人工椎间盘置换腰椎节段有限元模型的建立

Ａ ＬＬ，ａｎｔ ｅｒｉ ｏｒｌ ｏｎｇｉ ｔ ｕｄｉ ｎａｌｌ ｉ ｇａｍ ｅｎｔ ；ＰＬＬ，ｐｏｓｔ ｅｒｉ ｏｒｌ ｏｎｇｉ ｔ ｕｄｉ ｎａｌｌ ｉ ｇａｍ ｅｎｔ ；ＬＦ，ｌ ｉ ｇａｍ ｅｎｔ ｕｍ ｆｌ ａｖｕｍ ；ＩＳＬ，ｉ ｎｔ ｅｒｓｐｉ ｎｏｕｓ ｌ ｉ ｇａｍ ｅｎｔ ； ＳＳＬ，ｓｕｐｒａｓｐｉ ｎｏｕｓ ｌ ｉ ｇａｍ ｅｎｔ ；Ｃ Ｌ，ｃａｐｓｕｌ ａｒｌ ｉ ｇａｍ ｅｎｔ
材料和方法
１． １ Ｌ ４／ Ｌ ５ 节段正常三维有限元模型的建立 选取新鲜成人腰椎尸体标本 １ 具 （ Ｌ １￣Ｓ ５） ， 实验前行大体解 剖检查及 Ｘ 线检查， 排除腰椎退变、 骨折、 先天畸形等改变。用 Ｇ Ｈ －Ｈ ｉ ｓｐｅｅｄ （ ＮＸ／ ｉＰｒｏ，Ｇ Ｅ Ｍ ｅｄｉ ｃａｌＳｙｓｔ ｅｍ ｓ，Ｕ ＳＡ） 螺旋 Ｃ Ｔ 对标 本 Ｌ ４／ Ｌ ５ 节段行层厚 １ ｍ ｍ 连续断层扫描， 将输出的 Ｄ ＩＣ Ｏ Ｍ 格式 图像首先转换为 Ｔ ＩＦＦ 格式图像，后转换为无损的 Ｂ Ｍ Ｐ 格式图 像， 将 Ｂ Ｍ Ｐ 格式图像文件转输入 ＰＣ 系统， 利用 Ｗ ＩＮ Ｄ Ｏ Ｗ Ｓ 自 带的画图软件对图像进行配准、 边缘分割等处理。图像配准是通
Ｃ Ｈ ＩＺｅｎｇ－ｄｅ，ＬＩＵ Ｓｈａｎｇ－ｌ ｉ ，ＺＨ Ａ Ｎ Ｇ Ｍ ｅｉ －ｃｈａｏ，ｅｔａｌ ． Ｄ ｅｐａｒｔ ｍ ｅｎｔ ｏｆ Ｏ ｒｔ ｈｏｐａｅｄｉ ｃｓ，ｔ ｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ａ ｆｆｉ ｌ ｉ ａｔ ｅｄ Ｈ ｏｓｐｉ ｔ ａｌ ｏｆ Ｓｕｎ Ｙ ａｔ －Ｓｅｎ Ｕ ｎｉ ｖｅｒｓｉ ｔ ｙ， Ｇ ｕａｎｇｚｈｏｕ， ５１０１２０， Ｃ ｈｉ ｎａ Ｔ ｏ ｄｅｖｅｌ ｏｐ ｉ ｎｔ ａｃｔ ａｎｄ ａｒｔ ｉ ｆｉ ｃｉ ａｌ ｄｉ ｓｃ ｒｅｐｌ ａｃｅｍ ｅｎｔ ａｌ ｔ ｅｒｅｄ ｔ ｈｒｅｅ ｄｉ ｍ ｅｎｓｉ ｏｎａｌ ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ Ｌ ５ ｆｏｒ ｔ ｈｅ ｓｔ ｕｄｙ ｏｆ ｌ ｕｍ ｂａｒ ｓｐｉ ｎｅ ｂｉ ｏｍ ｅｃｈａｎｉ ｃａｌ ｂｅｈａｖｉ ｏｒ． Ａ ｆｒｅｓｈ－ｆｒｏｚｅｎ ａｄｕｌ ｔ ｅｌ ｅｍ ｅｎｔ ｍ ｏｄｅｌ ｏｆ Ｌ ４／ ｌ ｕｍ ｂａｒ ｓｐｉ ｎｅ ｓｐｅｃｉ ｍ ｅｎ ｗ ａｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｐｉ ｒａｌ ｃｏｍ ｐｕｔ ｅｄ ｔ ｏｍ ｏｇｒａｐｈｙ ｓｃａｎｎｉ ｎｇ． Ｔ ｈｅ ｇｅｏｍ ｅｔ ｒｉ ｃ ｄａｔ ａ ｏｆ Ｌ ４／ Ｌ５ ｓｅｇｍ ｅｎｔ ｗ ｅｒｅ ｏｂｔ ａｉ ｎｅｄ． Ｗ ｅ ｅｓｔ ａｂｌ ｉ ｓｈｅｄ ａ ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅｌ ｅｍ ｅｎｔ ｍ ｏｄｅｌ ｏｆ Ｌ ４／ Ｌ ５ ｂｙ ｔ ｈｒｅｅ ｄｉ ｍ ｅｎｓｉ ｏｎａｌ ｉ ｍ ａｇｅ ｒｅｃｏｎｓｔ ｒｕｃｔ ｉ ｏｎ ａｎｄ ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅｌ ｅｍ ｅｎｔｓｏｆｔ ｗ ａｒｅ．Ｔ ｈｅ ｉ ｎｔ ａｃｔｍ ｏｄｅｌｗ ａｓ ｄｅｎｕｃｌ ｅａｔ ｅｄ ａｎｄ ｉ ｍ ｐｌ ａｎｔ ｅｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ＳＭ Ｈ ａｒｔ ｉ ｆｉ ｃｉ ａｌ ｉ ｎｔ ｅｒｖｅｒｔ ｅｂｒａｌ ｄｉ ｓｃ ｔ ｈｒｏｕｇｈ ａｎｔ ｅｒｉ ｏｒ ａｐｐｒｏａｃｈ． Ｄ ｉ ｆｆｅｒｅｎｔ ｍ ａｔ ｅｒｉ ａｌ ｐａｒａｍ ｅｔ ｅｒｓ ｗ ｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔ ｏ ｓｉ ｍ ｕｌ ａｔ ｅ ｓｔ ｒｕｃｔ ｕｒｅ ｐｒｏｐｅｒｔ ｉ ｅｓ ｏｆ ｌ ｕｍ ｂａｒ ｓｐｉ ｎｅ ａｎｄ ａｒｔ ｉ ｆｉ ｃｉ ａｌ ｄｉ ｓｃ． Ａ ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅｌ ｅｍ ｅｎｔ ｍ ｏｄｅｌ ｏｆ Ｌ ４／ Ｌ５ ｗ ｉ ｔ ｈ ａｒｔ ｉ ｆｉ ｃｉ ａｌ ｄｉ ｓｃ ｒｅｐｌ ａｃｅｍ ｅｎｔ ｗ ａｓ ｃｒｅａｔ ｅｄ． Ｔ ｈｅ ｍ ｏｄｅｌ ｗ ａｓ ｃｏｍ ｐｏｓｅｄ ｏｆ ５３４５２ ｅｌ ｅｍ ｅｎｔ ｓｉ ｎｃｌ ｕｄｉ ｎｇ ５３４０８ ｅｉ ｇｈｔ －ｎｏｄｅ ｓｏｌ ｉ ｄ ｅｌ ｅｍ ｅｎｔ ｓ ａｎｄ ４４ ｔ ｗ ｏ－ｎｏｄｅ ｃａｂｌ ｅ ｅｌ ｅｍ ｅｎｔ ｓ． Ａ ｃｃｕｒａｔ ｅ ｇｅｏｍ ｅｔ ｒｉ ｃ ｄａｔ ａ ｏｆ ｌ ｕｍ ｂａｒ ｓｐｉ ｎｅ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔ ａｉ ｎｅｄ ｔ ｈｒｏｕｇｈ ｓｐｉ ｒａｌ ｃｏｍ ｐｕｔ ｅｄ ｔ ｏｍ ｏｇｒａｐｈｙ ｓｃａｎｎｉ ｎｇ ａｎｄ ｔ ｈｅｎ ｗ ｅ ｃａｎ ｅｓｔ ａｂｌ ｉ ｓｈ ａ ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅｌ ｅｍ ｅｎｔ ｍ ｏｄｅｌ ｔ ｏ ｓｉ ｍ ｕｌ ａｔ ｅｌ ｕｍ ｂａｒｓｐｉ ｎｅ ｂｅｈａｖｉ ｏｒ． ａｒｔ ｉ ｆｉ ｃｉ ａｌｉ ｎｔ ｅｒｖｅｒｔ ｅｂｒａｌｄｉ ｓｃ； ｌ ｕｍ ｂａｒｓｐｉ ｎｅ； ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅｌ ｅｍ ｅｎｔｍ ｏｄｅｌ ； ｂｉ ｏｍ ｅｃｈａｎｉ ｃｓ
Ａ Ｄ Ｒ 后腰椎节段生物力学性质的改变尚缺乏研究。本 实验通过螺旋 Ｃ Ｔ 断层扫描、 图像数字化处理、 三维图 像重建技术建立 Ｌ ４／ Ｌ ５ 腰椎节段 ＳＭ Ｈ 人工椎间盘置换 模型， 以对 Ａ Ｄ Ｒ 后腰椎节段运动范围、 载荷传递、 各结 构应力分布、 应变情况进行相关研究， 评价 Ａ Ｄ Ｒ 对腰 椎节段活动和稳定性的生物力学影响。
中 国 临 床 解 剖 学 杂 志 ２００５ 年 第 ２３ 卷 第 ３ 期
・ ３０３ ・
・ 临床生物力学 ・
人工椎间盘置换腰椎节段有限元模型的建立
迟增德 １， 刘尚礼 １， 张美超 ２， 李春海 １， 黄东生 １
（ １． 中山大学附属第二医院骨科，广州 ５１０１２０； ２． 南方医科大学临床解剖学研究所，广州 ５１０５１５） Ｌ ５ 节段正常及人工腰椎间盘置换的三维有限元模型， 用于进一步的腰椎生物力 【 摘要】目的 ：建立 Ｌ ４／ 学研究。方法 ：取新鲜成人腰椎标本， 通过螺旋 Ｃ Ｔ 扫描、 图像数字化处理、 三维图像重建技术及自由造型 系统进行图像表面光滑处理， 再对表面图像矢量化， 转入有限元软件， 建立 Ｌ ４／ Ｌ ５ 腰椎节段和 ＳＭ Ｈ 人工腰 椎间盘的有限元模型， 模仿腰椎前路椎间盘摘除术， 建立人工腰椎间盘置换的三维有限元模型， 用不同的 材料参数仿真腰椎和人工椎间盘各结构特性。 结果 ：建立了 Ｌ ４／ Ｌ ５ 节段人工腰椎间盘置换的有限元模型， 模型由皮质骨、 松质骨、 椎间盘、 韧带和人工椎间盘等结构组成。模型分为 ５３ ４５２ 个单元， ８６ ３２９ 个结点， 其中包括 ５３ ４０８ 个固体单元， ４４ 个缆绳单元。结论 ：通过 Ｃ Ｔ 扫描可以获得准确的腰椎几何构型数据， 并 可在此基础上建立高仿பைடு நூலகம்脊柱节段有限元模型。 【 关键词】人工椎间盘； 腰椎； 有限元模型； 生物力学 【 中图分类号】Ｒ ３１８． ０１ 【 文献标识码】Ａ 【 文章编号】１００１－１６５Ｘ （ ２００５） ０３－０３０３－０４
