收藏本站
《浙江大学》 2007年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

下腰椎退变多因素有限元分析

刘耀升  
【摘要】: 第一部分腰椎运动节段精确三维非线性有限元模型的建立与验证 研究设计: 腰椎运动节段有限元建模研究。 目的: 采用一种新型计算机辅助设计方法精确建立腰椎L4-L5节段三维非线性有限元模型,并进行充分验证。 背景知识: 脊柱有限元模型建模方法有基于医学图像建模方法、使用数字化仪建模方法和采用解剖学数据建模方法。使用数字化仪建模方法,手工操作过程繁琐,误差较大,且只能在裸露的尸体腰椎上测量,不能完整体现脊柱生理弯曲等解剖结构,也无法实现脊柱有限元建模的个体化。采用解剖学数据建模方法(如基于3D-MAX软件的腰椎几何模型建模法)属手工建模法;无法实现有限元建模的数字化,且不包含任何先进的算法,建模技术粗糙,国外有限元研究多不采用。基于CT图像的建模方法具有自动、标准、快速建模等优点,是腰椎运动节段几何模型建模的主要研究方法。 目前基于CT图像的腰椎有限元建模方法多为首先在其他CAD软件中创建几何模型,然后通过数据接口导入有限元软件进行网格划分的间接建模法。这种间接建模法虽然建模效率、网格划分质量较Goel(1988)的直接建模法有所提高,但在从CT扫描图像获取建模数据时,多数间接建模法仍局限于将每个单层图像的轮廓形状信息叠加在一起获取椎体的原始几何信息;同时,生成有限元模型中的体元是以平齐于CT扫描平面的方式排列,未能正确反映脊柱的复杂解剖结构特征(如生理前凸等)。此外,腰椎有限元模型不同部位单元的大小疏密要求也不相同,以往的建模方法缺少相应的控制机制。 方法: 采用改良的“非种子区域分割方法”提取腰椎CT图像数据中目标区域得到二值图像,用Marching Cubes方法由二值数据生成初始表面模型。采用反应腰椎生理弯曲的“最佳切割平面”从初始表面模型获得非平行的切割轮廓线并建立“分段线性子空间”,后者经仿射变换到“规则子空间”快速重构腰椎曲面,最后逆变换恢复腰椎原三维空间形状特征。将表面模型所有结点的坐标数据和三角面片信息导入ANSYS有限元软件进行网格划分精确建立L4-L5节段三维非线性有限元模型。约束L5椎体和棘突底面上所有结点平移和转动共6个自由度,有限元模型分别在垂直压缩载荷3000N,屈曲、后伸、侧屈、扭转力矩载荷15Nm条件下分步加载。有限元模型预测结果与相同边界条件体外实验生物力学研究结果进行比较验证。 结果: 所构建IA-L5运动节段有限元模型包括94794个Solid单元,1196个Link单元,1170个Shell单元,768个Target单元,464个Contact单元;包含终板、关节突关节面等所有重要解剖结构,同时包含了几何非线性、材料非线性与接触非线性三种非线性类型。不同载荷条件下L4-L5节段有限元模型的预测结果与相同边界条件下体外实验生物力学研究结果近似。 结论: 基于先进算法精确建立的腰椎L4-L5节段表面模型实现了二值图像提取、腰椎曲面重构的全数字化过程,具有极佳的仿真效果:不同载荷条件下,L4-L5节段非线形有限元模型获得充分验证。 第二部分个性化退变腰椎有限元模型库的建立与验证 目的:根据退变腰椎的形态特征,采用CAD方法精确建立不同形态改变的退变腰椎L4-L5运动节段三维有限元模型。 方法: 采用一系列新型CAD方法精确建立L4-L5运动节段有限元模型。利用人性化交互修改工具,通过“界面”划分,将L4-L5节段表面模型分解为前部椎体和后部结构2个基本“结构模块”。分别改变正常腰椎基本“结构模块”的椎间盘高度、上下终板凹陷角角度、椎间盘前凸角度、小关节矢状面角度等几何参数,建立包括椎间盘高度降低、终板凹陷角改变、椎间盘前凸角改变以及小关节角改变在内的9种退变腰椎基本“结构模块”表面模型,表面模型数据导入ANSYS获得各“结构模块”有限元模型后,通过界面间的拼接粘贴构建退变腰椎有限元模型,通过纤维环纤维及各组韧带结点的固定编码确定纤维环纤维及韧带Link单元起止点位置,最终得到包含18种不同形态改变的退变腰椎有限元模型。