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基于CT图像的人体腰椎有限元模型构建与力学分析

魏峰  
【摘要】:腰椎作为人体的重要承载部位,结构复杂,容易产生损伤。对腰椎进行模型重建与力学分析是研究腰椎力学特性以及预防腰椎疾病的重要手段。针对腰椎结构复杂、材料多样等特点,本文利用有限元法和医学处理软件Mimics对腰椎进行有限元模型构建以及仿真分析研究。主要工作如下:(1)针对目前骨生物力学研究的现状,分析了腰椎有限元模型构建存在的难度,并进行了解决方法的拟定。(2)基于断层CT图像,利用Mimics医学软件对图像进行阀值分析、编辑、网格划分等操作,重构出腰椎的三维模型。在前人材料赋值研究的基础上,对腰椎的组织层进行分离,实现分别的材料赋值,从而重建出完整的腰椎有限元模型。(3)针对腰椎的结构特点,利用Python语言在Abaqus平台上进行腰椎参数化建模的尝试。开发出参数化插件,通过输入腰椎的几何与材料信息,实现了腰椎的快速有限元建模。(4)腰椎作为人体的主要支撑部位,通过AnyBody骨肌系统模拟出不同负载情况下的腰椎受力,作为腰椎力学分析的数据。(5)对腰椎进行力学分析,获得腰椎不同承载情况下的应力与变形位移,证实了重载会造成腰椎应力集中与变形过大,为腰椎病的预防和治疗提供了理论依据。本文通过对腰椎进行三维重建以及材料赋值,构建出了完整的腰椎有限元模型,与以往研究相比,更好的反映出了腰椎的材料特性。同时,参数化建模以及腰椎力学承载能力的探讨也为腰椎临床预防与治疗提供了指导作用。


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