一种新方法建立人体脊柱有限元模型的研究与应用

摘要

目的：寻求一种基于MRI断层图像重建人体脊柱有限元模型的方法；并应用此方法分别建立梯形开窗和矩形开窗治疗腰椎管狭窄症的L4-L5节段有限元模型，并对两个模型的稳定性进行比较，为梯形开窗术式的临床应用提供理论支持。 方法： 利用SIEMENS 3.0T MRT获得以1mm为层厚和分辨率的人体脊柱矢状位断层图像65张，Simpleware软件的ScanIP模块直接读入Dicom格式原始图像，并顺序进行图像分割，数据光顺，三维重建等操作生成L4-5节段(包括椎间盘)脊柱三维模型；再将此模型导入ScanFE模块，该模块不仅能对此三维模型进行体网格划分，还分别赋予皮质骨，松质骨，髓核及纤维环的弹性模量和泊松比，最终生成能够导入ANSYS 10.0的格式文件；ANSYS 10.0可直接导入以上三维模型，并加上前、后纵韧带，横突间韧带，黄韧带，棘上、棘间韧带以及关节囊韧带，最终获得完整的人体脊柱三维非线性有限元模型。利用此种方法分别建立梯形和矩形开窗两种治疗腰椎管狭窄症的：L4-5节段有限元模型，对比分析两种模型的稳定性，分别得到500N轴向载荷最大应变图和15NM力矩下屈伸、侧弯以及扭转的最大角度两组数据，并进行比较。 结果： 应用Simpleware软件建立了更为精确和完整的人体L4-5节段脊柱三维有限元几何模型，并能够快速生成体网格，对模型的不同部分分别赋值，最后可直接导入ANSYS 10.0有限元软件，进一步求解；对两种开窗的有限元模型的分析可知，500N轴向载荷、15NM力矩下屈伸、侧弯以及扭转的最大角度两组数据有显著差别。 结论： 薄层MRI扫描技术，Dicom标准的应用使有限元模型的建立更为精确和完整。Simpleware软件直接建立人体脊柱的有限元几何模型，并能够生成体网格，对模型的不同材料分别赋值，极大的提高了建模效率和质量；有限元分析显示梯形开窗治疗腰椎管狭窄症所获得的远期局部稳定性明显好于矩形开窗术式。

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综述 有限元分析法在脊柱研究中的应用

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