正常及退變頸椎椎間盤(pán)的數(shù)字分析.pdf

1、目的:本研究旨在利用CT和MRI掃描正常頸椎所得數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)重建人體脊柱頸段可視化三維有限元數(shù)字模型，分析正常頸椎間盤(pán)在不同工況下的應(yīng)力分布，并通過(guò)改變材料賦值模擬頸椎椎間盤(pán)退變，分析其力學(xué)改變，從而豐富研究資料，為后續(xù)的頸椎病尤其是頸椎椎間盤(pán)突出癥的預(yù)防、治療、預(yù)后及人工椎間盤(pán)的開(kāi)發(fā)與評(píng)估等提供研究平臺(tái)與可靠保證。
　　方法:選取一名身材最大程度地接近目前中國(guó)人的50百分位體型的健康成年男性志愿者進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集。志愿者采用

2、相同體位分別行螺旋CT掃描和MRI掃描，掃描范圍設(shè)置為顱底上方2cm至第一胸椎下方2cm，掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式保存。在Mimics15.0（試用版）軟件中，利用閾值劃分等工具提取熱區(qū)，經(jīng)過(guò)蒙板、分離、填充、去突、補(bǔ)凹、光滑等步驟處理，基于CT數(shù)據(jù)建立包含C1-C7全部頸椎節(jié)段的骨性模型，基于MRI數(shù)據(jù)建立髓核的3D模型。將所建模型導(dǎo)入逆向工程軟件GeomagicStudio12.0中組裝，使用橋接工具建立椎間盤(pán)模型，通過(guò)偏移功能生成

3、終板模型和韌帶模型，最后進(jìn)行布爾運(yùn)算建立纖維環(huán)模型。將各組件導(dǎo)回Mimics15.0（試用版）中，合成完整的頸椎3D模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將體網(wǎng)格模型導(dǎo)入Ansys13.0中賦值后，再次劃分體網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件，最終建立頸椎三維有限元數(shù)字模型。通過(guò)對(duì)C5-C6節(jié)段加力來(lái)驗(yàn)證該模型的可靠性。為模擬頸椎椎間盤(pán)突出，改變材料賦值建立退變模型。之后，對(duì)正常及退變模型逐一施加軸向載荷及力偶，模擬并分析頸椎在軸向壓縮、前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)五種工況

4、下的形變及應(yīng)力變化。
　　結(jié)果:聯(lián)合運(yùn)用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件Mimics15.0（試用版）、GeomagicStudio12.0和Ansys13.0，對(duì)CT、MRI掃描所得DICOM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，創(chuàng)建了一個(gè)較精確的正常人體頸椎C1-C7有限元模型，包含7個(gè)椎骨文件、5個(gè)椎間盤(pán)髓核文件、10個(gè)終板文件、5個(gè)纖維環(huán)文件、1個(gè)前縱韌帶文件、1個(gè)后縱韌帶文件和12個(gè)黃韌帶文件。模擬的解剖結(jié)構(gòu)細(xì)膩準(zhǔn)確、高度仿真，經(jīng)測(cè)量和計(jì)算模型在預(yù)載荷下的活動(dòng)

5、范圍，驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確有效，可用于后續(xù)的有限元分析。經(jīng)過(guò)改變有限元模型各組成成分的材料賦值，建立了退變的椎間盤(pán)有限元模型。通過(guò)施加載荷模擬軸向壓縮、前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)各工況下正常及退變椎間盤(pán)的位移和等效應(yīng)力變化，求解得到了椎間盤(pán)各組件的位移形變、等效應(yīng)力分布云圖和動(dòng)畫(huà)等。通過(guò)測(cè)量纖維環(huán)后緣中部和兩外側(cè)區(qū)等效應(yīng)力的改變以及對(duì)比正常和退變椎間盤(pán)形變位移和等效應(yīng)力云圖，得到以下結(jié)果:
　　在模擬脊柱頸段負(fù)重狀態(tài)時(shí)，正常椎間盤(pán)應(yīng)力集中在

6、椎間盤(pán)后半部分，且后緣中點(diǎn)應(yīng)力最大。椎間盤(pán)退變后，髓核及纖維環(huán)均形變減小并且形變區(qū)域向后部移動(dòng)，髓核的應(yīng)力值沒(méi)有明顯變化，終板應(yīng)力較正常有所增大，纖維環(huán)的應(yīng)力值明顯變小，但在應(yīng)力分布上纖維環(huán)后緣中部較外側(cè)部大。
　　在模擬脊柱頸段前屈、后伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)等四種生理活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，退變椎間盤(pán)的整體應(yīng)力分布變化趨勢(shì)與正常椎間盤(pán)基本一致。正常椎間盤(pán)的纖維環(huán)應(yīng)力均表現(xiàn)為后緣中部較后緣外側(cè)部大。退變后，纖維環(huán)的應(yīng)力水平均比正常時(shí)升高，但纖維環(huán)的應(yīng)

7、力分布則有所不同:在后伸時(shí)與軸向壓縮時(shí)一樣，后緣中部較后緣外側(cè)部大，而在脊柱前屈、側(cè)彎時(shí)后緣兩外側(cè)部較后緣中部大。
　　結(jié)論:
　　1、建立了一個(gè)較精確的正常人體頸椎C1-C7有限元數(shù)字模型，其中利用MRI的T2序列數(shù)據(jù)建立的椎間盤(pán)髓核更加接近真實(shí)狀態(tài)。整個(gè)模型仿真度高，經(jīng)驗(yàn)證準(zhǔn)確有效，可用于后續(xù)的有限元分析。
　　2、成功建立了C5-C6頸椎間盤(pán)退變的有限元數(shù)字模型。并通過(guò)施加載荷模擬出了不同工況下椎間盤(pán)的位移和等效