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医学治疗中腰椎的有限元分析及临床意义

发布于:2016-09-17 17:29
有限元分析

      随着生活、工作压力日益加大,腰椎疾病成为威胁人类健康的一大杀手,人们对于腰椎疾病的关注也日益增强。临床上最常见的2类腰椎疾病有:腰椎间盘突出、椎间盘退变、腰椎骨质疏松和压缩性骨折。通过建立有效的腰椎有限元模型,分析腰椎各部分受力情况, 针对以上2种疾病的有限元模型分别加载不同的条件,再通过计算得出有限元分析结果,对于研究腰椎疾病的预防、诊断、治疗与评价具有重要意义。所谓有限元就是一种用于分析结构的矩阵方法,其基本原理是将一个由无限个质点和有限个自由度的连续体划分成有限个小单位体的集合体等。
      首次将有限元法应用于脊柱生物力学研究。有限元分析方法不仅将椎体、小关节等生动地呈现,甚至将周围的韧带、关节囊、肌肉都加入模型中,更加真实地反映脊柱的生长状态和受力情况。
      腰椎有限元建模方法包括3种:医学图像建模、数字化仪建模和剖解学数据建模。这种方法因过程繁杂、误差较大,且对象为尸体椎骨,无法体现腰椎的各种生理状态和建模的个性化,基本已被淘汰。而图像建模具有自动、标准、快速完成建模过程的优点,为后面的分析过程节省了很多时间,是腰椎有限元分析的主要研究方法。建模步骤为首先对研究对象腰椎区域进行扫描,获取影像数据,然后在等App中创建腰椎运动节段精确的几何模型,对几何模型实体化后再用App对实体模型赋予材料属性,对模型进行网格划分,从而建立腰椎运动节段的有限元模型。
      根据不同的实验目的,需要对腰椎的有限元模型施加不同的约束及模拟腰椎的生理载荷,以研究腰椎运动节段在不同载荷下的生物力学特性的改变。在余列道等人建立的正常等 椎体节段的有限元模型中,分析数据得知最大应力位于终板,应力分布呈蝶形,主要集中在腰椎后下缘,峡部是应力的集中部位。因腰椎存在自然弯曲,应力分布在每个腰椎节段上,其方向及大小都有所变化。仅在节段是成垂直方向的,压力大部分由腰椎间盘承受,而椎弓承受的较小,因此在椎弓被移除的情况下,椎间盘承受的压缩力量变化不大。
      在弯曲和扭转力矩的作用下,的应用力矩由椎间韧带承担,只有由椎间盘承担。当超过弹性极限时,椎间韧带和棘上韧带首先被损坏,由椎间盘承受的小部分力量进一步减小,后侧韧带张力增加,髓核需要抵抗的压缩力矩增大。
      工作压力大,生活节奏快导致越来越多的成人患上腰椎疾病,研究各类腰椎疾病患者的有限元分析刻不容缓。下面主要先容46种腰椎疾病的有限元分析结果,供治疗前分析参考。
      骨质疏松症是老年人易发的慢性疾病之一,原因为随着年龄的增长,骨密度下降和骨的细微结构被破坏,导致骨的脆性增加,易发生骨折。
      椎间盘退变是指髓核和纤维环的理化性质发生改变,随即出现髓核脱水(纤维环松弛甚至破裂的现象。随着变化程度的增加,弹性模量呈对称均匀的降低,最终恶化发展成椎间盘突出,即纤维环破裂后髓核突出压迫神经根造成以腰腿痛为主要表现的疾病。
      此外,当椎间盘髓核发生退行性改变时,椎间隙变窄而使脊柱前屈,椎体骨皮质自身发生退行性改变,椎间隙附近的骨皮质增生使强度增加,而椎体中部的骨量下降,使椎体前缘的皮质凹陷相对加大,椎体前缘的骨皮质所受载荷明显增加,载荷的传递从中柱向前柱转移,椎间盘摘除是目前常用的治疗椎间盘退变的手术方法之一,但术后远期效果不佳,主要原因是正常腰段脊柱的生理形态和生物力学机制因摘除了椎间盘而发生了变化, 腰椎功能紊乱,出现腰椎活动度改变、脊椎不稳、顽固性下腰痛甚至脊椎滑脱等症状。因此需要建立腰椎运动节段椎间盘摘除的三维有限元模型,分析椎间盘摘除后腰椎生物力学的改变。


                                                                                  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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