脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析

doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2019.12.002

河北医科大学学报

脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析

1.沧州医学高等专科学校解剖学教研室，河北沧州 061001；2.河北省沧州中西医结合医院骨科，河北沧州 061001；
3.河北医科大学基础医学院解剖学教研室，河北石家庄 050017

出版日期:2019-12-25 发布日期:2019-12-26
作者简介:庞胤(1982-)，男，河北沧州人，沧州医学高等专科学校讲师，医学硕士，从事人体解剖学研究。
基金资助:
沧州市科学技术研究与发展指导计划（162302150）

Construction of three-dimensional finite element model of lumbar spine and stress analysis of intervertebral disc

1.Department of Anatomy, Cangzhou Senior Medical College, Hebei Province ,Cangzhou 061001, China;
2.Department of Orthopaedics, Cangzhou Hospital of Integrated TCM-WM, Hebei Province,
Cangzhou 061001, China; 3.Department of Anatomy, the School of Basic Medical
Sciences, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050017, China

Online:2019-12-25 Published:2019-12-26

摘要/Abstract

摘要： ［摘要］
目的建立正常脊柱腰段三维有限元模型，为生物力学研究及腰椎损伤研究提供可靠模型。
方法采集1名健康成年男性脊柱腰段CT和MRI断层影像数据，应用Mimics软件依据CT数据对全部腰椎骨及骶骨上部进行三维模型重建，依据MRI数据对L1~L5椎间盘髓核进行三维模型重建。将椎骨与髓核进行空间配准，在此基础上建立椎间盘、关节囊和韧带的三维模型。在Ansys中划分网格并定义材料属性，对模型施加运动性载荷模拟脊柱腰段处于前屈、后伸、侧弯和扭转等运动工况下的生物力学特征，验证模型的有效性。
结果建立了完整的脊柱腰段三维有限元模型，包含椎骨、椎间盘、骶骨上端、韧带、关节囊等重要结构，总节点数为104 190个、总单元数为339 165个。模型通过有效性验证，运动工况下的角位移范围和椎间盘的应力分布特点符合腰椎的生物力学特性。
结论本研究建立的三维有限元模型仿真度高，可用于脊柱腰段的生物力学研究以及模拟疾病和手术对腰椎生物力学的影响。

关键词: 三维有限元模型, 脊柱腰段, 椎间盘

Abstract: ［Abstract］ Objective〖HTSS〗To establish a three-dimensional finite element model of normal lumbar spine, and provide a reliable model for biomechanical research and lumbar spine injury research.
〖WTHZ〗Methods〖HTSS〗CT and MRI data of lumbar spine of a healthy adult male were collected. The three-dimensional model of lumbar vertebrae and upper sacrum was reconstructed by Mimics software based on CT data. The three-dimensional model of L1-L5 disc nucleus pulposus was reconstructed by MRI data. The biomechanical characteristics of the lumbar spine under flexion, extension, lateral bending and torsion were simulated by applying exercise muscle loads to the model,and verify the validity of the model.
〖WTHZ〗Results〖HTSS〗A complete three-dimensional finite element model of lumbar spine was established, including the important structures of vertebra, intervertebral disc, upper sacrum, ligament and articular capsule. The total number of nodes was 104 190, and the total number of elements was 339 165. The angular displacement range and the stress distribution characteristics of the intervertebral disc under the condition of exercise were consistent with the biomechanical characteristics of the lumbar spine, which verifies the validity of the model.
〖WTHZ〗Conclusion〖HTSS〗The three-dimensional finite element model established in this study has a high degree of simulation, and can be used to study the biomechanics of the lumbar spine, to simulate effects of disease and surgery on biomechanics of lumbar spine.

Key words: three-dimensional finite element model, lumbar spine, intervertebral disc

庞胤1，尹帅2*，赵长义3，刘媛媛1，张海峰1. 脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析[J]. 河北医科大学学报, doi: 10.3969/j.issn.1007-3205.2019.12.002.

PANG Yin1， YIN Shuai2*, ZHAO Chang-yi3， LIU Yuan-yuan1， ZHANG Hai-feng1. Construction of three-dimensional finite element model of lumbar spine and stress analysis of intervertebral disc[J]. Journal of Hebei Medical University, doi: 10.3969/j.issn.1007-3205.2019.12.002.

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Construction of three-dimensional finite element model of lumbar spine and stress analysis of intervertebral disc

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