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有限元分析法在腰椎生物力学中的应用

发布于:2016-03-09 19:18
有限元分析

      基础研究和动物实验研究文献探讨有限方法对腰椎生理情况下的研究问题;文献探讨有限元分析方法在腰椎常用手术方式、固定器械和人工应用方面的引导;文献探讨有限元方法在腰椎骨折、脱位中的应用。
      目前对于人体腰椎生物力学的研究主要有两种方法:实验生物力学和理论生物力学。实验通常基于动物脊柱、人工脊柱模型或者尸体脊柱,能直接、直观地获得脊柱生物力学性能的信息。动物脊柱其骨性结构的几何特性与人体有较大差别,同时只有人类动物是直立行走动物所以在骨小梁等生物骨骼特性方面也有差异。人工脊柱模型虽然几何形状和人体相同但是材料特性与人差异很大。尸体脊柱因为有与活体类似力学特性使它有更好的科学参照和说明性,但尸体实验受到标本获得、实验条件、样本数量等限制无法广泛应用研究。
      有限元分析法是理论生物力学的主要实验方法之一,克服了以上几个方法的弊端,可以将人体骨骼如脊柱的结构形状、材料性能、载荷边界条件、包括内固定材料等用数学形式概括,可通过改变其中任一参数属性或形状以观察各部分的应力分布变化。通过有限元分析方法可以得到腰椎椎体内应力、髓核内应力、纤维内张力、椎间盘层间剪切力、椎间盘内结构的位移、脊柱的角位移、甚至小关节面间压力、韧带以及肌肉的受力情况等,这些是实验生物力学研究方法(如机械法、电测法、光测法等)很难测量到的。  
      脊柱是人体重要力学结构,腰椎又是脊柱中重要的组成部分,承载了人体近2/3的质量,其组织结构特性决定其在支撑人体重量、缓冲各种压力方面的功能。同时腰椎疾病是人体多发疾病之一,对腰椎椎骨、椎间盘的研究尤其重要。Ouaaid 等建立腹斜肌与腰椎模型,通过增加腹部肌肉对腰椎负荷的分析得出,腹部肌肉负荷过重直接导致腰椎应力增加,同时正确的站姿会减轻腰椎负担。李力涛等通过对坐姿环境下的L4~L5椎体进行了计算机仿真与分析,得出L4、L5椎体平均分布压力为0.996 MPa,在间盘后侧及后外侧水平出现应力集中现象,3.14 h后椎间盘压缩量超出舒适度允许范围之外,得出坐姿舒适性与时间关系的确立能够为现有的静态舒适性研究提供很好的验证和补充。Lievers等通过对松质骨骨小梁结构有限元的分析,得出松质骨的支撑作用与骨小梁的分布有一定关系,骨小梁分布往往呈的圆柱形,并且其周围成分对圆柱也有一定支撑作用,骨小梁的主要支撑作用来自于圆柱分布的密集程度。
      有限元方法可以模拟骨科不同的手术方式,并对效果进行生物力学比较,有效的节省了实验资源,同时对手术方式的可行性有了一定的预测。对于固定器械的固定力度、耐疲劳性等方面通过有限元分析也可以得到准确的数据,通过有限元分析可以简单、形象的分析出各种器械的生物力学情况。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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