生理載荷下椎間盤力學(xué)性能的實驗研究及有限元分析.pdf

1、腰椎間盤突出癥是脊椎類疾病中最為多見的病癥之一，也是引起腰腿痛最為主要的原因，給病人的生理和心理健康帶來了嚴重威脅，同時也給當代社會帶來了沉重負擔。長期機械負荷或超額負載被認為是導(dǎo)致椎間盤退變的重要原因。由于腰椎間盤突出癥的發(fā)生與其力學(xué)狀態(tài)有著密切的關(guān)系，因此有必要深入研究椎間盤在生理載荷下的力學(xué)行為，為椎間盤突出癥的預(yù)防和臨床治療提供理論依據(jù)，同時對椎間盤的力學(xué)性能評價和人工構(gòu)建椎間盤具有重要意義。
　　本課題從實驗和仿真兩個方

2、面對動物腰椎間盤在生理載荷下的力學(xué)行為進行了研究。實驗研究部分進行了動物腰椎節(jié)段的壓縮實驗和生理載荷下椎間盤上表面的應(yīng)變場測量實驗。在動物腰椎節(jié)段的壓縮實驗中得到了動物腰椎節(jié)段在壓縮條件下的位移載荷曲線，曲線呈非線性；在生理載荷下椎間盤上表面的應(yīng)變場測量實驗中,采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究了動物腰椎間盤在壓縮和前屈載荷下椎間盤上表面的力學(xué)狀態(tài)，實驗結(jié)果顯示，在前屈載荷下應(yīng)變場出現(xiàn)一定的分布規(guī)律。
　　仿真部分采用了逆向工程技術(shù)，基于C

3、T掃描技術(shù)，結(jié)合3D圖像生成及編輯處理軟件Mimics、逆向工程軟件Geomagic Studio、三維繪圖軟件SolidWorks以及有限元分析軟件ANSYS建立具有椎間盤的完整動物腰椎模型，其中的椎間盤包含纖維環(huán)基質(zhì)、纖維環(huán)纖維、髄核及終板四個部分。然后對腰椎節(jié)段模型分布進行了在壓縮、前屈、扭轉(zhuǎn)三種生理載荷作用下的有限元分析，并將仿真結(jié)果和實驗結(jié)果進行了對比，兩項結(jié)果基本一致，證實了本研究中所建立的模型具有較高可行性，仿真結(jié)果具有參

4、考價值。從有限元分析結(jié)果中可得出結(jié)論：在扭轉(zhuǎn)載荷作用的條件下，椎間盤纖維環(huán)上出現(xiàn)了最大應(yīng)力，可見扭轉(zhuǎn)載荷最容易使纖維環(huán)發(fā)生破壞，引發(fā)椎間盤突出。同時從纖維環(huán)中纖維的受力狀態(tài)可以看出：在扭轉(zhuǎn)載荷作用時，纖維傾斜并互相交叉的生長方式對椎間盤起到了很好的保護作用。同樣通過有限元仿真，研究了髄核和纖維對椎間盤整體力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：（1）纖維和髄核對模型都有一定影響，其中纖維的影響較為明顯；（2）完整的椎間盤模型會大大縮小不同載荷條件下的