脊柱腰段椎间盘有限元力学分析及损伤模拟

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1、河北医科大学学位论文使用授权及知识产权归属承诺本学位论文在导师(或指导小组)的指导下，由本人独立完成。本学位论文研究所获得的研究成果，其知识产权归河北医科大学所有。河北医科大学有权对本学位论文进行交流、公开和使用。凡发表与学位论文主要内容相关的论文，第一署名为单位河北医科大学，试验材料、原始数据、申报的专利等知识产权均归河北医科大学所有。否则，承担相应法律责任。研究生签名：商泳／导师签章：红司P二级学院领导盖章：砂哆年，且，日河北医科大学研究生学位论文独创性声明本论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢等内容外，文中不包含其他人已经发表或撰写的研

2、究成果，指导教师对此进行了审定。本论文由本人独立撰写，文责自负。研究生签名：砸降L／导师签章：多易砒．沙f≥年月Et目录中文摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1英文摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3英文缩写⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6研究论文脊柱腰段椎间盘有限元力学分析及损伤模拟前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7日!J吾⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。’7材料与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

3、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·13附图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15附表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·22讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·23结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·27参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·28综述有限元方法在腰椎间盘力学研究中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3l致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··39个人简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4

4、0中文摘要脊柱腰段椎间盘有限元力学分析及损伤模拟摘要目的：脊柱腰段解剖结构复杂，负重较大且运动灵活，是临床病变的好发部位。其中腰椎间盘承担椎体间力的传导，并完成脊柱各向弯曲及扭转运动，易发生退变及损伤。分析脊柱腰段椎间盘的生物力学特性是推断损伤及指导治疗的重要途径。本研究旨在利用CT及MR／图像DICOM数据对正常脊柱腰段主要结构进行三维重建，然后对模型进行网格划分和材料属性设定使其成为有限元模型并进行受力分析。参考腰椎间盘突出病例进行脊柱腰段椎间盘损伤的计算模拟。以数字技术来揭示腰椎间盘解剖结构特点，分析正常及退变时腰椎间盘的生物力学特性，探讨易损伤部位，对腰椎间盘突出的发生机制

5、、预防、治疗以及康复提供理论指导。方法：选取一健康成年男性志愿者进行数据采集，于相同体位分别行螺旋CT扫描和MRI扫描，扫描范围包括全部腰椎、椎间盘及骶骨上部结构，将CT和MRI扫描数据以DICOM格式分别存储入可读写光盘。在Mimicsl4．0软件内使用阈值调整工具、区域增长工具、选择性编辑工具和Remesh功能，依据CT数据重建LI～L5椎骨及骶骨上部的三维模型，依据MRI数据重建LI～L5椎间盘髓核的三维模型。将所建模型导入Geomagicl2．0软件中对位组装，利用桥接工具形成椎间盘模型，通过偏移功能构建终板模型和韧带模型，最后进行布尔运算生成纤维环模型。将所有模型导回Mi

6、micsl4．0中组装并自动划分面网格和体网格。将模型导入Ansysl3．0中设定材料属性，重划网格，设置接触关系，对第五腰椎椎体和下关节突关节面进行约束。脊柱腰段三维有限元正常模型构建完成后，在Ansysl3．0中对模型的L4~L5节段分级加力验证模型有效性。通过改变材料属性建立退变模型模拟腰椎间盘突出。对正常及退变模型的L4椎骨分别施加轴向力及力偶模拟脊柱腰段的负重载荷、前屈运动、后伸运动、侧弯运动、旋转运动五种状态，分析其形变及力学特征。依据L4~L5退变椎间盘受力特点，确定纤维环易损伤部位。结果：利用Mimicsl4．0和Geomagicl2．0软件，基于CT及MRI扫描图

7、像DICOM数据，建立了脊柱腰段的三维模型及有限元模型，包含L1~L5中文摘要的椎骨、五个椎间盘、骶骨上端、前纵韧带、后纵韧带等重要结构。该模型与脊柱标本相比具有较高相似性且可以进行有限元力学分析。通过改变模型材料属性成功建立退变椎间盘模型。对模型分级加力对比分析，验证了模型的有效性。对正常和退变模型加力模拟了脊柱腰段的负重载荷、前屈运动、后伸运动、侧弯运动、旋转运动五种状态。通过测量纤维环后缘中央和两外侧区等效应力大小，得到了在不同状态下纤维环后缘应力分布数据。求解