i m i c s中,平滑㊁组装㊁检查模型质量后,利用软件中自带的3-M a t i c组件对模型进行面网格和体网格的划分㊂这一方法比直接在A n s y s软件前处理单元划分网格的效率明显提高,同时保证了有限元模型的网格质量㊂脊柱的载荷来源主要有2个途径,分别是负重㊃0731㊃河北医科大学学报第40卷第12期和骨骼肌的牵拉㊂现有的模型在生物力学模拟时,载荷形式单一,不能很好地反映脊柱受力的真实情况㊂有学者尝试探讨不同的肌力方向对人体有限元模型预测结果的影响[4]㊂但绝大部分的标本和有限元生物力学实验均没有反映脊柱腰段骨骼肌的影响㊂直立时,躯干重力线经过L4椎体中心腹侧,故脊柱常处于一种持续向前弯曲的运动状态㊂通过背侧肌的力量和韧带的牵拉来对抗维持脊柱平衡㊂当人体处于不同体位时,椎间盘内压力的变化除与负重有关外,同椎旁肌的牵拉关系密切㊂放松直立位时L3~L4椎间盘上的负荷约为测量平面以上体重的2倍㊂无负荷状态下椎间盘内存在大约10N/ c m2的内压力,如果单纯给予上半身体重载荷,会引起腰椎模型发生前倾,而引入稳定性骨骼肌载荷后,很好地维持了腰椎模型的原有姿态,更接近人体腰椎的正常状态㊂腰椎的姿态维持和运动主要依靠周围肌的作用力实现,但这些力的大小和方向是在动态调节的,单纯力的加载很难模拟真实状态㊂只能在脊柱静态稳定状态,在载荷中引入稳定肌力因素㊂椎间盘是脊柱功能重要的载荷中心和缓冲结构,在脊柱运动㊁承载㊁传递各种载荷中具有关键作用[14],也是腰椎疾病的好发部位㊂腰椎间盘应力云图结果显示,在前屈㊁后伸㊁侧弯和扭转4种工况下,应力主要集中在椎间盘边缘,且受压侧应力较集中,并向受拉侧扩散消释,这与腰椎的生物力学特性相符㊂本研究结果发现腰椎椎间盘在轴向㊁前屈㊁后伸及侧弯4种工况下,纤维环形变较大,且出现明显的应力集中㊂当扭转时,纤维环应力主要集中于侧后方,这也间接证实了椎间盘纤维环受力过大导致的纤维环破裂㊁髓核脱出即腰椎间盘突出,常发生在后外侧,是人体腰椎疾患的重要病因之一㊂本研究成功构建了脊柱腰段的三维有限元模型,且有效模拟了腰椎的生物力学特性,但也存在一些不足,需要进一步完善和改进㊂首先,有限元分析受到了各种客观因素的限制,如骨骼肌㊁肌腱㊁韧带的非线性特点难以实现准确的模拟㊂本研究中虽然引入了肌力因素,但由于脊柱活动时,肌力的大小和方向是在动态变化的,在进行有限元分析时,对骨骼肌等结构的生物力学特性进行了线性化简化处理,故结果和真实情况还存在一定误差,希望在后续研究中通过编写载荷参数曲线来进行模拟㊂其次,三维有限元模型各项参数的处理,受人为因素的影响,最终会出现运算数据值和量的差异㊂当有限元运算数据量增加时可能引起误差的增大,从而影响有限元方法分析结果的可靠性㊂最后,由于数据获取方便㊁无创性和可重复等特点,目前基于三维有限元模型进行生物力学研究较多㊂基于尸体标本测试获得的生物力学数据更接近真实情况,有较高的临床可靠性,但标本不易获取且不能重复实验㊂因此,将2种方法结合使用㊁相互验证可以提高其结果的可信度,能为各类腰椎疾病的手术设计和评估提供有效参考㊂[参考文献][1]刘治华,许伟超,徐新伟,等.腰椎牵引角度有限元分析及优化[J].郑州大学学报:医学版,2015,50(4):507-511.[2]S c h o l l u m M,W a d eK,R o b e r t s o nP,e ta l.A 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脊柱三维有限元分析模型的研究近况
综 述脊柱三维有限元分析模型的研究近况广西中医学院(南宁 530001)柴 晟1 周红海2 谢 冰2有限元(finite element FE)概念于20世纪40年代最早提出,50年代初即被用于结构设计,目前已广泛应用于工程技术各领域。
其基本原理是把一个由无限个质点构成并且有无限个自由度的连续体划分为有限个小单元体组成的集合体,此过程称为有限元模型的离散化。
用这种离散化的有限单元模型代替原有物体,根据其几何材料特性及受力条件而采用不同的单元种类,单元间有节点相连,力则通过结点传递。
Breakelmans1!和Rybick等2!首次将有限元法用于骨的应力分析。
而Belytschko等3!第1次将有限元分析法用于脊柱生物力学的研究。
由于脊柱在结构形状、材料特性以及承载等方面都比较复杂,以往的研究手段(如电测、光弹、全息照相等)难以获得全域性信息。
而有限元法可用任意形状的网络来分割区域,布置节点,对脊柱这样复杂的结构有较好的适应性4!。
随着计算机技术的飞速发展,有限单元法(finite element method FE M)在脊柱方面的研究已取得迅猛进展。
对脊柱内部结构的生理特性、病理条件下的应力分析及治疗(包括非手术及手术)等相关FE模型研究均已开展,现将近5年来国内研究近况综述如下。
1 颈椎FE模型的建立由于颈椎解剖结构及损伤机制复杂,稳定性差,不利于进行FE模型的建立和分析,故其研究相对腰椎较晚。
Yoganan dan等5!提出建立颈椎FE模型的基本原则,即模型应尽可能从解剖轮廓、材料特性、边界条件和模型验证四个方面准确描述被模拟实体。
而这四个基本原则亦可被推及应用至整个脊柱及其他研究实体。
至1995年始设立成熟的颈椎两节段三维FE模型6!,并完成了多项模拟实验7、8!。
1.1 颈椎生理载荷下的应力分析 陈新民等9!建立全颈段FE模型,计算相应生理载荷下钩椎关节、小关节的应力值后认为,钩椎关节在颈椎前屈、后伸、侧屈、旋转等多种情况下的受力总体上集中于颈椎中下段,小关节受力总体趋势与其相同。
人体脊柱全颈椎三维有限元模型研究与应用
医用生物力学 第24卷 第3期 2009年6月Journal of M edical B io m echanics,V ol .24 N o .3,Jun .2009收稿日期:2008209226;修回日期:2009202203基金项目:教育部博士学科点专项基金资助项目(20070022038)作者简介:孟庆华(19752),女,博士,讲师,研究方向:人机工程学。
通讯作者:孟庆华,Tel:131****1178;E 2mail:huaqing meng666@ 。
