基于三維有限元模型的脊柱生物力學(xué)特性研究.pdf

1、脊柱相關(guān)疾病研究是一門新興的邊緣學(xué)科，是指脊柱由于力平衡失調(diào)或其周圍軟組織炎癥而改變，引起其他系統(tǒng)相應(yīng)出現(xiàn)病癥的一類疾病，屬于臨床常見疾病，其中腰椎病與頸椎病因發(fā)病率較高而成為研究熱點(diǎn)。本課題研究的目的是為了充分了解脊柱的生物力學(xué)特性，特別是椎間盤的生物力學(xué)特性，從而輔助醫(yī)生進(jìn)行分析，使其對各類脊柱相關(guān)疾病做出更加具體、正確、高效的回應(yīng)，解決脊柱相關(guān)疾病給人們帶來的困擾。根據(jù)整個(gè)生物力學(xué)特性分析實(shí)驗(yàn)的完整步驟，本文的主要內(nèi)容分為四個(gè)階段

2、：圖像預(yù)處理、幾何建模、幾何模型數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)換以及有限元模型分析。
　　 圖像預(yù)處理階段：首先根據(jù)腰椎圖像的醫(yī)學(xué)影像特性，采用閾值法分割腰椎CT圖像序列，得到質(zhì)量較高、效率較好的椎體和椎間盤分割結(jié)果；其次綜合考慮重采樣后椎體和椎間盤的信息保留量以及幾何建模的模型質(zhì)量，選擇適當(dāng)比率對圖像序列進(jìn)行重采樣操作，得到較好的采樣結(jié)果。
　　 幾何建模階段：首先運(yùn)用vtkContourFilter和vtkMarchingCubes

3、兩種建模方法對不同大小的斷層序列圖像進(jìn)行建模，詳細(xì)比較各種情況下所建模型的模型質(zhì)量和模型數(shù)據(jù)，從而確定了8:1的重采樣比例以及采用面繪制方法為輪廓連接法；其次對模型進(jìn)行了網(wǎng)格簡化和平滑處理，成功獲得完好的腰椎建模結(jié)果。
　　 幾何模型數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)換階段：用vtkSTLWriter以及GeomagicStudio8，成功地將VTK格式的腰椎模型數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成IGES格式的腰椎模型數(shù)據(jù)文件。
　　 有限元模型分析階段：為了

4、建立實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析，同時(shí)考慮到網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，需要對模型進(jìn)行修減，即刪除較小的面片，填補(bǔ)較大的面片，盡量使得每個(gè)面片的大小差不多。因?yàn)槿敲嫫瑪?shù)較多，考慮到修減全腰椎模型工作量太大，而計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力有限，所以選取了L4-L5節(jié)段模型，詳細(xì)分析了其不同方向、不同載荷情況下的模型位移、模型應(yīng)力分布、椎間盤位移以及椎間盤應(yīng)力分布。
　　 最后，對整篇論文的工作和研究成果進(jìn)行了總結(jié)，并提出了進(jìn)一步的研究設(shè)想和目標(biāo)。