本文關(guān)鍵詞： 腰椎間盤 纖維環(huán) 數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù) 有限元分析　出處：《天津理工大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在臨床醫(yī)學(xué)上,腰椎間盤突出癥成為越來越常見的疾病,大大加重了病人的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和生活成本。腰椎間盤具有維持脊柱高度和分散載荷,連接上下椎體等作用,由于脊椎承受強(qiáng)度大、頻率高的力學(xué)環(huán)境,椎間盤也極易損傷。腰椎間盤病變的原理較復(fù)雜,到目前為止還不能準(zhǔn)確解釋出原因,但是臨床醫(yī)學(xué)表明,生物力學(xué)因素是該疾病發(fā)生的一個(gè)重要因素。所以,從對預(yù)防椎間盤疾病的發(fā)生著手,需要對腰椎間盤在承受各種載荷時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行深入的研究。本文從動(dòng)物腰椎間盤實(shí)驗(yàn)和有限元仿真兩個(gè)方面進(jìn)行研究,探討腰椎間盤不同層區(qū)的力學(xué)性能以及應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)部分中,利用豬的腰椎間盤節(jié)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn),采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)、電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)等實(shí)驗(yàn)儀器,測出纖維環(huán)應(yīng)變的位移場和應(yīng)變場。采用數(shù)值分析方法,得到了纖維環(huán)不同分層區(qū)域的應(yīng)力-應(yīng)變大小關(guān)系,并做了對比;腹側(cè)和背側(cè)的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變也做了對照;位移場測量實(shí)驗(yàn)中,得到了位移場的變化云圖。通過本實(shí)驗(yàn)還可以得到,椎間盤在承受生理載荷的作用下纖維環(huán)呈現(xiàn)出非線性的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在有限元仿真中,借助逆向工程技術(shù)軟件Geomagic studio、醫(yī)學(xué)圖像分析軟件Mimics、制圖軟件SolidWorks,并利用有限元分析軟件ANSYS構(gòu)建出腰椎間盤模型,包含髓核、纖維環(huán)基質(zhì)、纖維環(huán)纖維和終板,并且賦予合理的單元類型和材料屬性。根據(jù)臨床研究結(jié)果,模擬了人類習(xí)慣性的三種狀態(tài)下腰椎體的各部分變化情況,分別為:一模擬在直立行走時(shí)腰椎體受到700N的作用載荷;二模擬在靜坐時(shí)腰椎體受到1000N的作用載荷;三模擬在過度載荷時(shí)腰椎體受到5000N的作用載荷;加載方式為均布載荷,選取L1椎體表面458個(gè)節(jié)點(diǎn),通過節(jié)點(diǎn)均勻施加載荷。仿真結(jié)果表明:一是纖維環(huán)腹側(cè)的應(yīng)變大于背側(cè)的,與實(shí)驗(yàn)的結(jié)論一致;二是承受均布載荷時(shí),纖維環(huán)向四周膨出;三是應(yīng)力最大出現(xiàn)在關(guān)節(jié)棘突上,應(yīng)力變化從外層到內(nèi)層遞減。最后采用較為復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)耦合建立剛性域的加載方法,模擬了人在運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生側(cè)彎受到20N.m的彎矩作用以及在提起重物時(shí)受到50N.m彎矩作用時(shí),討論了椎間盤各組分的位移場、應(yīng)力場以及應(yīng)變場的變化趨勢和分布規(guī)律,并對此進(jìn)行了簡要的分析。本實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論對于腰椎間盤疾病防治、腰椎間盤缺損修復(fù)以及人工腰椎間盤材料研制等都具有重要的科學(xué)意義,并且對椎間盤疾病的臨床治療提供指導(dǎo)意義。
[Abstract]:In clinical medicine, lumbar disc herniation has become a more and more common disease, greatly increasing the economic burden and living costs of patients. The lumbar disc has the function of maintaining the height of the spine and dispersing load, connecting the upper and lower vertebrae, etc. Because of the mechanical environment of high intensity and high frequency, the intervertebral disc is easily damaged. The principle of lumbar disc disease is more complicated, so far it can not explain the cause accurately, but clinical medicine shows that, Biomechanical factors are an important factor in the development of the disease. It is necessary to study the stress-strain state of lumbar intervertebral disc under various loads. The mechanical properties and stress-strain law of different layers of lumbar intervertebral disc were discussed. In the experiment part, the experiment was carried out by using the segment of the lumbar intervertebral disc of the pig, the digital image correlation technique and the electronic universal tensile testing machine, and so on. The displacement field and strain field of fiber ring strain were measured. The stress-strain relationship in different layers of fiber ring was obtained by numerical analysis, and the axial strain and radial strain of ventral side and dorsal side were also compared. In the displacement field measurement experiment, the change cloud picture of displacement field is obtained. Through this experiment, we can also get that the fiber ring of intervertebral disc exhibits nonlinear stress-strain curve under the action of physiological load. In the finite element simulation, With the aid of reverse engineering software Geomagic studio, medical image analysis software Mimics, drawing software SolidWorksand using finite element analysis software ANSYS to construct lumbar intervertebral disc model, including nucleus pulposus, fibrous annular matrix, fibrous annulus fiber and endplate. According to the results of clinical research, the changes of each part of lumbar vertebrae were simulated under the three kinds of human habitual conditions, which were as follows: (1) simulating that the lumbar vertebra was subjected to a load of 700N while walking upright; The second simulates that the lumbar vertebrae is subjected to a load of 1000N during sit-down, and the third is that the lumbar vertebra is subjected to a load of 5000N under excessive load. The loading mode is uniform load, and 458 nodes on the surface of L1 vertebra are selected. The simulation results show that the strain of the ventral side of the fiber ring is greater than that of the dorsal side, which is consistent with the experimental conclusion, the second is that the fiber loop bulges around the joint under uniform load, and the third is that the maximum stress appears on the spinous process of the joint. The variation of stress decreases from outer layer to inner layer. Finally, the loading method of rigid domain is established by using a more complicated node coupling method, which simulates the action of the bending moment of 20N.m in the motion and the bending moment of 50N.m when the heavy object is lifted. The change trend and distribution of displacement field, stress field and strain field of each component of intervertebral disc were discussed, and the results of this experiment were analyzed briefly. The repair of lumbar disc defects and the development of artificial lumbar disc materials are of great scientific significance and provide guidance for the clinical treatment of disc diseases.
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：R681.53;R318.01