文章编号:100427220(2009)0320178205人体脊柱全颈椎三维有限元模型研究与应用孟庆华1, 鲍春雨1,2, 刘晋浩3(1.天津体育学院运动与康复医学工程联合实验室,天津300381;2.东北林业大学工程技术学院,哈尔滨150040;3.北京林业大学工学院,北京100083)摘要:目的 建立全颈椎(C1-C7)三维有限元模型,进行人体颈椎的生物力学特性研究,以其应用于临床的诊断和治疗。
方法 以1例健康成年女性志愿者为研究对象,利用CT 图像,基于3D 插补法,建立人体脊柱颈椎三维有限元模型。
结果 本研究成功地建立了颈椎三维数字化模型,包括7个椎体、5个椎间盘、后部结构及主要7条韧带。
模型体积为74.878c m 3,表面积为326.16c m 2。
整个模型由578007个单元,123358个节点构成。
对模型进行了加载计算,其结果能够反映颈椎的正常生理功能。
结论 本研究所建颈椎三维有限元模型高度模拟了颈椎的结构与材料特性,具有结构完整、空间结构的测量准确度高、单元划分精细、重点突出等优点。
在进行加载计算时发现,椎体、小关节、椎间盘的等效应力、剪切力前屈位时要大于后伸位,计算结果与以往实验结果基本相符,所建颈椎的三维有限元模型可以用于模拟颈椎的生物力学实验。
关键词:有限元法;模型;颈椎;生物力学中图分类号:R318 文献标志码:AS tudy on three 2di m ensional finite ele m ent m odel of cervical spine and it ’s applicationMENG Q ing 2hua 1, BAO Chun 2yu1,2, L I U J in 2hao 3.(1.The U nited L ab of Sport and Rehabilitation M edicineEngeering,Tianjin U niversity of Sport,T ianjin 300381,China;2.College of Engineering &Technique in N ortheast Forest U niversity,Haerbin 150040,China;3.Shool of Engineering,B eijing Forestry of U niversity,B eijing 100083,China )Abstract:O bjective T o establish three di m ensi onal finite ele ment model of the whole cervical s p ine and investigate bi ome 2chanic characteristic of the hu man cervical s p ine for app licati on of clinical diagnosis and therapy .M ethod A healthy adult fe male was subjected,three di m ensi onal finite ele mentmodel of the whole cervical s p ine was established using the method of 3D inter polati on with CT .Result The model included seven vertebrae ,five discs,postical structure and seven liga ments .The volu me of the whole model is 74.878cm 3,the surface area is 326.16c m 2,which consisting of 578007ele ments,123358nodes,comparing the si m ulati on data with the literature,the validity of the model was verified .Conclusions The three di m ensi onal finite ele ment model si m ulates the structure and p r operty of cervical s p ine,whose structure is whole,its ele 2ments is fine,the model is very accurate and credible .The equivalent (von M ises )stress and the shear stress of centu m,facet j oints and intervertebral disc in flexi on is higher than in extensi on,the result of the bi omechanic study was better corre 2lated with the available experi m ental data .W hich indicates that ourmodel could be used t o analyse the bi omechanics charac 2teristic of the hu man cervical s p ine f in different conditi on .Key w ords:Finite ele ment method;Model;Cervical s p ine;B i omechanics871 颈段脊柱在整个脊柱中结构较为复杂和特殊,活动度大,稳定性差,最易损伤。
基于生物力学的人体骨骼结构有限元分析
基于生物力学的人体骨骼结构有限元分析人体骨骼结构是由各种骨骼组成的复杂系统，它在支撑和保护身体的同时，也承载着各种外力。
为了更好地了解人体骨骼在运动中的应力和变形情况，可以运用有限元分析方法，通过数值模拟来研究其力学行为。
有限元分析是一种数值计算方法，它将复杂的结构分割为许多小单元，通过数学模型来近似描述原始结构的力学行为。
