颈枕部三维非线性有限元模型的有效性验证

作     者：李雷 姜红堃 王刚 段景柱 金国鑫 王欢 

作者机构：中国医科大学附属盛京医院脊柱创伤骨科辽宁省沈阳市110004 中国医科大学附属一院儿科辽宁省沈阳市110001 沈阳骨科医院创伤骨科辽宁省沈阳市110044 

出 版 物：《中国组织工程研究》 (Chinese Journal of Tissue Engineering Research)

年 卷 期：2013年第17卷第17期

页      面：3049-3056页

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 

基　　金：辽宁省博士启动基金项目(20081049)~~ 

主　　题：骨关节植入物 脊柱植入物 颈椎 生物力学 有限元法 寰枕关节 寰枢关节 省级基金 

摘      要：背景:人体组织属性主要表现为非线性,颈枕部的生物力学特点更易受软组织材料属性变化的影响,因此建立非线性有限元模型与人体真实属性更接近。目的:构建正常成人颈枕部三维非线性有限元模型并验证其有效性。方法:利用MarConi MX8000多层螺旋CT对健康成人进行颅底-C3段扫描,获取二维图像。直接读入Dicom格式原始图像,图像分割,数据光顺,三维重建后生成颅底-C3节段脊柱三维实体模型;将此模型导入ScanFE模块,进行体网格划分;在ANSYS10.0软件中直接导入以上三维模型,构建颅底-C3段内韧带单元,模拟韧带力-位移曲线,建立完成颅底-C3段的三维非线性有限元模型。垂直向下方向施加40N预载荷,1.5Nm力矩模拟前屈、后伸、侧屈及旋转运动,对比分析实验结果,判断模型应力分布与临床相符度。结果与结论:构建的三维非线性有限元模型包括663551个单元,178247个节点。施加预载荷及1.5N*m力矩后,寰枕关节运动范围为前屈13.3°、后伸11.9°、侧屈4.3°、旋转8.7°;寰枢关节运动范围为前屈15.5°、后伸12.6°,侧屈6.4°、旋转30.8°,与尸体标本实验结果相符。从整个模型的纵向应力分布看,在任何相对位置状态下,枢椎齿状突后方的应力均较高,后伸位时应力增高区域加大。上颈椎的应力主要集中于椎管周围,寰椎侧块两端及枢椎横突的应力则较小。对比研究发现,在不同相对工况下前屈、后伸、侧屈、旋转时C2-C3小关节应力均大于钩椎关节,颈枕部三维非线性有限元模型的应力分布特点符合临床实际情况。结果提示应用多层螺旋CT扫描得到的二维图像及simpleware、Ansys10.0软件,建立的颈枕部三维非线性有限元模型符合人体真实的运动规律,可以很好地模拟颈枕部的生物力学特性。