退变腰椎有限元模型分别在垂直压缩载荷150N,屈曲、后伸力矩载荷7.5Nm,前剪、后剪载荷150N条件下加载,不同载荷条件下退变有限元模型预测结果与相同边界条件体外实验生物力学研究结果进行比较。 结果: 所构建的单参数变化的退变腰椎有限元模型包含L4-L5节段所有重要解剖结构,不同载荷条件下退变腰椎有限元模型预测结果与体外实验生物力学研究结果相符合。 结论: 基于CT数据的CAD方法实现了个性化退变腰椎有限元模型库的建立。 第三部分小关节角矢状化、椎间盘退变对退变性腰椎滑移作用的有限元研究 目的: 探讨小关节矢状化与椎间盘退变间的关系及其对退变性腰椎滑移的作用和意义。 方法: 采用一系列新型CAD方法精确构建65°小关节角、45°小关节角、25°小关节角与正常椎间盘、轻度退变椎间盘、重度退变椎间盘相组配的9种腰椎L4-L5运动节段有限元模型。生理压缩载荷下,分别对9种有限元模型的生物力学参数进行测试。 结果: 与小关节角45°、25°有限元模型相比,小关节角65°有限元模型的矢状方向椎体前移位增加,关节突、峡部等效应力,关节突水平方向接触力明显增加:同时,小关节角65°有限元模型的终板膨出减小,纤维环基质应力增加。与正常有限元模型相比,椎间盘轻度退变有限元模型刚度下降,小关节突及峡部应力轻度增加。9种有限元模型中,轻度退变椎间盘结合小关节角65°有限元模型的抗前剪力能力最差。 结论: 小关节角矢状化既是退变性腰椎滑移的原发诱因,又是局部应力变化导致关节突再塑形的继发病理改变,矢状型小关节腰椎运动节段矢状方向内在不稳定性受椎间盘退变程度的影响,椎间盘退变对小关节角矢状化无明显促进作用。 第四部分终板凹陷角变化对腰椎运动节段生物力学影响的有限元分析 目的: 探讨终板凹陷程度变化对腰椎运动节段生物力学影响。 方法: 在以往建立的腰椎L4-L5运动节段三维非线性有限元模型基础上,采用CAD方法精确构建三种不同终板凹陷角改变的有限元模型,有限元模型的椎间盘前凸角、小关节间隙等其余形态学参数及网格划分均保持一致。垂直压缩、屈曲、伸直、前后剪力5种载荷条件下,分别对三种有限元模型生物力学参数进行测试。 结果: 加载条件下,终板凹陷角增加、终板凹陷程度减小可导致终板-椎间盘界面应变减小,椎间盘刚度及髓核内压增加,椎间盘膨出、纤维环纤维张应力、纤维环基质应力、腰椎后部结构应力以及关节突接触力减小。 结论: 终板凹陷程度的减小增强了椎间盘对椎体的保护作用,同时可通过影响终板的形变减小对椎间盘的营养传递。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:R681.5

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 徐义春,刘尚礼,张美超,黄东生,郑召民;人工腰椎间盘三维有限元模型的建立及其应力分析[J];中华骨科杂志;2003年03期
2 刘耀升;陈其昕;廖胜辉;余世策;吴浩波;唐小君;;椎间盘高度降低及退变对腰椎生物力学影响的有限元分析[J];中国临床解剖学杂志;2006年05期
3 兰俊,陈其昕,翟晓军,陈之青;腰椎间盘退变时椎间隙形态与腰椎曲度变化及其临床意义[J];中国临床解剖学杂志;2005年02期
4 黄启今,刘国权,马远征,薛海滨,高瑾;基于CT图像重建腰椎活动节段三维有限元模型及其应用[J];中国体视学与图像分析;2004年02期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 戴德纯;房敏;严隽陶;;退行性腰椎滑脱症的推拿临床研究进展[J];按摩与导引;2006年07期
2 刘耀升;陈其昕;廖胜辉;唐小君;余世策;李方财;;小关节角矢状化、椎间盘退变对退变性腰椎滑移作用的有限元研究[J];国际生物医学工程杂志;2006年05期
3 胡小春,郭松青,叶铭;基于CT图像建立人体足部骨骼三维有限元模型的研究[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2005年09期