在应用有限元分析方法进行人体骨骼结构研究时，首先需要获取人体骨骼的三维模型数据。
这可以通过医学影像技术，如CT扫描或MRI扫描，来获取。
通过对骨骼结构进行有限元网格划分，即将骨骼模型分割为许多小单元，可以将骨骼结构分割成骨骼片、骨骼节段等。
然后，在每个小单元上建立相应的位移、应力和应变方程，通过有限元法求解这些方程，可以得到骨骼结构在受力情况下的响应。
通常，人体骨骼结构有限元分析的目的是研究其在不同负荷条件下的应力分布、应变形变和力学特性。
例如，可以模拟人体骨骼在行走、跑步、承重等运动中的应力分布情况，以评估不同运动方式对骨骼的影响。
通过有限元分析，可以进一步探索骨骼结构受力情况对人体健康的影响。
例如，可以模拟骨折的发生和愈合过程，研究骨折部位的应力分布和应变情况，为临床医生提供指导意见。
此外，有限元分析还可以研究人体骨骼的生物力学性能，如疲劳寿命、材料刚度等，为设计和优化人工骨骼植入物提供参考。
然而，基于生物力学的人体骨骼结构有限元分析也面临一些挑战和限制。
首先，人体骨骼结构的模型复杂度高，其几何形状和材料性质具有很大的个体差异性，需要准确的模型参数来进行分析。
其次，人体骨骼结构在运动中会受到多种力的作用，如集中力、均布载荷等，如何准确描述这些力对骨骼的影响，是一个难题。
此外，人体骨骼结构的生理和病理状态也会对分析结果产生影响，如骨质疏松、骨病等。
综上所述，基于生物力学的人体骨骼结构有限元分析是一种有效的研究方法，可以揭示骨骼在受力情况下的行为和性能。
通过这种方法，可以深入了解人体骨骼的力学特性，为运动损伤防护、骨折治疗和人工骨骼植入物设计提供科学依据。
MED术后生物力学三维有限元分析及治疗腰椎间盘突出症术后复发的临床研究中期报告
MED术后生物力学三维有限元分析及治疗腰椎间盘突出症术后复发的临床研究中期报告
本研究旨在使用Med技术进行腰椎间盘突出症手术后的生物力学三维有限元分析，并探讨该技术对术后复发的治疗效果。
目前已完成研究的中期报告，具体内容如下：
一、研究背景和目的
腰椎间盘突出症是腰椎病变中的一种常见病，手术治疗是目前常用的治疗方法之一。
但手术后病人易出现复发的情况，影响治疗效果和预后。
因此，本研究旨在探讨Med技术对术后复发的治疗效果，并对其进行生物力学三维有限元分析，为临床治疗提供科学依据。
二、研究方法
1.研究对象
本研究选取2018年1月至2019年12月期间，我院收治的20例腰椎间盘突出症病人作为研究对象，其中10例采用传统手术方式，另外10例采用Med技术。
2.治疗方法
传统手术方式：经后路切开皮肤、筋膜和肌肉后，通过显露椎间盘并行椎体前缘闭合半椎板切开，清除突出部分，整复椎间盘。
Med技术：利用Med设备，在透视下实时观察腰椎间盘的情况，通过微创方式切除椎间盘突出部分。
3.治疗效果评估
分别对两组病人进行术后复查，并记录手术后的疼痛情况、神经功能状态和影像学检查结果，对两组病人的治疗效果进行比较。
4.生物力学三维有限元分析
在一名正常人体上，使用Mimics软件重建L3-L4、L4-L5、L5-S1腰段椎体、椎间盘、髓核等解剖结构，利用Ansys软件建立有限元模型，进行不同手术方式下的应力分析和变形分析。
三、预期成果
本研究将探讨Med技术对腰椎间盘突出症术后复发的治疗效果，并进行生物力学三维有限元分析，为临床治疗提供科学依据，并提高手术治疗的成功率和预后。
有限元分析法在脊柱侧凸研究中的应用
有限元分析法在脊柱侧凸研究中的应用作者：徐辉王岩来源：《医学信息》2014年第12期有限元分析是现代工程设计中的一种常用工具，其被用来设计家电、汽车、飞机等。
1972年，Brekelmans[1]等首次报道将有限元分析方法应用于生物力学方面研究。
自此以后，有限元分析逐渐被广泛应用于生物力学研究，促进了人们对一些机体生物力学行为的深入理解。
1974年Belytschko等[2]于1974年建立了二维椎间盘模型。
Viviani等最早将有限元方法应用在脊柱侧凸领域[3] 。
脊柱侧凸是多因素联合导致的脊柱三维平面畸形，包括冠状面的侧向弯曲，矢状面生理曲度的异常和横断面椎体的旋转。
往往合并胸廓变形，双肩不等高等继发改变。
由于脊柱侧凸动物模型建立困难，以往研究受到较大限制。
计算机三维有限元方法的引入拓展了脊柱侧凸研究的方法。
本文就有限元法在脊柱侧凸模型的建立、发病机制、支具设计与治疗、手术技术模拟、内固定器械设计与选择等方面的应用作一综述。
1 脊柱侧凸模型的建立有限元模型的建立需要几何建模，材料赋值，边界设定和模型验证及参数优化等步骤。
目前研究者构建的脊柱有限元模型分为以下几种：①简单的脊柱整体模型。
②椎体模型。
③椎间盘和运动节段模型。
④胸腰椎模型。
⑤颈椎模型。
⑥各种不同状况及不同植入器械的脊柱活动模型。
建模数据可应用解剖数据，多平面X线照相，CT及MRI影像等。
目前应用最多的为CT扫描图像。
CT 扫描时扫描数据中可以直接将每一个三维象素转变为立方形有限单元，其优点在于通过CT扫描能够获取每一个三维象素的骨密度，同时每个单元杨氏模量、强度均表现不同。
CT 扫描是获取有限元模型几何形状数据最准确的方法，现在有软件包能够轻松转换CT、 MRI 扫描图像数据格式，以方便计算机辅助作图软件 CAD识别读取，并通过商业有限元软件把数据转化为有限元分析组件。
随着计算机技术的发展和软件的普及各种类型的脊柱侧凸模型均被研究者建立[4，5]。
有限元分析在骨科应用的研究进展
有限元分析在骨科应用的研究进展摘要：随着科技的发展，有限元分析在骨科及分支学科中得到了充分应用，两者结合作为一种新兴的方法，由于其具有精确性、可靠性等优势并且不断被完善和创新，已经骨科基础研究与临床工作中被广泛应用。
相比于传统骨科的研究模式，该方法具有明显的技术优点。
本研究以有限元分析在骨科基础研究与临床工作中的优势作为基础，分析有限元分析在骨科学中的概况和进展。
关键词：有限元分析；生物力学；创伤骨科；脊柱外科；关节外科[中图分类号]R687 [文献标识码]A [文章编号]1439-3768-（2019）-02-CR 有限元分析是一种工程力学研究方法，Brekelmans[1]在1972年，首次在骨科生物力学中运用有限元分析。
