L5峡部裂对腰椎生物力学影响的有限元分析

论文摘要

背景:腰椎椎弓峡部裂在脊柱疾病中较为常见,在青少年及成人中发病率较高,运动员的发病率更高。据统计主诉腰痛的运动员患者中有约50%病因与椎弓根峡部裂有关。基于下腰部的解剖特点,L5为峡部裂的好发部位。腰椎峡部裂的发病原因一直存在争论,很多学者都在努力寻找与之发病有关的各种病因。目前关于腰椎峡部裂的有限元分析多集中于发病原因和椎体滑脱机制的探讨,虽然已有文献对腰椎峡部裂的稳定性进行了研究,但大部分停留在尸体标本的研究。目的:建立解剖结构较为详细的人体正常的下腰骶段的三维有限元模型并验证其有效性。在正常椎体模型基础上建立人体L5双侧峡部裂下腰骶段三维有限元模型,分析L5峡部裂对腰椎运动节段稳定性的生物力学影响。材料方法:基于正常成人腰椎CT图像,利用MIMICS和ABAQUS软件采用三维数字医学建模方法,建立正常成人下腰骶段有限元模型。模型的验证是通过计算在前屈、后伸、侧弯和扭转加载条件下模型的平均刚度值,与以往学者体外生物力学实验结果对比,查看符合情况。在正常椎体有限元模型的基础上,通过切割L5双侧椎弓根峡部,峡部间隙使用软组织材料代替,建立L5双侧峡部裂的下腰骶段有限元模型。在L4上终板加载负荷500N,模拟人体中立位;对L4施加10N?m的力矩,分别模拟人体前屈、后伸、左侧弯和左旋转的情况,分别对正常和双侧裂2个有限元模型进行生物力学测试,比较2个模型之间各项生物力学参数的差异。结果:建立了正常下腰骶段有限元模型并通过验证,前屈、后伸、侧弯、旋转的平均刚度与以往学者体外生物力学实验结果对比,处于他们的结果之间,有的非常接近,具有一定的可比性,说明本文有限元模型的建立方法和材料属性具有有效性,能够用于相关的生物力学分析。建立了L5双侧峡部裂的下腰骶段有限元模型。通过在L4椎体上终板加载负荷500N,模拟人体中立位;对L4施加10Nm的力矩,分别模拟人体前屈、后伸、左侧弯和左旋转的条件下,双侧峡部裂模型的角位移较正常模型增大;L4/L5,L5/S1椎间盘纤维环应力及髓核内压力明显比正常模型计算结果增大,尤于L5/S1椎间盘部位明显;峡部裂模型L5上位关节突应力大于正常椎体模型,下位关节突应力明显小于正常椎体模型;正常椎体模型在前屈、后伸、左弯和左旋各种工况下,峡部应力均较中立位增大,后伸位时应力最大。结论:成功建立了较为精细的正常成人腰骶段和L5双侧峡部裂三维有限元模型。模型计算结果通过与既往腰骶段体外生物力学试验结果比较和验证,成功证实了本研究所建立有限元模型,可信度高。从正常下腰骶段有限元模型的计算结果看,正常腰椎在各种活动时峡部的应力增大,后伸位时应力最大,从有限元运算经过推论,峡部如果长期处于高应力状态,可造成疲劳骨折。从两个有限元模型计算结果来看,腰椎在产生双侧峡部裂后,在各种活动时椎体的角位移较正常增大,会产生腰椎不稳;峡部裂同位椎体上下椎间盘纤维应力以及髓核内压均较正常时增大;同位椎体上位关节突应力较正常时增大,下位关节突因峡部中断,载荷及抵抗腰椎扭转作用消失,应力主要集中在下位椎间盘,可能会加速椎间盘退变。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 符号表（缩略词）
• 前言
• 1 材料与设备
• 1.1 64 排螺旋CT
• 1.2 计算机工作站
• 1.3 主要相关软件
• 2 研究方法
• 2.1 正常下腰骶段三维有限元模型的建立
• 2.1.1 CT 图像的获得
• 2.1.2 CT 图像处理及下腰骶段三维图像的重建
• 2.1.3 正常下腰骶段三维实体模型建立
• 2.1.4 对下腰骶段三维实体模型进行网格划分
• 2.1.5 下腰骶段三维模型的前处理
• 2.1.6 韧带及关节囊的建模过程
• 2.1.7 小关节的接触关系
• 2.1.8 分割下腰骶段有限元模型并赋予各结构材料属性.
• 2.2 有限元模型方法验证
• 2.3 L5 峡部裂下腰骶段三维有限元模型的建立
• 2.4 应力分析和观察指标
• 2.4.1 边界条件和载荷
• 2.4.2 观察指标
• 2.4.3 统计学分析
• 3 结果
• 3.1 有限元模型的建立和验证
• 3.2 应力结果分析
• 3.2.1 角位移分析
• 3.2.2 L4/L5 椎间盘
• 3.2.3 L5/S1 椎间盘
• 3.2.4 L4 椎弓
• 3.2.5 L5 椎弓
• 3.2.6 两个模型L5 椎体小关节应力
• 3.2.7 正常模型L4、L5 椎弓峡部应力
• 3.2.8 两个模型椎间盘髓核内压
• 4 讨论
• 4.1 峡部裂病因和病理
• 4.2 腰椎有限元
• 4.3 模型的验证
• 4.4 腰椎峡部裂的生物力学分析
• 4.4.1 腰椎的生物力学稳定
• 4.4.2 椎间盘的应力分析
• 4.4.3 小关节的应力分析
• 4.4.4 椎弓根的应力分析
• 4.5 本有限元模型的局限性和展望
• 5 结论
• 参考文献
• 综述
• 参考文献
• 个人简历和论文发表情况
• 致谢