4 陈功;易红;倪中华;;基于逆向工程的医学器官有限元建模方法[J];机械工程学报;2006年01期
5 杨洋;樊天佑;陈永强;;脊柱融合后邻近节段病变研究进展[J];颈腰痛杂志;2006年03期
6 黄文华;彭浩;王明炎;姜楠;;应用Dextroscope软件系统三维重建腰椎及其相关结构的可视化模型[J];中国组织工程研究与临床康复;2007年31期
7 王筝;李海云;;基于影像特征的腰椎间盘突出症精确建模及介入治疗的图像仿真研究[J];医疗设备信息;2006年04期
8 徐海涛,张美超,李义凯,王国林,邱桂春;坐位旋转手法对正常腰椎间盘内在应力和位移的实时监测的实验研究[J];中国康复医学杂志;2005年08期
9 吕工一,赵合元,白人骁;退变性脊柱滑脱的X线分析[J];中国中西医结合外科杂志;2003年02期
10 杨卫新,章稼,昝云强,何怀,朱大梅;关节突关节形态与退变性腰椎滑脱的关系[J];中华物理医学与康复杂志;2002年10期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 黄启今;刘国权;李永;高瑾;顾正秋;马远征;薛海滨;周庆;;基于有限元法建立的聚乙烯醇水凝胶人工腰椎间盘髓核三维力学分析模型[A];第十一届国际体视学大会暨第十届中国体视学与图像分析学术会议论文集[C];2003年
2 游箭;张绍祥;谭立文;林支付;李恺;单锦露;邱明国;李七渝;陈伟;陆明;;经皮穿刺腰椎间盘手术路径的三维重建及其可视化[A];首届国际医学影像学暨介入医学学术会议论文汇编[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 林飞跃;椎间隙与腰椎负荷分布的关系及椎间盘置换对椎间隙高度的影响[D];中南大学;2003年
2 葛磊;人工腰椎间盘相关生物力学研究[D];中南大学;2003年
3 王非;基因治疗腰椎间盘退变的实验研究[D];中国人民解放军第一军医大学;2003年
4 刘斌;腰椎软骨终板退变机理的实验研究[D];第一军医大学;2004年
5 张绍东;生物活性玻璃涂层后路腰椎间融合器的研制及相关研究[D];苏州大学;2004年
6 赵凤东;腰椎终板损伤及其相关因素[D];浙江大学;2005年
7 王欢;腰椎椎弓根钉充分加压固定术—促进椎间植骨融合治疗腰椎骨折脱位及腰椎滑脱症的生物力学和临床研究[D];中国医科大学;2005年
8 游箭;经皮腰椎间盘穿刺入路的临床解剖学研究[D];第三军医大学;2005年
9 黄宇琦;胸锁乳突肌筋膜痛的解剖学及其临床研究[D];第一军医大学;2005年
10 曹国永;水通道蛋白在椎间盘退变中的作用及其调控机制的研究[D];第三军医大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 丁宇;下腰椎不稳不同副合术式的生物力学评价[D];第二军医大学;2002年
2 王懿;磨牙半切术后修复治疗的三维有限元分析[D];第四军医大学;2004年
3 胡孔和;生物活性颈椎椎间融合器(BCFC)的生物力学研究[D];第一军医大学;2004年
4 程洪涛;兔髓核细胞的体外培养及髓核细胞移植抑制椎间盘退变的实验研究[D];东南大学;2004年
5 张军;腰椎关节突关节角度与峡部裂及退变性脊柱滑脱的关系探讨[D];山东大学;2005年
6 杨春治;胸腰段屈曲压缩损伤的三维有限元分析[D];福建医科大学;2005年
7 刘熹;腰椎峡部裂修复重建手术的应用解剖学研究[D];四川大学;2005年
8 张亘瑗;颈人工椎间盘置换术的解剖学参数研究[D];第一军医大学;2005年
9 王子轩;HIZ的影像学诊断及临床意义[D];青岛大学;2006年
10 杨大龙;下腰椎两种融合方法的生物力学比较与临床评价[D];河北医科大学;2006年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 王华;黎伟凡;林博文;;腰椎间盘摘除三维有限元模型的生物力学分析[J];中国临床康复;2006年17期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前7条