该方法对于形状各异、性能多样、载荷复杂的结构具有独特的计算能力，适用于各种复杂的生物力学分析，为医学尤其是骨科学生物力学的发展起到了积极的推动作用。
目前在有限元分析已经扩展到脊柱、四肢骨与关节、韧带及半月板，甚至骨小梁等显微骨结构的分析中，下面详细介绍其进展。
1 有限元分析的思路、方法、在生物力学理论中，有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。
利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
从而使模型的拟真度得到很大提高。
其基本过程包括：将整体离散化；确定单元计算函数；建立单元及整体刚度矩阵；求解并计算位移和应力分布等。
发展至今天，有限元分析的基本步骤一般如下：样品→三维扫描→点云数据→构建曲面→形态优化建立三维数据模型→模型材料赋值→模拟计算分析，甚至可以进一步进行计算机辅助设计，经逆向反求技术达到快速成型制造的目的。
2 目前有限元分析在骨科的应用进展借助计算机技术的发展，有限元分析在骨科的应用得到了广发应用，在图像数据获取、数据算法、计算机软件和硬件、数据模型的稳定性和仿真性等各方面都在不断进步，主要体现在以下方面。
人体脊椎腰骶段的三维有限元仿真模拟0724
人体脊椎腰骶段的三维有限元仿真模拟07241概述有限元方法是根据变分法原理求解数学上可描述的物理问题的一种数值计算方法，其基本思想是用简单问题代替复杂问题然后再求解，它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解出这个域总的满足条件，从而得到问题的近似解。
与以往的数值计算方法不同的是，有限元方法能够解决结构、材料性质和载荷情况相对较为复杂的问题。
由于人体脊椎在结构形状、材料特性以及承载能力等方面都比较复杂，以往的研究手段都难以获得全域性信息，而有限元方法可用任意形状的网格来分割区域，布置节点，尤其是对脊椎这样复杂的结构有较好的适应性。
本文将在Simpleware软件的辅助下建立人体脊椎腰骶段L3-L4段的三维有限元网格模型，然后给出实际情况中有限元应力应变的计算方法，最后利用ANSYS软件对得到的有限元网格模型进行受力仿真模拟，并比较验证了腰椎间盘突出情况下脊椎的应力应变分布。
2有限元网格模型的建立本文采用的数据是65帧连续的DICOM格式的人体脊椎矢状位图像，其中图像序列间隔为1.25mm，像素间隔也是1.25mm，分辨率为256x256，如图1所示。
基金项目：国家自然科学基金资助重点项目；首先将DICOM图像导入到专业的医学图像处理软件Simpleware 中，然后对二维DICOM数据进行手动分割，得到人体脊椎腰骶L3-L4段椎体外部、椎体内部、椎间盘、间盘内部的二维轮廓，通过三维重建得到与真实椎体高度相似的三维模型，最后对模型进行网格划分，进而得到人体脊椎腰骶段L3-L4段的三维有限元体网格模型，为下一步的有限元力学分析提供仿真模型，图2和图3分别是三维有限元模型的单元和节点表示。
图1 人体脊椎矢状位图像人体脊椎腰骶段的三维有限元建模与仿真摘要：人体脊椎的有限元仿真计算能够精确描述其在被施加集中力载荷后的应力应变情况，进而帮助验证病变手术结果的有效性。
【课题申报】脊柱手术的3D打印模型应用
脊柱手术的3D打印模型应用脊柱手术的3D打印模型应用一、研究背景和意义随着医学技术的不断进步，脊柱手术已成为治疗各类脊柱疾病的重要方法之一。
然而，由于脊柱结构的复杂性和手术的高风险性，手术前的准备工作尤为重要。
传统的手术模拟方法往往基于解剖学手册的二维图像和模拟器，无法准确地模拟患者的生理形态和病变情况。
因此，开发一种真实逼真的脊柱手术模型成为当前临床急需解决的问题。
近年来，3D打印技术的快速发展为解决上述问题提供了新的思路。
通过将患者的医学影像数据导入到3D打印软件中，可以生成患者特定的脊柱模型。
这种模型可以完全还原患者的脊柱结构，包括骨骼、软组织和病变部位等。
通过观察和操作这种真实的3D模型，医生可以提前了解患者的脊柱结构，制定更精准的手术方案，并提高手术的成功率。
因此，研究脊柱手术的3D打印模型应用具有重要的临床意义和应用前景。
二、研究目标本课题旨在开发一种基于患者特定的3D打印脊柱模型，用于脊柱手术的预处理和模拟操作。
具体目标包括：1. 收集和处理患者的脊柱医学影像数据，提取出脊柱结构的三维模型。
2. 开发脊柱手术模拟软件，将3D模型导入其中，并实现手术方案的制定和模拟操作。
3. 综合应用可生物降解材料和生物组织工程技术，制备出真实逼真的脊柱模型。
4. 验证和评估脊柱模型在脊柱手术预处理和模拟操作中的应用效果，包括手术方案制定的准确性和手术操作的可操作性。
三、研究内容和方法1. 脊柱医学影像数据的收集和处理收集患者的CT/MRI等医学影像数据，并获得相关的伦理许可。
针对影像数据进行预处理，如去除噪声、配准等。
利用医学图像处理软件进行分割和重建，提取出患者的脊柱结构。
2. 脊柱手术模拟软件的开发基于3D打印模型，开发脊柱手术模拟软件，支持实时操作和交互。
实现手术方案的制定，包括不同手术步骤的选择和操作顺序的优化。
模拟手术操作，包括骨切割、螺钉植入等，以验证手术方案的可行性。
3. 脊柱模型的制备和改善选取材料和工艺，综合应用3D打印技术和生物组织工程技术，制备出真实逼真的脊柱模型。
重度脊柱侧弯三维有限元模型模拟脊柱后路矫形术生物力学特点
Establishment of Three-dimensional Finite Element Model for Severe Rigid Scoliosis and Biomechanical Analysis of PVCR
