頸枕部三維非線性有限元模型的建立及有效性驗證.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、目的:建立正常人頸枕部更加精確的三維非線性有限元模型,驗證頸枕部三維非線性有限元模型的有效性 方法:選擇一28歲正常青年男性,利用MarConi MX8000多層螺旋CT機對其顱底—C3段進行連續(xù)掃描,獲取顱底—C3段以0.48mm為層厚的序列二維Dicom格式圖像,水平面圖像190張、矢狀位圖像219張、冠狀位圖像199張。Simple ware軟件的Scan IP模塊直接讀入Dicom格式原始圖像,并可分別對皮質骨、松質骨、

2、髓核及纖維環(huán)進行圖像分割,數據光順,三維重建等操作,最后生成顱底—C3節(jié)段(包括椎間盤)脊柱三維實體模型;再將此模型導入ScanFE模塊,該模塊能對此三維模型進行體網格劃分,最終生成能夠導入ANSYS11.0的格式文件;ANSYS11.0可直接導入以上三維模型,在ANSYS11.0軟件中,根據每條韌帶的解剖學資料建立顱底—C3段內的18組韌帶單元,采用6點階段線性法模擬韌帶的力一位移曲線,定義韌帶單元的材料屬性,在顱底—C3節(jié)段的關節(jié)之

3、間添加不同厚度的軟骨單元和接觸對,模擬關節(jié)接觸的力學行為。分別賦予皮質骨、松質骨、髓核、軟骨及纖維環(huán)的彈性模量和泊松比,完成顱底—C3段三維非線性有限元模型的建立。顱底—C3段三維非線性有限元模型構建完畢后,對模型施加與尸體標本力學實驗相同的垂直向下40 N的預載荷及1.5 Nm力矩使其產生前屈、后伸、側屈及旋轉運動,將模型運動范圍與Panjabi等的體外實驗結果進行對比驗證,并判斷模型應力分布與臨床是否相符合,進一步驗證模型的有效性。

4、 結果:構建的顱底—C3段三維非線性有限元模型包含部分枕骨、完整寰椎、樞椎、橫韌帶、軟骨、韌帶和椎間盤等重要結構。構建的三維非線性有限元模型的仿真性好,包括663551個單元,178247個節(jié)點。在40 N的預載荷及1.5Nm力矩下,各關節(jié)的運動范圍分別為寰枕關節(jié)(前屈13.3°、后伸11.9°、側屈4.3°、旋轉8.7°);寰樞關節(jié)(前屈15.5°、后伸12.6°、側屈6.4°、旋轉30.8°)。在前屈、后伸、側彎和旋轉運動中

5、的關節(jié)活動范圍與尸體實驗結果接近。從整個模型的縱向應力分布來看,無論處于何種相對位置狀態(tài),樞椎齒狀突后方均處于比較高的應力環(huán)境下,在后伸位時齒狀突應力增高區(qū)域增大。上頸椎的應力集中范圍主要在椎管周圍,而寰椎側塊兩端和樞椎橫突所受的應力相對較小,對比不同相對工況下C2—C3小關節(jié)和鉤椎關節(jié)的應力分布,可以發(fā)現無論在前屈、后伸、側屈、旋轉時小關節(jié)應力均大于鉤椎關節(jié),頸枕部三維非線性有限元模型的應力分布特點符合臨床實際情況。 結論:應

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