1 安新伟,张晓兵,尹涵春;医学图像三维重建的研究[J];电子器件;2001年03期
2 陈之青,陈其昕,李方财,楼才俊;椎体终板的凹陷角与腰椎间盘退变的相关性[J];中国骨伤;2004年07期
3 陈其昕!310009杭州,陈维善!310009杭州,徐少文!310009杭州,黄宗坚!310009杭州;下腰椎疾患的腰椎小关节角变化规律及其临床意义[J];中华骨科杂志;2000年01期
4 张明,郑祖根;腰椎神经根管狭窄神经根受压的形态学变化及其临床意义[J];中国临床解剖学杂志;2002年02期
5 兰俊,陈其昕,翟晓军,陈之青;腰椎间盘退变时椎间隙形态与腰椎曲度变化及其临床意义[J];中国临床解剖学杂志;2005年02期
6 黄东生,郝松林,刘尚礼,李春海;新型人工腰椎间盘的研制及其静态力学性能[J];中山医科大学学报;1998年02期
7 姜志国,孟如松,赵宇,周付根,董海军;组织切片图像的可视化技术及应用[J];中国体视学与图像分析;2002年03期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 赵文志;李斌;陈秉智;苏晋;何盛为;张路;;颈椎三维有限元模型的建立方法与评价[J];大连医科大学学报;2009年05期
2 刘瑞;徐林;张元智;俞兴;权学民;;Wallis腰椎非融合系统有限元模型的建立[J];生物骨科材料与临床研究;2010年06期
3 彭春政;张胜年;陆爱云;;人体躯干骨骼-肌肉-韧带结构三维有限元模型的建立和验证[J];中国运动医学杂志;2010年06期
4 迟增德;刘尚礼;李春海;张美超;;腰椎髓核摘除后小关节应力分析[J];中国矫形外科杂志;2009年05期
5 关海山;陈晨;冯皓宇;李承罡;韩来春;杨惠林;;椎体成形术和椎体后凸成形术对邻近椎体椎间盘的生物力学影响[J];中国药物与临床;2008年09期
6 陈浩;于晓华;华国军;胡一平;樊嵘;;腰椎运动节段流固耦合有限元模型的建立与验证[J];中国组织工程研究与临床康复;2010年52期
7 毕胜,张明;腰椎三维有限元模型的建立及应用[J];颈腰痛杂志;2001年04期
8 张德盛;宋跃明;;L_3-L_5三维非线性有限元模型的建立及其临床意义[J];生物医学工程学杂志;2006年06期
9 石磊;陆声;徐永清;;腰椎骨质疏松三维有限元模型的建立及应用[J];西南军医;2007年04期
10 张建国;王芳;薛强;;用于冲击动力学响应分析的人体颈部有限元模型建立和验证[J];生物医学工程学杂志;2009年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王小铁;都江胜;景平生;韩晓鹏;刘强;;合并椎间盘韧带损伤胸腰椎骨折手术疗效观察[A];第七届全国创伤学术会议暨2009海峡两岸创伤医学论坛论文汇编[C];2009年
2 董生;肖湘生;欧阳强;张电波;董伟华;;经皮激光椎间盘髓核切除术后CT MR与病理对照的实验研究[A];中华医学会放射学分会第八届全国心胸影像学术大会暨河南省第十二次放射学术会议论文汇编[C];2006年
3 毕留盛;罗莹;刘清维;;小针刀治疗腰椎间盘突出症163例的初步报告[A];第四届全国针刀医学学术交流大会论文集[C];1996年
4 刘宪义;朱天岳;李淳德;;微创方法对椎间盘髓核凝固作用的生物力学研究[A];第八届全国脊柱脊髓损伤学术会议论文汇编[C];2007年
5 杨群;马凯;唐开;刘阳;葛全胜;;显微内窥镜(MED)手术治疗腰椎间盘突出症[A];第八届全国脊柱脊髓损伤学术会议论文汇编[C];2007年
6 邱勇;孙强;朱锋;王斌;俞杨;朱泽章;钱邦平;马薇薇;;儿童颈椎间盘钙化症误诊原因分析[A];第八届全国脊柱脊髓损伤学术会议论文汇编[C];2007年
7 黄益奖;钱胜君;张宁;陈维善;;软骨终板损伤建立兔颈椎间盘退变模型[A];2009年浙江省骨科学学术年会论文汇编[C];2009年