［摘要］ 目的 建立严重僵硬性脊柱侧弯的三维有限元模型，在该模型上模拟经后路全椎体切除术 （posterior vertebral column resection，PCVR） 并分析其生物力学特点。方法 以 1 例严重僵硬性脊柱侧弯患者 CT 为基础， 使用 Mimics10.01，Geomagic studio12，UG8.0 等软件建立，优化俯卧位严重脊柱侧弯的三维有限元模型。验证模 型与患者原始资料的几何相似性以及力学有效性。利用模型模拟 PVCR 术。结果 成功建立严重僵硬性脊柱侧弯 的三维有限元模型，并验证该模型有效。利用模型完成 PVCR 术模拟。椎体切除后，断端在轴位、冠状位及矢状 位均有移位趋势；术后矫形棒应力值区间为：0.0050214e7～0.045217e7 Mpa，应力值最大区域为截骨区及上下 2 个 椎体，其应力值为 0.045217e7 Mpa，应力最小为端椎区域，为：0.0050214e7～0.025121e7 Mpa。螺钉应力值区间： 3.1108e7～2.7961e8 Mpa，其中切除椎体的上位椎体凸侧第 1 枚螺钉应力最大，为 2.4577e8 Mpa。术后端椎区域 T2/3 及 T7/8、T8/9、T9/10 椎间盘上的应力较大，椎间盘受力最大区域均位于纤维环。结论 PVCR 椎体切除区 域，断端呈三维位移趋势，增加医源性脊髓损伤的风险；该区域内植物负荷最大，是术后发生内植物损耗的易发 区域；术后交界区椎间盘承载较大应力且较集中，易出现交界区病变。
脊柱后凸治疗中的有限元应用
0 引言
脊柱后凸是一个复杂的三维畸形，多同时伴有冠状面、矢状面 的失衡，再加上人类个体化、局部畸形的复杂性等问题，其手术治 疗一直是脊柱外科医师所面临的难题。而传统的生物力学实验大 多通过动物模型和尸体标本两种方法进行，难以获得理想的结果。 有限元分析法避免了动物实验和尸体实验的困难和缺点，在兼顾 了试验的准确性和可重复性的同时提供了以往难以获得的生物力 学参数，在脊柱畸形方面研究的优势也越来越突出，因此有限元分 析方法已经成为研究脊柱畸形复杂力学特性，探讨治疗策略的重 要手段。
Application of Finite Element Method in the Treatment of Kyphosis
LIU Sheng-xiang1, XING Wen-hua2*, LI Feng2
(1. Inner Mongolia Medical University, Hohhot Inner Mongolia; 2. The Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot Inner Mongolia)
ABSTRACT: Kyphosis deformity is a complex three-dimensional deformity accompanied by coronal and sagittal imbalances. In addition to the complexity of human individualization and deformity, the surgical treatment of kyphosis still has many problems, such as high risk and many complications. Finite element method (FEM) is a new biomechanical research method with the advantages of accuracy and repeatability. It has been widely used in the study of spinal deformity and scoliosis, but the FEM study of kyphosis is not so common. The application of finite element technology in the research and treatment of kyphosis can improve the accuracy of surgery, shorten the operation time, reduce the complications of surgery, and thus improve patient satisfaction. KEY WORDS: Kyphosis; Finite element; Surgical treatment
《2024年扩张式腰椎椎间融合器的相关研究及有限元分析》范文
《扩张式腰椎椎间融合器的相关研究及有限元分析》篇一一、引言随着医疗技术的进步，腰椎疾病的治疗方法不断更新和优化。
其中，扩张式腰椎椎间融合器作为一种新型的脊柱融合技术，受到了广泛关注。
本文旨在通过对扩张式腰椎椎间融合器的相关研究进行综述，并运用有限元分析方法，对其性能进行深入研究，为临床应用提供理论依据。
二、扩张式腰椎椎间融合器的研究现状1. 融合器设计与材料扩张式腰椎椎间融合器设计精良，材料选用生物相容性良好的医用钛合金或聚醚醚酮（PEEK）等材料。
这些材料具有良好的力学性能和抗腐蚀性，有助于维持腰椎的稳定性。
此外，融合器具有独特的扩张结构，能够根据腰椎间隙大小进行自适应调整，提高融合效果。
2. 临床应用与效果多项研究表明，扩张式腰椎椎间融合器在腰椎融合手术中具有显著的优势。
其能够有效地恢复腰椎高度和角度，提高腰椎的稳定性。
同时，术后患者疼痛减轻，恢复时间缩短，生活质量得到显著改善。
此外，融合器的生物相容性和力学性能得到了广大医生和患者的认可。
三、有限元分析方法在扩张式腰椎椎间融合器研究中的应用有限元分析是一种有效的工程分析方法，能够模拟生物力学环境下的材料性能和结构响应。
在扩张式腰椎椎间融合器的研究中，有限元分析方法被广泛应用于评估融合器的力学性能、生物相容性和安全性等方面。
1. 模型建立与参数设置通过CT扫描和三维重建技术，建立腰椎的有限元模型。
将扩张式腰椎椎间融合器植入模型中，设置合理的材料参数和边界条件。
此外，还需要考虑肌肉、韧带等软组织对腰椎的影响。
2. 力学性能分析运用有限元分析软件，对腰椎进行不同方向和大小的载荷模拟，分析融合器在各种力学环境下的应力分布、变形和破坏模式。
这有助于评估融合器的力学性能和安全性。
3. 生物相容性评价通过有限元分析，可以模拟融合器与周围组织之间的相互作用，评估其生物相容性。
例如，分析融合器与骨组织的接触面积、压力分布以及骨长入等情况，为临床应用提供参考依据。
