上颈椎损伤的有限元模型研究

论文摘要

研究背景:随着社会的不断进步和交通运输业、建筑业、竞技体育等行业的快速发展,使得上颈椎损伤的发生率有逐年上升的趋势。CT三维重建技术快速发展和广泛应用,发现上颈椎损伤类型越来越复杂多样。对于上颈椎创伤的发生机制,目前仍存在较大争议,损伤发生的确切机制很多也未得到相关生物力学实验所证实。清楚地了解上颈椎创伤生物力学机制对于上颈椎创伤疾患的诊断和治疗方案的制定有重要的指导作用,故有必要对上颈椎创伤的发生机制进行研究。在脊柱传统生物力学实验中采用了尸体模型、动物模型、物理合成模型。尸体模型由于存在标本之间的差异性大,取材困难,实验费用昂贵等因素,使得其应用受到了严重的限制;动物模型在解剖和物理属性上与人体很大差别,对于帮助我们理解损伤机制的作用有限;物理合成模型目前存在的设计缺点和缺少解剖细节使得它们不能有效地模拟实际脊柱性能。三维有限元法是目前脊柱生物力学研究采用较多的先进应力数值分析方法。与传统实验方法比较,有限元法具有无法比拟的优势:它可根据需要产生无数个各种各样的样本,同一样本在虚拟计算中可进行无数次加载或者组合而不会被破坏;可对样本进行修改以模拟病理状态。此外,有限元法能够定量和定性地描述骨骼遭受各种外力作用下的应力分布。这些在传统的实验方法中是非常难以实现的。从临床应用角度来讲,有限元法是对人体体外尸体实验模型研究非常有价值的补充。研究目的:1.基于颈椎连续薄层CT图像建立上颈椎运动节段（C03）数字模型并实现三维可视化;2.建立枢椎精细三维有限元模型,探讨不同约束条件下枢椎损伤机制和骨折类型;3.探讨枢椎软骨基质不同融合程度状态对齿状突骨折类型的影响。材料与方法:1.选取一名32岁身高169.5cm,体重65kg,正常成年男性志愿者,颈椎CT数据采集之前,先对其行颈椎正侧、双斜和开口位X片检查以排除颈椎相关骨性疾患。采用GE 64排VCT螺旋CT扫描机选择从其外耳孔到第一胸椎上缘横断面连续薄层扫描,获得层距0.699mm,像素值为0.355 mm,512×512像素232张CT图像,以Dicom 3.0标准刻盘保存。Mimics10.01软件读入Dicom格式颈椎数据集,利用图像分割工具,设定CT分割阈值在4353071亨氏单位,软件自动生成骨组织表面轮廓线。在此基础上经编辑、补洞和去除无关边缘杂点后,再利用区域增长工具分别生成C03骨性三维几何模型。调整图像对比度范围,根据CT图像软组织的对比,参考人体标本实体形态,运用软件编辑工具和断层解剖知识,勾画出C2/3椎间盘,寰齿正中关节软骨盘,寰枢外侧关节软骨盘,C23椎小关节软骨盘。采用同样方法构建出寰椎横韧带、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带。2.建立区分皮质骨和松质骨枢椎精细三维有限元模型,导入Ansys10有限元分析软件对模型赋予材料物理属性,模拟枢椎伤前不同位置下的受力条件。在齿状突寰齿关节面上施加前后方向载荷,分析枢椎在三种不同约束条件下的应力、应变分布,和相对应条件下枢椎可能发生骨折的类型。3.建立区分枢椎松质骨软骨基质融合部的精细三维有限元模型。在齿状突寰齿关节面上施加前后方向载荷,通过分别降低枢椎松质骨软骨基质融合部位弹性模量以模拟该部位松质骨融合不同程度,探讨枢椎齿状突在两种约束条件下的应力、应变分布和枢椎可能发生的骨折类型。结果:1.①成功建立了较为精细的上颈椎运动节段三维数字模型并实现可视化。模型包括:C0-3骨性结构并区分皮质骨与松质骨、C1-3关节软骨盘、C2/3椎间盘和6种韧带结构。②以枢椎为例,导入枢椎模型至有限元分析软件Ansys10,进行体网格划分、赋材质和加载,进行有限元分析计算,初步模拟枢椎骨折生物力学实验。所得枢椎的von Mises等效应力图的应力集中带分布走向结果符合生物力学实验和临床上枢椎骨折的好发部位。证明模型的有效性。上颈椎有限元模型初步验证结果与体外生物力学实验和临床结果符合,可进一步行各种上颈椎有限元分析。2.当枢椎遭受前后方向剪切暴力:①双侧椎小关节约束模拟伤前枢椎于中立位,应力集中区对称位于枢椎关节突间部;②单侧椎小关节约束模拟伤前枢椎侧屈状态,最大应力集中位于约束侧关节突间部,高应力集中带经过椎体后角延伸进入椎体,对侧椎板与下关节突交界移行部位也出现应力集中;③椎体下方以及双侧小关节面约束模拟以往生物力学实验枢椎下方完全固定状态,高应力集中带位于齿状突与枢椎结合部位。3.枢椎有限元计算预测结果发现枢椎在两种约束条件下（双侧椎小关节约束模拟伤前枢椎于中立位,椎体下方以及双侧小关节面约束模拟以往生物力学实验枢椎下方完全固定状态）,枢椎软骨基质的融合程度对枢椎高应力集中带分布无明显影响,最大von Mises等效应力值改变亦不明显。结论:1. MIMICS软件基于薄层CT图像建立上颈椎有限元模型提供了一个更为快捷精确的方法,所建模型逼真,几何相似性好。为研究上颈椎的生物力学性状创造了条件。2.①伤前颈椎侧屈状态可能是导致不对称性Hangman骨折的一个非常重要因素;②枢椎骨折的生物力学研究实验中,除加载暴力的方向外,标本不同约束固定方式直接影响枢椎骨折类型的复制。3.枢椎体内软骨基质融合程度对齿状突骨折类型无明显影响。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 符号表（缩略语）
• 前言
• 第一部分上颈椎运动节段数字模型建立及三维可视化研究
• 1. 材料与方法
• 1.1 材料与设备
• 1.2 原始数据采集
• 1.3 建立上颈椎运动节段数字模型
• 2. 结果
• 3. 讨论
• 4. 小结
• 第二部分 不对称性 Hangman 骨折发生机制的有限元模型研究
• 1. 材料与方法
• 1.1 采集正常颈椎 CT 数据集
• 1.2 建立枢椎三维有限元模型
• 1.3 模型的边界约束条件设定
• 1.4 模型的加载
• 1.5 模型的检验与评估
• 2. 结果
• 3. 讨论
• 4. 小结
• 第三部分 枢椎软骨基质融合程度与齿状突骨折类型影响的生物力学评估
• 1. 材料与方法
• 1.1 建立枢椎三维有限元模型
• 1.2 设定模型边界约束条件
• 1.3 模型的载荷
• 1.4 模型的检验与评估
• 2. 结果
• 3. 讨论
• 4. 小结
• 参考文献
• 综述
• 附录
• 个人简历 在读期间发表论文情况
• 致谢