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1、骨科生物力学如何运用有限单元法-->第一部分腰椎小关节接触模型的有限元分析小关节是椎体运动节段重要的一部分,在不同的椎体运动中小关节承担不同的载荷,其大小与载荷的大小、椎体运动的形式、其自身结构及材料性质有关。在临床中,腰椎小关节的退行性病变或损伤是引起下腰痛的一个重要,且容易引起与之密切相关的腰椎间盘发生病变。研究小关节的承载功能对理解腰痛的发生、防治、小关节与椎间盘的关系及手术中对小关节的处理都有着重要的意义。在本文中,通过新鲜成人尸体节段的断层CT扫描图像,建立起正常的三维立体有限元模型,小关节部位处理为接触单元,模拟人体的不同承载状态对此模型进行加载。计算处理后,分析小关节在
2、不同状态下的生物力学特性,发现小关节在不同状态下承担着不同的载荷,特别是在体轴向旋转运动状态下抗旋作用更明显。选取一青壮年男性新鲜尸体的运动节段标本,保持结构完整,先行X线检查以排除损伤、退变等病理变化,然后用螺旋CT机(南方医院影像科,对标本行层厚横断面扫描,扫描数据经过插值、放大处理后,得到Ilnln层厚连续断面图象,把图象文件从CT机处理工作站上转入计算机保存以备三维重建之用。采用自行编程的“图形边界自动记录程序”记录下每一断层图像的空间边界(结构内、外边缘),然后利用逐层记录下来的L4一5节段标本的空间边界,利用CAE软件建立L小5节段的空间几何模型。软件操作界面见图1.1。
3、利用L4一5的CT片建立其三维立体模型的流程如图1.2所示。在软件的固有笛卡尔坐标系中,各断层图像空间边界数据记录在xY工作平面,并使L4椎体上终扳平面定义为与XY平面平行,因而L4一5节段矢状面前后方向与Y轴平行,冠状面方向与Z轴平行,Z轴垂直终板,方向由上向下。二模拟分析为了验证所建模型的正确与否,对模型进行了轴向旋转状态的模拟分析,并对这种运动状态下小关节的受力状况进行观察分析,确定小关节在腰椎中的生物力学角色。在模拟左旋转运动状态过程中,固定LS下终板,对模型中腰4椎体上终板位置施加200牛顿的面压力(Pressure)以模拟人体自身重量对腰椎4、5节段的负荷,另在腰4上终板
4、位置上施加4牛顿·米的轴向扭矩。在左旋转运动状态下,小关节受力的部位与大小各不相同。小关节面的受力状况如下图所示。上述模型纤维环部位材料进行修改,杨氏模量改为3MPa,泊松比改成0.45,可以模拟椎间盘退变模型。同样的,对此椎间盘蜕变模型进行左旋转运动分析,扭矩大小不变,可以比较两种不同小关节在同一载荷状态下的受力分析比较。选取腰5的右上关节面作为比较分析对象,用l、2、3、4、5分别代表小关节的正中部、上边缘部、下边缘部、后中部和前中部,正常椎体与蜕变三讨论腰椎小关节是腰椎运动节段的重要结构,同其它节段小关节一样,在脊柱运动功能的结构力学中,参与人体脊柱对抗轴向压缩、前屈、后伸、轴
5、向旋转及复合运动状态。小关节的具体结构决定了其功能,使其在不同的运动状态中起着性质、大小不同的作用。同时,如果小关节自身性能发生了变异(炎症、退行性变),它的作用又将发生变化,并影响着椎间盘、终板及腰椎其它结构的力学作用,且从长期来看,还将影响与改变它们的力学性能。准确掌握腰椎小关节在其运动节段结构力学中的角色与作用,对正确认识整个节段的力学性能有重要帮助。有限元法可以建立三维腰椎模型并对其进行生物力学分析,这是近年来工程物理学法在医学领域的一种应用。与其它实验方法相比,它具有分析面广、内容多、可控制性、重复性好等优点,因此得到了广泛的使用。但是由于它也是一种非直接测量方法,所以关系
6、其分析结果正确与否的一个最直接原因,就是分析对象一建立的模型的好坏。近年来国内学者对腰椎模型进行分析的文章比较多,其中不少模型在几何外形或材料性能上大体都比较接近真实,但是它们有一个共同的缺陷,那就是在后部结构的小关节问题上,所采用的处理方法并不与实际相符。小关节的上关节面与下关节面构成一对接触面,也就是说,这两个面之间在接触时会出现相互挤压力与磨擦力(小关节骨化时更大),两面分开时应不存在相互作用,典型的情况是在椎体作轴向旋转运动时只有一侧小关节间存在相互压力,而另一侧由于分离而只由小关节囊韧带维持平衡。在与腰椎相关的有限元模型中,许多文章都未提到这一点,而且从某些模型可清楚看出,
7、其中的小关节部位两个关节面是连在一起的,从生物力学性能来看,两关节面除了相互挤压力外,还存在非小关节囊拉牵作用,这对正确分析腰椎小关节及整个腰椎的生物力学特性构成障碍。第二部分人工腰椎间盘置换改变L4-5运动节段应力分布的有限元分析椎间盘退变及其并发症是临床上的常见病和多发病。由于各种外在或内在损伤及生理老化,导致椎间盘损伤和破坏,临床上常见症状有椎间盘突出、椎间盘退变及椎间盘源性疾病(如椎间盘突出症、椎间盘退变性疾病等)。椎间盘结构和功能上的缺陷对脊柱的