abaqus脊柱算例 -回复
abaqus脊柱算例-回复如何使用Abaqus进行脊柱有限元分析（引言）脊柱是人体重要的解剖结构之一，其稳定性和功能对人体的正常运动至关重要。
为了深入研究脊柱的力学行为和预测潜在的损伤，有限元分析成为了一个非常有用的工具。
本文将详细介绍如何使用Abaqus软件进行脊柱有限元分析，并通过一个实际的案例来演示相关步骤。
（背景知识）在进行脊柱有限元分析之前，我们需要先了解一些脊柱的基本知识。
人类脊柱分为颈椎、胸椎、腰椎、骶椎和尾椎五个部分，在正常情况下呈现出自然的生理曲线。
通过脊柱中的椎体、椎间盘和椎间关节等结构来负责传递载荷和保持稳定性。
这些结构的材料性质和几何特征都是有限元分析中需要考虑的重要参数。
（建立几何模型）在Abaqus中进行脊柱有限元分析，首先需要建立一个准确的几何模型。
可以使用Abaqus的建模工具手动创建脊柱的几何形状，也可以借助计算机辅助设计（CAD）软件进行建模。
对于后者，可以将CAD软件中创建的几何模型导入Abaqus中。
无论使用哪种方法，确保模型的几何形状和尺寸准确无误是非常重要的。
（材料属性）接下来，我们需要为脊柱的各个组成部分指定适当的材料属性，这些属性包括弹性模量、泊松比和密度等。
这些属性可以从文献中获取，或者通过实验测定获得。
在Abaqus中，可以通过定义材料属性实现这一步骤。
对于脊柱的不同区域，可以根据具体需要使用不同的材料属性。
（边界条件和加载）在分析前还需要指定适当的边界条件和加载情况。
脊柱的底部可以设置为约束，以模拟肌肉和其他身体组织对脊柱的固定作用。
加载可以通过施加各向同性或各向异性的载荷来模拟日常生活中的静态或动态载荷。
在Abaqus中，可以通过设置边界条件和加载应用程序来实现这一步骤。
（网格划分）网格划分是有限元分析中的关键步骤之一。
通过将脊柱模型划分为小的单元，我们可以近似地描述其结构和材料行为。
Abaqus提供了多种网格划分方法，如线性划分、四边形单元和三角形单元等。
有限元分析在脊柱侧凸生物力学研究中的应用及进展
有限元分析在脊柱侧凸生物力学研究中的应用及进展孙枫原; 李宗远; 何希; 杨宗德【期刊名称】《《中国组织工程研究》》【年(卷),期】2019(023)032【总页数】6页(P5221-5226)【关键词】脊柱侧凸; 有限元分析; 生物力学; 数字化骨科; 精细结构; 模拟; 病因学【作者】孙枫原; 李宗远; 何希; 杨宗德【作者单位】解放军海军军医大学基础医学院上海市 200433; 解放军海军军医大学长海医院脊柱外科上海市 200433【正文语种】中文【中图分类】R318.01; R682.3; R459.90 引言 Introduction特发性脊柱侧凸的生物力学研究对于阐明病因、预防和治疗特发性脊柱侧凸、减少特发性脊柱侧凸术后并发症是很重要的。
有限元分析法是利用有限个微小元件对实际物体的模拟分析[1]，其独有的特点和优势使其成为特发性脊柱侧凸生物力学研究的重要的方法。
有限元分析模型的构建主要有3种数据来源方式：CT图像、多平面X射线片以及MRI图像，其中以CT图像建模最为常用[1]。
导入CT扫描数据于Mimics软件中，得到扫描结构的合适阈值范围，然后利用区域增长获得骨组织结构，再擦除多余的解剖结构，得到骨组织模型。
最后对得到的骨组织模型进行适当修饰，即完成解剖结构的模拟[2]。
因为椎间盘和脊柱周围软组织在CT成像中不甚清晰，故通常椎间盘和脊柱周围软组织是通过人工设定建模而非来自CT图像的。
通常的操作是，通过Mimics 3-matic模块的建模功能和布尔运算，依次得到上下终板，纤维环和髓核，从而得到与上下椎体紧密贴合的椎间盘模型[3]。
此外还需要在相应解剖位置上构建前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、横突间韧带、棘间韧带、棘上韧带和关节囊韧带等元件。
值得注意的是，此处的建模的依据是操作者掌握的解剖学知识，髓核与纤维环的位置与大小关系、脊柱旁肌肉的附着点及走形、肋骨的附着点及走形等，都是通过人为绘制建模得到，将会难以避免地引入误差。
有限元分析法在我国脊柱外科的应用现状及医工合作前景展望
有限元分析法在我国脊柱外科的应用现状及医工合作前景展望高军伟;夏英鹏【摘要】当前,有限元分析法已经被广泛的应用到了脊柱外科领域中,应用的成效也是相对良好的,得到普遍的认可.但是不可避免的存在一些缺陷问题,诸如软硬件获取受限、通用模型匮乏以及非骨性结构建模缺少精准度等,属于对其发展构成影响的重要方面.在此文中,对于有限元分析法应用于我国脊柱外科的现状进行分析,并且提出医工合作前景的展望.【期刊名称】《中国医疗器械信息》【年(卷),期】2018(024)018【总页数】3页(P12-13,81)【关键词】有限元分析法;脊柱外科;应用现状;医工合作;前景展望【作者】高军伟;夏英鹏【作者单位】天津市人民医院脊柱外科天津 300000;天津市人民医院脊柱外科天津 300000【正文语种】中文【中图分类】R687.3有限元分析法的优势是较多的，例如能够对骨等生物结构内部受力和形状的改变等进行展示，同时把受力、形变按照直观的图形表现出来，同时也可以将脊柱内固定物自身的受力状态进行体现，或者对于相同的脊柱模型多次的展开试验，保障各干预措施施加对象具有一致性等。
所以，研究有限元分析法在我国脊柱外科的应用情况，探索未来发展的趋势意义巨大。
1.有限元分析法在我国脊柱外科的应用现状分析（一）颈椎有限元分析法在最初，颈椎有限元分析是对以二维模型替代椎体进行研究，之后发展为将CT扫描和三维重建技术为基础的椎体精细有限元网格构建，再发展为多节段颈椎椎体建模同时再现椎间盘、小关节、韧带等非骨性结构的过程。
国内的学者所形成颈椎有限元模型[1]，是采取四面体壳单元划分，以线性黏弹性材料展开处理髓核，对不同关节的关节面属性进行定义，相关的指标相似于体外实验。
也有学者形成数字力学人颈椎运动节段有限元模型、人体脊柱全颈椎三维有限元模型等[2]。
实验显示，这种模型的生物逼真度是较高的。
在应用方面，国外的学者经有限元方法再现颈椎间盘受力后的形变，我国学者展开深入的阐述脊髓损伤机制[3]。
有限元方法及国内外研究现状
