退变性脊柱侧弯三维有限元模型的建立及有效性验证

摘要

目的：建立退变性脊柱侧弯（degenerativescoliosis，DS）的三维有限元模型,并验证其有效性,为DS的进一步生物力学研究提供数字化平台。rn 方法：按照DS的纳入标准，选择1例55岁女性DS患者作为研究对象.通过SOMATOMSENSATION16螺旋CT机对DS患者的T12、完整腰椎L1～L5、S1上段脊柱进行扫描，层厚0.75mm，获取连续胸腰椎各层的二维CT图像383张，导入专门的医用生物力学有限元建模系统E-featureBiomedicalModeler，进行精确三维分割与模型重建，生成DS三维实体模型，使用自适应动态生物力学有限元网格划分器从三维实体模型直接划分生成各节段的高质量体网格，根据DS的病理特点赋予模型特定的材料属性，形成完整的DS三维有限元模型。将模型与临床X线片对比验证几何相似性，同时取构建的有限元模型中的L1～S1段脊柱，参照多节段腰椎体外实验生物力学的文献报道，对有限元模型进行相同的约束加载，将结果与体外实验结果进行比较，验证模型的有效性。rn 结果：成功构建了完整的DS三维有限元模型,包括113682个实体单元，686个缆单元，33329个壳单元，4968个目标单元，4970个接触单元，总计共157635个单元，197374个节点。模型逼真、精确的描绘了DS的结构特点，具备与研究对象极其接近的几何相似性，有限元模型加载结果与参照的体外实验结果也较接近，从而验证了该模型的有效性。rn 结论：本研究建立的DS三维有限元模型完整、逼真、精确、有效,可进一步用于DS的生物力学研究.