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卧位及立位腰椎有限元活动度的对比分析及智能建模系统的构建

林泽宇  
【摘要】:背景腰椎结构位置特殊,维持躯干部分基本结构功能。同时相邻阶段之间依靠椎间盘、小关节等组织相连接,使人体能够完成弯腰旋转等活动。临床中利用腰椎有限元技术,可准确计算患者腰椎受力及活动情况,提高手术方案精准度,还可有效减少手术时间。同时,有限元技术不但能分析标本外部力学特性,而且还能得到标本内部各种组织之间相互作用的具体数值,与体外标本实验相比成本更低效率更高。但是,临床上均是利用CT采集到的影像数据,建立腰椎的有限元模型。而CT扫描时,人体处于平躺状态。研究表明人体腰椎分别在平躺与站立的情况下,前凸角与骶骨倾斜角存在明显差异,不能确定计算结果是否能够准确反应站立状态下腰椎的力学环境。同时,由于腰椎有限元模型需要经过三维重建、实体网格、创建材料和截面属性、设置约束等一系列操作。计算完成后,仍会出现设置错误、不收敛等阴性结果,反复操作浪费大量时间,很大程度限制了有限元技术在腰椎治疗规划中的应用。目的本文是为了验证卧立位的影像学差异在腰椎活动度计算中的是否存在影响。同时,构建智能腰椎模型重建系统,代替人工批量重建样本,已达成构建腰椎有限元模型活动度计算结果数据库的目的。方法脊柱有限元建模方法,验证不同体位下腰椎的活动度差异,本文采集32例志愿者CT和侧位X光影像数据,分别测量其站立侧位片及卧位CT矢状面腰椎前凸角(cobb角),取其差异最大组及近均值组,作为本课题的主要分析对象。1.卧位及立位腰椎有限元模型活动度差异分析将CT数据导入mimics中重建腰椎,导出stl格式文件到Geomagic中实体化。在Solidwork中实用抽模功能建立椎间盘及髓核,在Hypermesh中构建网格并建立韧带,分割皮质骨。最后利用Abaqus中设置模量参数及关联。2.智能腰椎建模系统的构建本文建立智能腰椎复位系统,解决多样本有限元计算过程中,重复的建模及腰椎复位工作。将智能构造的三维模型与人工构造的三维模型分别构建有限元模型,并导入Abaqus中进行计算。本文使用Python语句进行编程,为非关联锁屏系统,分为键盘及鼠标两部分,逻辑清晰,且内存占用率低,无兼容性问题。结果结果显示差异最大组及近似组,卧立位腰椎有限元模型在各部分材料的弹性模量相同的情况下,腰椎的活动度虽然存在细微不同但没有造成统计学差异。但载荷是影响有限元模型活动度结果的主要因素。智能脚本在解决重复性的计算任务时,近乎完全脱离人工,操作流畅,无卡顿及误差,与人工操作无异。利用软件构建的模型构建的有限元模型除细节部分外,几乎无差异。且对计算结果无影响。结论本实验为临床中利用CT数据建立腰椎有限元模型,计算各个体位的活动度,提供了理论支撑。同时,也证明在使用同一弹性模量进行计算的情况下,存在差异的不同个体间也存在活动度相同或近似的情况,探究不同个体间造成差异的主要因素,可以有效提高腰椎有限元模型的建模效率,降低实验成本,提高临床利用率,为医生治疗腰椎的相关疾病提供帮助。腰椎智能建模系统,可以有效代替分析人员构建三维模型,外观形态无显著差异,且可用于有限元计算,可以投入使用。


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