现代机械设计理论与方法有限元方法学院：机械工程学院日期：2012年12月8日目录摘要 (3)关键词 (3)Abstract (3)Key Words (3)1 有限元方法的国内外研究现状及应用实例 (3)1.1 有限元的发展趋势 (3)1.2 有限元的应用实例 (3)2 有限元方法的分析过程 (4)2.1 有限元分析的三个阶段 (4)2.2 有限元分析的七个步骤 (5)2.3 有限元软件的分析过程 (6)3 参考文献 (8)有限元方法摘要：有限元方法法的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
有限元法的基本思想是先化整为零﹑再积零为整，也就是把一个连续体分割成有限个单元；即把一个结构看成由若干通过节点相连的单元组成的整体，先进行单元分析，然后再把这些单元组合起来代表原来的结构进行整体分析。
关键词：有限元方法；单元；节点Finite Element MethodAbstract：The basic concepts of the finite element method is solving complex problems with a simple question instead.The basic idea of the finite element method is dismembered, and then plot the parts into a whole, that is divided a continuum into a finite number of unit; that is to regard a structure as a whole connected by many nodes，first to analysis unit，then analysis the overall combined by these units，which represents the original structure.Key Words：finite element method；unit；node1 有限元方法的国内外研究现状及应用实例“有限单元法”这一名称是克拉夫（Clough）在1960年首先引用的。
三维有限元模型对脊柱侧凸病人的心理影响及康复护理
三维有限元模型对脊柱侧凸病人的心理影响及康复护理【关键词】三维有限元模型脊柱侧凸心理影响康复护理脊柱侧凸是一种复杂的三维空间内的畸形，包括冠状面上脊柱一个或数个节段偏离中线，形成侧方弯曲带有弧度的脊柱畸形[1]。
常常伴有脊柱的旋转畸形和矢状面上生理弯曲的变化，胸廓、肋骨、骨盆、下肢的长度也会随之变化，严重的病例，会影响到呼吸功能、心脏变位，甚至发生截瘫[2]。
因此病人产生巨大的心理压力，严重影响其生活质量。
内固定矫形脊柱畸形同时植骨融合是目前手术治疗的有效方法。
但该手术需要充分的术前准备及病人术前、术后积极而有效的配合，才能保证良好的手术效果和预后。
为了减轻病人心理负担及缩短术中手术时间，使其积极有效地配合，促进疾病早日康复，我科于2005年2月-2008年7月对78例脊柱侧凸病人使用三维有限元模型进行心理疏导及康复护理，收到良好的效果，现报告如下。
1 资料与方法1.1 一般资料 78例中，男30例，女48例，年龄13～20岁，平均15.6岁。
其中特发性脊柱侧凸47例，先天性脊柱侧凸21例，麻痹性脊柱侧凸10例。
术前冠状面畸形Cobbs角为55°～114°，平均68.5°。
1.2 方法所有病人均在住院后经细致检查和充分的术前准备后行手术治疗。
2 康复护理2.1 心理护理2.1.1 病人心理护理本组78例病人均为不同年龄的青少年，病人年龄不同心理活动各异。
我们均使用建成后的三维有限元模型为病人进行心理护理，目的让病人更直观的了解自己脊柱的侧凸程度，因所做出来的模型较精确模拟了脊柱侧凸的结构和材料特性，结构完整，单元划分精细，外观逼真，几何相似性好。
借助模型为病人讲解脊柱的解剖生理，术后成功案例等，从而提高病人对手术的信心。
鉴于此类病人特殊的心理，护理人员对于青少年病人，因畸形导致自卑心理，护理人员细心护理，同情关怀，给予积极的帮助，合理安排其生活，引导他们自立奋发，使病人的身心都得到康复。
三维有限元分析在颈椎生物力学中的研究现状
三维有限元分析在颈椎生物力学中的研究现状王友良【摘要】@@ 有限元分析(finite element analysis,FEA)属于计算生物力学测试技术的范畴,Brekelmans et al (1972年)首次将该方法引入生物力学领域.有限元模型已由二维线性扩展为非线性模型,又由二维线性模型扩展至三维非线性模型,现今的研究成果使模型不仅能逼真地模拟椎骨、椎间盘, 还能将周围的韧带、肌肉直接或间接地加入模型, 使模拟更加真实与完美.【期刊名称】《临床骨科杂志》【年(卷),期】2011(014)001【总页数】4页(P89-92)【关键词】三维有限元;颈椎;生物力学【作者】王友良【作者单位】凉山州第一人民医院外一科,四川,西昌,615000【正文语种】中文【中图分类】R318.01;R322.72有限元分析(finite element analysis,FEA)属于计算生物力学测试技术的范畴,Brekelmans et al(1972年)首次将该方法引入生物力学领域。
有限元模型已由二维线性扩展为非线性模型,又由二维线性模型扩展至三维非线性模型,现今的研究成果使模型不仅能逼真地模拟椎骨、椎间盘,还能将周围的韧带、肌肉直接或间接地加入模型,使模拟更加真实与完美。
FEA已不再是相对独立地研究脊柱的力学性质,而是与各种动力学模型、参数优化选择、临床放射学与实物测量、有机化学、组织学、免疫组化等多种方法巧妙结合,使结果更加准确可靠。
FEA作为生物力学研究方法之一,已经广泛用于颈椎各种组织的生物力学分析,目前已成为颈椎研究的热点。
本文对FEA在颈椎中研究应用现状综述如下。
1 椎体的 FEA椎体中松质骨起主要承载作用,而皮质骨则承载 10%,如果松质骨由于骨密度丢失导致骨强度下降,皮质骨就会承载余下的负荷。
骨质疏松患者中,男性的皮质骨密度下降少,所以男性比女性发生骨折的概率小。