8 徐军;;椎间盘内破裂的诊断和治疗[A];继往开来 与时俱进——2003年康复医学发展论坛暨庆祝中国康复医学会成立20周年学术大会论文集[C];2003年
9 孙强;邱勇;朱锋;王斌;俞杨;朱泽章;钱邦平;马薇薇;;儿童颈椎间盘钙化症误诊原因分析[A];第二届华东地区骨科学术大会暨山东省第九次骨科学术会议论文汇编[C];2007年
10 麻少辉;管民;杜恒;韩博;张明;;不同造影剂MR动态增强对羊椎间盘营养途径的初步研究[A];中华医学会第16次全国放射学学术大会论文汇编[C];2009年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 全必春;换个椎间盘治腰痛[N];大众卫生报;2001年
2 魏开敏;预防腰椎间盘突出要从青少年开始[N];卫生与生活报;2006年
3 史李;腰椎间盘突出症病人的家庭护理[N];农村医药报(汉);2008年
4 健康时报记者  白轶南;吸烟能引起腰背痛[N];健康时报;2006年
5 健康时报记者 杨锐 王志胜 特约记者 张献怀;不良坐姿是腰痛祸首[N];健康时报;2009年
6 通讯员 艾赛提·阿木提;大爱点燃生命之光[N];和田日报(汉);2010年
7 记者 靖九江;专家细析椎间盘源性下腰痛的病理机制[N];中国医药报;2006年
8 健康时报特约记者 王贵平;小刀口做椎间盘融合术[N];健康时报;2008年
9 健康时报记者 魏雅宁 实习记者 井超;科技人员易患三慢病[N];健康时报;2009年
10 海涌;中老年慢性腰腿痛是否都需要手术[N];家庭医生报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘耀升;下腰椎退变多因素有限元分析[D];浙江大学;2007年
2 李方财;大鼠尾椎间盘机械损伤退变模型及安全注射治疗剂量[D];浙江大学;2011年
3 李想;软骨调节素在成人退变椎间盘中的表达[D];北京协和医学院;2011年
4 孙建华;椎间盘组织工程支架材料KLD-12自组装多肽的构建及复合MSCs治疗椎间盘退变的实验研究[D];华中科技大学;2010年
5 李孝林;胸腰椎压缩性骨折有限元模型的建立及过伸复位治疗的生物力学分析[D];湖北中医学院;2009年
6 唐明星;Lenke1A-型青少年特发性脊柱侧凸有限元模型建立及其生物力学研究[D];中南大学;2009年
7 刘佐庆;人退变颈椎间盘组织的基因表达变化分析[D];第二军医大学;2005年
8 卢畅;椎板切除及小关节切除对颈椎节间稳定性影响的生物力学研究[D];中南大学;2008年
9 孙钢;术后椎间盘炎的预防与介入治疗的实验与临床研究[D];第二军医大学;2001年
10 王永福;Lenke5型青少年特发性脊柱侧凸有限元模型的建立及手术矫形的生物力学研究[D];中南大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 田强;坐位旋转手法时腰椎应力及位移的有限元分析[D];广州中医药大学;2008年
2 王丽珍;基于CT扫描之腰椎椎体有限元分析[D];吉林大学;2007年
3 李振华;MMP—12与腰椎间盘退变关系的研究[D];中国医科大学;2008年
4 李建江;腰椎椎弓根螺钉内固定对相邻节段运动和椎间盘内压的影响[D];天津医科大学;2004年
5 智春升;Cathepsin L与人腰椎间盘退变关系的研究[D];中国医科大学;2007年
6 谭亲民;六味地黄丸含药血清对体外培养兔椎间盘Ⅰ型Ⅱ型胶原表达的影响[D];湖南中医药大学;2011年
7 侯婷婷;转换生长因子β1(TGF-β1)抗大鼠椎间盘退行性变中细胞凋亡的研究[D];中国医科大学;2007年
8 陈勇;VEGF、PDGF在退变椎间盘中的表达及意义[D];中国医科大学;2005年
9 张亘瑗;颈人工椎间盘置换术的解剖学参数研究[D];第一军医大学;2005年
10 胡峰;基质金属蛋白酶-7在椎间盘的表达和意义[D];中南大学;2003年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026