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《浅议下颈椎三维有限元模型》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、浅议下颈椎三维有限元模型-->[摘要] 采用新鲜尸体完整颈椎标本,CT扫描读取C5椎节各结构的三维空间坐标,确立有限元模型的几何边界;根据文献设置材料参数;运用三维有限元分析程序ANSYS5.5,采用实体建模法建立颈椎骨性半结构的三维有限元模型。建立的C5椎节骨性半结构三维有限元模型,共有关键点564个,节点2178个,4面体单元7854个。模型模拟了下颈椎的椎体皮质骨、松质骨、终板以及颈椎侧块、椎弓根、椎板、横突、棘突等脊椎后结构的材料特性。所建模型结构完整,空间结构测量准确度高,单元划分精细,重点突出,较为准确地模拟了下颈椎的形态结构和生物力学特点。[关键词] 下颈椎;
2、有限元;计算机[ABSTRACT] Afreshcadavercervicalspinesography(CT).AccordingtothematerialpropertiesfromliteratureandthemathematicalmodelofC5vertebraebasedonCTscanningimageofthefreshcadavercervicalspines,thethree-dimensionalfiniteelementsmodel(TDFEM)ofC5vertebraestructureents.Besides,corticalshell,ca
3、ncellouscore,endplatesandposteriorelementsincludinglateralmasses,pedicle,lamina,transverseandspinousprocessesulated.Theadvantagesofthemodelincludeintactstructure,preciseelements,outstandingkeypointsandhighmeasureaccuracy.[KEY,体质量60kg,无椎管狭窄。1.2 建模方法与步骤 采用ANSYS5.5有限元分析软件,运用ANSYS程序,采用实体建模的方式,
4、具体建模过程采用自底向上实体建模方法,即从最低级图元向上构造模型。1.2.1 颈椎几何边界的获取 采用SomatomPlus-s型CT扫描机,将颈椎标本用有机玻璃固定架固定于中立位,沿扫描床的中轴线放置,调整扫描床高度,使被扫描标本位于扫描视野的中心,扫描条件为:120kV,165mA,层厚2mm,层间距0mm,自上而下进行螺旋扫描,扫描范围包括C5的全部骨性结构,空间分辨率0.198mm。扫描数据存入可读写光盘。自光盘读入存储资料,获取各断层图像,确立一个固定的坐标轴,读取C5各层不同结构属性的边界的三维坐标值,读取方法为皮质骨、松质骨、终板、后结构(包括椎板、小关节、棘
5、突、椎弓根)的边界的三维坐标,以X轴递减2单位(2mm)、Y轴跟随的规律共获得位置点800余个。1.2.2 定义关键点 进入ANSYS程序前处理器,建立工作平面,将CT图像的坐标系拟合为ANSYS的总体笛卡尔坐标。以CT扫描获得的颈椎三维坐标来定义关键点的三维坐标。运用ANSYS程序的完全交互式图形功能,输入关键点的三维坐标后所形成的各层关键点轮廓图像,与CT扫描的轮廓比较检验。1.2.3 几何模型的建立 首先根据CT扫描所得C5椎节各断面的轮廓图形的结构特性,将关键点连接形成各断层的线条图,同时运用ANSYS程序的完全交互式图形功能,进一步检验模型几何形状的准确性。然后据
6、椎节几何及物理属性将相邻层面的关键点连接成线,形成面;据颈椎三维结构的特点,利用几何元素和布尔运算操作生成基本的几何形状,用布尔运算将各个独立的实体模型域连接在一起。依据颈椎椎节左右对称的结构特点,建立C5椎节的半结构几何模型。再运用ANSYS分析程序的镜像复制功能复制对侧结构,从而建立C5椎节完整的几何模型(图1)。1.2.4 设置单元属性 根据颈椎的解剖结构特点,骨性结构模拟材料为椎体皮质骨、椎体松质骨、终板及后结构,材料参数的选择-->静态分析发展到动态分析频率响应。例如以往以椎间盘、或以运动单位为计算对象,而现在以胸腰椎以及胸廓的整体结构为研究对象,国内戴力扬[6]
7、报道了应用三维有限元法对胸腰椎爆裂性骨折损伤机制的分析。在骨折内固定的应力分布、人工关节的设计优化研究,骨折危险性预测、骨折愈合、预测骨的塑型以及骨质疏松症研究方面有限元模型已是不可缺少的方法[7]。由于颈椎在几何形状上的不规则性和组成物质的非均匀性以及用人体做力学试验的不可能性,因此有限元分析是一个十分理想、对身体无任何破坏的颈椎生物力学研究分析工具。以往有限元建模大多采用直接生成的方法[8]。用直接生成方法,在定义实体模型之前,必须确定每个节点的位置,及每个单元的大小、形状和连接。与直接生成对比,实体建模可直接