Whyne et al(1998年)通过有限元模型证实椎体凹面与应力分布(最大应力的限度与位置)有关,在压缩载荷作用下,椎体内同时产生压应力及张应力,同此种力学环境相适应,椎体内有分别承受压应力和张应力的两种骨小梁,呈90°交叉。
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２３ 破坏性载荷 下应 力分析 ．
刘雷 等【】 立 Ｔ２ 椎体力 】建 １～
学模型 ， 对其在垂直压缩 、 缩屈 曲 、 压 分离屈 曲三种 外加 破坏
１１ 颈椎生理载荷 下 的应 力分 析 ．
陈新 民等［ 建立 全颈段 ９ １
性载荷下应力进行 分析。发 现前 两种 载荷 下椎体上 下终板 的
后缘增宽。髓 核的体积均略增大 ， 且随牵引力 、 引角度的增 牵
加而增大 ， 上部增大较下部明显 ， 且增 大率的差异较增 大量更 突 出。认为以前倾 ３￣９ Ｎ牵 引时间 可最 大程 度地增 大颈椎 ０ 、０
个 自由度的连续 体划 分为有 限个小单 元体组 成 的集合 体 ， 此
过程称为有 限元模 型的离散化 。用这种离散化 的有限单元模
的前处理 ， 其病理 Ｆ 型外观逼 真 ， Ｅ模 几何相似性好 ， 为分析和
研究该模型在各种受力情况下的生物力学表现创造 了条件 。
述被模 拟实体。而这 四个基本 原则亦 可被推及 应用至整个脊 柱及其他研究 实体 。至 １９ 始设 立成熟 的颈 椎两 节段 三 ９５年
维 Ｆ 模 型 】并完成 了多项模拟实验Ｃ ８ Ｅ ， ７】 ．。
２２ 骨质疏松椎体压缩性骨 折 ．
李健 等【】 】 通过扫 描骨质疏
松性椎体压缩性骨折患 者 Ｔ 椎体上 缘．Ｉ １ Ｌ椎体下 缘脊 柱进行
建模 ， 创造 性的综合 利用多种 Ｃ Ｄ软 硬件 ， Ｐ ／ ｎｉ ｅ 和 Ａ 及 ｍ Ｅ ｇｚ ｒ ｒ Ｆｅｆｍｍ ｄｌ ｇｓｓｍ 自由造 型模 型系统 进行 Ｆ ｒ ｏ ｅ ｒ ｏｅｎ ｔ ｉ ｙｅ Ｅ模 型构造
髓核体积 ， 利于突 出椎 间盘还纳 。
２ 胸 腰段 脊柱 Ｆ Ｅ模型 的建 立
胸腰段脊柱 因其生 理性前 后 凸转折 处 的解 剖特 性 ， 而 故 承受 比较大 的 载荷 ， 脊 柱 损 伤性 疾 病 的好 发 部 位。刘 雷 是
等ｕＪ 建立 了包括椎 体 、 间 盘、 部结 构及 韧带 等部 分胸 腰 椎 后 段活动节段 Ｆ 型 ， Ｅ模 对其有效性 、 可靠性进 行了验证 ， 为胸 认
２１ 胸腰椎体畸形 ．
胸 椎 后凸 畸形时椎 间盘 前部 的压应 力
明显增加 ， 后部出现张应力 ， 关节 面的压 应力 减小 ， 小 椎体 的
应力分 布由后 向前越来越大 。而畸形改变 了相 应椎间盘 的载
荷应 力应 变分 布， 可能加快 椎 间盘退变 及使 后方纤 维环 易 这
受损破坏 ［３ １。 ５
１ 颈椎 Ｆ Ｅ模型 的建 立
由于颈椎解剖结构及损伤机制复杂 ， 稳定性差 ， 不利 于进 行Ｆ Ｅ模型的建立和分 析 ， 其研 究相对腰 椎较 晚。Ｙ ｇｎｎ 故 ｏａａ． ｄｎ ａ 等 提出建立 颈椎 Ｆ 】 Ｅ模 型的基本 原则 ， 即模 型应 尽可 能 从解 剖轮廓 、 材料特性 、 界条 件和模 型验证 四个方面准确描 边
椎动脉变直 ， 增加有 效血 流量［） １ 。李雪 迎等［） 为 ， 引 时 ２ １认 ３ 牵 髓核上应力分布不均 ， 以后部最高 。髓核 的前 缘均略 减小 ， 而
出，Ｏ ５ 年代初 即被用 于结构设计 ， 目前 已广泛应 用于工程技术
各领域 。其基本原理是把一个 由无 限个质点构成 并且有无 限
了生理载荷下 ～不 同组成部 分 的应 力分 布， ， 验证 了颈椎重 建模 型的有效性 。
的后外侧 ， 椎体前后部 ， 密质 骨 的椎 弓根 部 、 峡部及 小关 节也
存在应力集中区 ； 分离屈 曲载荷 下棘 突上缘 、 纵韧 带 、 后 棘上 及棘问韧带、 椎问盘纤维 环后 部均 是应力 集 中区。而三种 载
腰段 Ｆ Ｅ模 型对研究 不同载荷 下脊柱 应力分 布及力 学特性 有 临床意 。
面都 比较复杂 ， 往的研究 手段 （ 电测、 以 如 光弹 、 全息 照相等 ） 难 以获得全域性信息 。而有 限元法可用任意形状 的网络来分
割 区 域 ， 置 节 点 ， 脊 柱 这 样 复杂 的结 构 有 较好 的适 应 布 对
型代替原有物体 ， 根据其几 何材料 特性及 受力条 件而 采用不 同的单 元 种 类 ， 元 间 有 节 点 相 连 ， 则 通 过 结 点 传 递。 单 力
Ｂｅｋｌａ １ Ｒ ｂ ｋ等［ 首次将有 限元法用于 骨的应力分 ｒ ｅ ｍＣ 和 ｙｉ ａ ｍ 】 ｅ ２ １ 析 。而 Ｂｌｓｈｏ 】 １ 将有 限元 分析法 用 于脊柱 生物 ｅ ｔ ｋ 等 第 次 ｙｅ 力学 的研究 。由于脊柱 在结构形 状 、 材料 特性 以及承 载等方
中央及松质骨邻近的 中央部 位应力 最高 ， 同时椎 问盘纤 维环
Ｆ 型， Ｅ模 计算相应生 理载 荷下 钩椎关 节、 小关 节 的应 力值后 认为 ， 钩椎关节在颈椎前屈 、 伸、 后 侧屈 、 旋转 等多 种情况下 的 受力总体上集 中于颈椎 中下段 ， 小关节 受力总体 趋势 与其相 同。付 裕等［ ３ 照点 、 、 、 的顺 序重建 三维结 构 ， １按 ｏ 线 面 体 分析
性Ｈ 。随着计算机技术 的飞速发展 ， 限单元 法（ｉｔ ｅ ｍ ｎ Ｊ 有 ｆ ｉ ｌ ｅｔ ｎｅ ｅ
ｍ ｔ ｄｒ Ｍ 在脊 柱方 面 的研究 已取 得迅猛 进展 。对 脊柱 内 ｅ ｏ Ｅ ） ｈ 部结构 的生理特性 、 病理条 件下 的应力分析及治疗 （ 括非手 包 术及手术 ） 等相关 Ｆ Ｅ模 型研 究均 已开展 ， 现将 近 ５年来 国内 研究近况综述如下 。
维普资讯
中医正骨 ２０ ６月第 ｌ ０ ７年 ９卷第 ６ 期
・
（ ４９ 总 ５ ）・５ ・ ９
综
述・
脊 柱 三维 有 限元分 析 模 型 的研 究近 况
广 西 中医学院 （ 南宁
柴
５００ ） ３０ １
冰
晟 周 红 海 谢
有 限元 （ ｎｅｅ ｍ ｎ Ｆ ） ｉｔ ｅ ｆｉ ｌ ｅｔ Ｅ 概念 于 ２ 世 纪 ４ ０ ０年代最 早提