部位 Ｍ ａｔ ｅｒｉ ａｌ 皮质骨 Ｃ ｏｒｔ ｉ ｃａｌｂｏｎｅ 松质骨 Ｃ ａｎｃｅｌ ｌ ｏｕｓ ｂｏｎｅ 骨性终板 Ｂ ｏｎｙ ｅｎｄｐｌ ａｔ ｅ 纤维环基质 Ａ ｎｎｕｌ ｕｓ ｇｒｏｕｎｄ 纤维环纤维 Ａ ｎｎｕｌ ｕｓ ｆ ｉ ｂｅｒ 髓核 Ｎ ｕｃｌ ｅｕｓ ｐｕｌ ｐｏｓｕｓ 关节软骨 Ｆａｃｅｔｃａｒｔ ｉ ｌ ａｇｅ 前纵韧带 Ａ ＬＬ 后纵韧带 ＰＬＬ 黄韧带 ＬＦ 棘间韧带 ＩＳＬ 棘上韧带 ＳＳＬ 关节囊韧带 Ｃ Ｌ 盖板 Ｅ ｎｄｐｌ ａｔ ｅ 滑动核 Ｓｌ ｉ ｄｉ ｎｇ ｃｏｒｅ 单元类型 Ｅｌ ｅｍ ｅｎｔｔ ｙｐｅ 固体单元 Ｓｏｌ ｉ ｄ 固体单元 Ｓｏｌ ｉ ｄ 固体单元 Ｓｏｌ ｉ ｄ 固体单元 Ｓｏｌ ｉ ｄ 缆绳单元 Ｃ ａｂｌ ｅ 固体单元 Ｓｏｌ ｉ ｄ 固体单元 Ｓｏｌ ｉ ｄ 缆绳单元 Ｃ ａｂｌ ｅ 缆绳单元 Ｃ ａｂｌ ｅ 缆绳单元 Ｃ ａｂｌ ｅ 缆绳单元 Ｃ ａｂｌ ｅ 缆绳单元 Ｃ ａｂｌ ｅ 缆绳单元 Ｃ ａｂｌ ｅ 固体单元 Ｓｏｌ ｉ ｄ 固体单元 Ｓｏｌ ｉ ｄ 单元划分 Ｎ ｏ．ｏｆｅｌ ｅｍ ｅｎｔ ｓ ４１２２ ４４４０７ ２４１ １８００ １６ ３５６ ２７８ ４ ３ ４ ４ ３ １０ １８０３ １５３３ 弹性模量（ Ｍ Ｐａ） Ｅｌ ａｓｔ ｉ ｃ ｍ ｏｄｕｌ ｕｓ（ Ｍ Ｐａ） １２０００ １００ １２０００ ４． ２ ４５０ １． ０ ２５ ２０ ７０ ５０ ２８ ２８ ２０ １１０００ ５７００ 泊松比 Ｐｏｉ ｓｓｏｎ ｒａｔ ｉ ｏ ０． ３ ０． ２ ０． ３ ０． ４５ ０． ３ ０． ４９９９ ０． ４ ０． ３ ０． ３ ０． ３ ０． ３ ０． ３ ０． ３ ０． ３６ ０． ４７
下腰痛是现代社会中一种常见病和多发病， 是导致 劳动力丧失的主要原因之一。下腰痛的具体机制并不 十分清楚，但椎间盘退变是引起下腰痛的一个重要原 因 ［１］。 目 前 ， 人 工 椎 间 盘 置 换 术（ ａｒｔ ｉ ｆｉ ｃｉ ａｌ ｄｉ ｓｃ ｒｅｐｌ ａｃｅｍ ｅｎｔ ，Ａ Ｄ Ｒ） 已成为治疗腰椎间盘退变性疾病新 的有效方法 ［２￣５］。Ａ Ｄ Ｒ 可以恢复椎间隙高度， 扩大椎间 孔， 维持腰椎节段的三维运动和稳定， 消除椎间盘退变 所致下腰痛。随着对脊柱生物力学机制认识的加深和 材料学的发展， 人工椎间盘的设计、 制造已日渐成熟， 并有多种 设计的人工 腰椎间盘广 泛应用于临 床 ， 但
表 １ ＳＭ Ｈ 人工椎间盘置换腰椎节段有限元模型的单元划分和材料特性 Ｔ ａｂ． １ Ｅｌ ｅｍ ｅｎｔｔ ｙｐｅｓ ａｎｄ ｍ ａｔ ｅｒｉ ａｌｐｒｏｐｅｒｔ ｉ ｅｓ ｕｓｅｄ ｉ ｎｔ ｈｅ ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅｌ ｅｍ ｅｎｔｍ ｏｄｅｌｏｆＬ ４／ Ｌ ５ ｓｅｇｍ ｅｎｔ ｗｉ ｔ ｈ ＳＭ Ｈ ａｒｔ ｉ ｆｉ ｃｉ ａｌｄｉ ｓｃ ｒｅｐｌ ａｃｅｍ ｅｎｔ
