有限元法对椎体成形术的力学评价

论文摘要

目的:探讨利用螺旋CT建立骨质疏松腰椎三维有限元模型的高度数字化方法,以为腰椎骨质疏松的生物力学实验提供标准模型,在此基础上分析椎体成形术应力变化的影响。方法:从珠江医院选取20分腰椎CT,以排除可见的脊椎病变及损害,以Dicom格式输出其断层图像并转入微机保存。利用三维重建软件Mimics11.1建立L1-L3段正常脊柱结构的三维几何模型,将几何模型导入Simpleware 2.1中进行有限元模型的建立。Abauqs 6.51对有限元模型的分析。在已建立的腰段骨质疏松性椎体压缩性骨折有限元模型（L1/L2L3,L2为骨折模型）上,模拟经皮穿刺椎体成形术（PVP）过程。首先恢复腰2椎体高度,然后在腰2椎体中置入骨水泥（单、双侧）,轴向加载500N状态下记录手术前后病椎椎体终板、骨小梁、骨水泥及邻近椎体终板的应力变化。术后在轴向加载500N状态下,施加力矩15牛米模拟腰椎屈曲,后伸、侧曲、旋转,并记录L1下终板,L3上终板的应力,从而比较手术前后不同运动状态下腰椎邻近椎体的应力改变,术后恢复椎体高度对邻近椎板的应力分布影响。结果:①正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分结果:利用三维重建软件Mimic、Simpleware和有限元软件Abaqus成功进行正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分。建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性②骨质疏松腰椎三维有限元模型的建立:利用有限元软件Abaqus的前处理功能,对不同组织的物理特性进行定义,椎体和后部结构的弹性模量均减少30%左右,符合真实的生物力学要求,真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性,成功建立骨质疏松腰椎三维有限元模型。②手术前后,病椎终板的应力发生明显减少,而松质骨的应力没有明显的变化,单侧注入骨水泥与双侧注入骨水泥病椎终板的应力相差不大。邻近椎体终板在不同的运动状态下手术前后无明显改变。结论:建立的骨质疏松腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本,是理想的骨质疏松腰椎生物力学的数字化模型,应用于骨质疏松腰椎损伤程度评估。椎体形成术,由于注入骨水泥后,病椎的应力发生了转移,终板的应力明显减少,松质骨的应力没有明显变化,而单侧注入骨水泥与双侧注入骨水泥对病椎终板的应力影响不大,手术前后对邻近椎体的应力影响不大。术后恢复椎度高度致上位椎体下终板应力明显减少,而下位椎板的上终板的应力明显增加。相反,腰椎压缩性骨折,则位椎体下终板应力明显增加,而下位椎板的上终板的应力明显减少。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 研究背景
• 第一章 骨质疏松腰椎三维有限元数字化模型的建立
• 1.1 摘要
• 1.2 材料与方法
• 1.3 结果
• 1.4 讨论
• 第二章 有限元分析法对椎体成形术的力学评价
• 2.1 摘要
• 2.2 模型建立
• 2.2.1 材料与方法
• 2.2.2 方法
• 2.3 结果
• 2.4 讨论
• 2.5 参考文献
• 2.6 小结
• 结论
• 综述
• 攻读学位期间成果
• 致谢