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腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型的建立与验证

原文作者:
  顾晓民,贾连顺,陈雄生,鲁成林,刘 洋,张东升
发布时间:
  2014-08-12
来    源:
  杭州师范大学附属医院骨科,第二军医大学附属长征医院骨科
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摘要: 目的 建立腰椎椎弓峡部裂三维有限元模型, 通过生物力学实验进行有效性验证。方法 利用临床1例腰椎椎弓峡部裂病例影像学资料, 采用Simpleware 建模软件分别模拟下腰椎骨性结构、椎间盘组织, 并在Ansys软件附加腰椎相关韧带和关节囊, 建立L5双侧椎弓峡部裂三维有限元模型, 并通过体外力学实验结果验证模型有效性。结果 重建模型构建了椎体皮质骨、松质骨、腰椎关节突关节、椎弓根、椎板、横突、棘突等骨性结构, 还构建了纤维环、髓核、上下终板组织, 并成功附加了前纵、后纵韧带、黄韧带、棘上、棘间韧带以及关节突的关节囊。模型共计有281 261个节点和661 150个单元。腰椎椎弓峡部裂重建成功。通过与体外生物力学在不同工况下L4下关节突、L5上、下关节突、S1上关节突应力/应变趋势以及L4下关节突内外侧力学应力/应变趋势比较, 验证了模型的有效性。结论 建立了下腰椎椎弓峡部裂的三维有限元模型, 此模型可以用来进一步实施有关峡部裂治疗的力学研究。
    腰椎弓峡部裂多发生于青少年, 病椎逐渐发展可以产生腰椎滑脱, 出现腰痛、下肢麻木或/伴疼痛。因此, 对于下腰椎发生峡部裂后生物力学研究越来越受到国内外学者的重视。由于腰椎在结构形状、生物材料特殊性和负荷承重等方面都比较复杂, 以往的体外生物力学研究方法难以获得较全面的信息。有限元可将这一复杂的整体划分为有限个单元所组成的集合体, 并用数学形式表达出来, 对腰椎这样复杂的结构有较好的适应性, 现已成为解剖学、生物力学和临床医学工作者在该领域中的一种重要研究手段[ 1-2 ] 。本实验旨在通过有限元方法重建腰椎椎弓峡部裂的实验模型, 为进一步研究打下基础。
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