过每张图像上的四个定位杆来完成， 以保证上、 下层图像在重建 过程中的连续性； 边缘处理则是把腰椎部位的图像与周围组织通 过灰度值区分开， 以保证对腰椎结构有选择性地进行重建。每层 图像经初步处理完成后输入三维重建软件 Ｍ ｉ ｍｉ ｃｓ 系统，进行格 式转换， 对腰椎节段进行三维立体图像重建。然后将重建模型导 入三维自由造型系统 Ｆｒｅｅ Ｆｏｒｍ ｐｌ ｕｓ （ Ｓｅｎｓ Ａ ｂｌ ｅ 公司） ， 对三维计 算机模型进行光滑及除噪， 并根据需要对模型进行切割、 填充、 缩 放、变形等图像处理。利用有限元分析软件 Ａ ｎｓｙｓ ５． ４（Ｓｗ ａｎｓｏｎ !"#$%&’( )*+,-./0 12345 6789:;<= >?@AB CDE F对腰椎运动节段中不 同材料特性的组件分别进行造型，建立 Ｌ ４／ Ｌ ５ 节段的三维有限元 模型， 并对模型进行网格划分。
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Ｃ Ｈ ＩＮ Ｅ ＳＥ ＪＯ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ Ｃ ＬＩＮ ＩＣ Ａ Ｌ Ａ Ｎ Ａ Ｔ Ｏ Ｍ Ｙ Ｖ Ｏ Ｌ．２３ Ｎ Ｏ ． ３ ２００５ １． ２ ＳＭ Ｈ 人工腰椎间盘 （ ａｒｔ ｉ ｆｉ ｃｉ ａｌｉ ｎｔ ｅｒｖｅｒｔ ｅｂｒａｌｄｉ ｓｃ，Ａ ＩＤ） 置换 有限元模型的建立 实验采用的为 ＳＭ Ｈ 新型人工腰椎间盘，由我院刘尚礼、 黄 东生教授研制［６］。假体由上下两个钛合金盖板和中间的超高密度 聚乙烯滑动核组成。根据人工椎间盘的工业设计图， 利用有限元 软件 Ａ ｎｓｙｓ 的三维几何建模功能，建立了人工椎间盘的三维模 型， 然后模仿前路腰椎间盘摘除术， 将椎间盘中央的髓核单元去 除，将 Ｌ ４／ Ｌ ５ 运动节段模型的椎间盘置换为人工椎间盘，形成 Ａ Ｄ Ｒ 的腰椎节段模型。各材料特性均参考文献报道确定 ［７￣１０］ （ 表 １） 。
【 收稿日期】 ２００４－１０－２３ 【 基金项目】 广东省卫生厅医学科研基金资助项目（Ａ ２００４１９５） 【 作者简 介】 迟增德 （ １９７５－ ） ， 男， 山东胶州人， 博士， 主要从事脊柱外 科基础与临床研究， Ｔ ｅｌ （ ：０２０） ８１０９０８４７，Ｅ －ｍ ａｉ ｌ ： ｃｚｄ６３＠ １６３． ｃｏｍ 。 【 通讯作者】 刘尚礼， 教授， 博士生导师， Ｔ ｅｌ （ ：０２０） ８１３３２５５３