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颈枕部三维非线性有限元模型的建立及有效性验证

作　者: 王刚
导　师: 李雷
学　校: 中国医科大学
专　业: 外科学
关键词: 颈椎生物力学有限元法寰枕关节寰枢关节 simple ware
分类号: R687.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 9次
引　用: 1次
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内容摘要

目的建立正常人颈枕部更加精确的三维非线性有限元模型,验证颈枕部三维非线性有限元模型的有效性方法选择一28岁正常青年男性,利用MarConi MX8000多层螺旋CT机对其颅底-C3段进行连续扫描,获取颅底-C3段以0.48mm为层厚的序列二维Dicom格式图像,水平面图像190张、矢状位图像219张、冠状位图像199张。Simple ware软件的Scan IP模块直接读入Dicom格式原始图像,并可分别对皮质骨、松质骨、髓核及纤维环进行图像分割,数据光顺,三维重建等操作,最后生成颅底-C3节段(包括椎间盘)脊柱三维实体模型;再将此模型导入ScanFE模块,该模块能对此三维模型进行体网格划分,最终生成能够导入ANSYS11.0的格式文件;ANSYS11.0可直接导入以上三维模型,在ANSYS11.0软件中,根据每条韧带的解剖学资料建立颅底-C3段内的18组韧带单元,采用6点阶段线性法模拟韧带的力一位移曲线,定义韧带单元的材料属性,在颅底-C3节段的关节之间添加不同厚度的软骨单元和接触对,模拟关节接触的力学行为。分别赋予皮质骨、松质骨、髓核、软骨及纤维环的弹性模量和泊松比,完成颅底-C3段三维非线性有限元模型的建立。颅底-C3段三维非线性有限元模型构建完毕后,对模型施加与尸体标本力学实验相同的垂直向下40 N的预载荷及1.5 Nm力矩使其产生前屈、后伸、侧屈及旋转运动,将模型运动范围与Panjabi等的体外实验结果进行对比验证,并判断模型应力分布与临床是否相符合,进一步验证模型的有效性。结果结果构建的颅底-C3段三维非线性有限元模型包含部分枕骨、完整寰椎、枢椎、横韧带、软骨、韧带和椎间盘等重要结构。构建的三维非线性有限元模型的仿真性好,包括663551个单元,178247个节点。在40 N的预载荷及1.5Nm力矩下,各关节的运动范围分别为寰枕关节(前屈13.3°、后伸11.9°、侧屈4.3°、旋转8.7°);寰枢关节(前屈15.5°、后伸12.6°、侧屈6.4°、旋转30.8°)。在前屈、后伸、侧弯和旋转运动中的关节活动范围与尸体实验结果接近。从整个模型的纵向应力分布来看,无论处于何种相对位置状态,枢椎齿状突后方均处于比较高的应力环境下,在后伸位时齿状突应力增高区域增大。上颈椎的应力集中范围主要在椎管周围,而寰椎侧块两端和枢椎横突所受的应力相对较小,对比不同相对工况下C2-C3小关节和钩椎关节的应力分布,可以发现无论在前屈、后伸、侧屈、旋转时小关节应力均大于钩椎关节,颈枕部三维非线性有限元模型的应力分布特点符合临床实际情况。结论应用simple ware、Ansys11.0软件及多层螺旋CT机扫描得到的序列二维图像,建立的颈枕部三维非线性有限元模型符合人体真实的运动规律,可以进一步用于颈枕交界部的生物力学实验。

全文目录

一、摘要  4-8
  中文论著摘要  4-6
  英文论著摘要  6-8
二、英文缩略语  8-9
三、论文  9-25
  前言  9
  资料和方法  9-18
  结果  18-22
  讨论  22-23
  结论  23-25
四、本研究创新性的自我评价  25-26
五、参考文献  26-28
六、附录  28-43
  综述  28-41
  在学期间科研成绩  41-42
  致谢  42-43
  个人简介  43

颈枕部三维非线性有限元模型的建立及有效性验证

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