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李洋;張開治;楊壽君;張為眾;李銳;;足部和手部有限元分析模型的建立及應(yīng)用進(jìn)展[J];吉林醫(yī)學(xué);2007年07期

2 金衛(wèi)東;尹飛鴻;;可折疊手推輪椅的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析[J];機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新;2012年05期

3 王光輝,楊曉忠;一類非定常流的奇異有限元分析[J];高等學(xué)校計(jì)算數(shù)學(xué)學(xué)報(bào);2000年03期

4 袁相鵬;徐增豪;殷超;;基于COSMOSWorks對受非均布載荷零件有限元分析[J];精密制造與自動(dòng)化;2007年03期

5 張福江;肖瑜;;有限元分析在人工髖關(guān)節(jié)中應(yīng)用的研究進(jìn)展[J];天津醫(yī)藥;2011年09期

6 薛強(qiáng);盧曉艷;;人體頭頸計(jì)算機(jī)模型的建立與有限元分析[J];微計(jì)算機(jī)信息;2008年06期

7 黃晶晶;丁皓;沈力行;喻洪流;趙改平;酈鳴陽;;Ansys有限元分析在假腳設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J];中國組織工程研究與臨床康復(fù);2008年39期

8 ;本刊已出版的“骨與關(guān)節(jié)有限元分析”熱點(diǎn)文章題錄[J];中國組織工程研究與臨床康復(fù);2011年43期

9 范清;張菁;;有限元分析與髖關(guān)節(jié)研究進(jìn)展[J];國際骨科學(xué)雜志;2007年01期

10 曹玉玲,傅洋,王自明;工業(yè)CT在新產(chǎn)品輔助設(shè)計(jì)中的應(yīng)用(英文)[J];CT理論與應(yīng)用研究;2000年S1期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 邵敏;曹秋良;滕冶;;智能化有限元分析軟件[A];土木工程計(jì)算機(jī)應(yīng)用文集——中國土木工程學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)會(huì)第五屆年會(huì)論文集[C];1993年

2 馮剛;薛順應(yīng);;圓柱形應(yīng)急充氣倉庫的有限元分析[A];第七屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];1994年

3 王進(jìn);;有限元分析在大型觀覽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[A];中國煤炭學(xué)會(huì)煤礦機(jī)電一體化專業(yè)委員會(huì)、中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)煤礦電工專業(yè)委員會(huì)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2004年

4 顧明劍;劉沈如;張其林;;受拉錨固節(jié)點(diǎn)承載能力的有限元分析[A];第四屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2004年

5 王林燕;;海洋平臺加強(qiáng)環(huán)有限元分析[A];2013年中國海洋工程技術(shù)年會(huì)論文集[C];2013年

6 王春江;唐宏章;陳鋒;袁菁穎;于二青;;有限元分析系統(tǒng)中的快速求解技術(shù)[A];第九屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2009年

7 司志強(qiáng);;有限元分析在新型液壓履帶式強(qiáng)夯機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[A];2012年全國地方機(jī)械工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（河南分冊）[C];2012年

8 司志強(qiáng);;有限元分析在新型液壓履帶式強(qiáng)夯機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[A];2011年河南省先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2011年

9 齊文文;郭春寶;;礦用車懸掛有限元分析[A];北京力學(xué)會(huì)第17屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2011年

10 王路遙;張艷霞;劉金瑤;劉力力;;鋼結(jié)構(gòu)梁柱擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)抗震性能的有限元分析[A];第2屆全國工程安全與防護(hù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下冊）[C];2010年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 馬沁怡;基于KBE的快速有限元分析方法研究[D];大連理工大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 郭藝華;騎行時(shí)人車系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)及相關(guān)有限元分析[D];天津理工大學(xué);2015年

2 劉建輝;正常及退變頸椎椎間盤的數(shù)字分析[D];河北醫(yī)科大學(xué);2015年

3 陳戈;基于新國標(biāo)的液壓支架用立柱設(shè)計(jì)計(jì)算及有限元分析[D];鄭州大學(xué);2015年

4 宋志東;TBM撐靴系統(tǒng)關(guān)鍵件的有限元分析與機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)[D];鄭州大學(xué);2015年

5 李德陽;鋼箱型人行天橋力學(xué)性能的有限元分析[D];大連海事大學(xué);2014年

6 郭杰;叉車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件有限元分析及試驗(yàn)研究[D];山東理工大學(xué);2012年

7 佟強(qiáng);基于改進(jìn)有限元分析的永磁調(diào)速器性能研究[D];東北石油大學(xué);2015年

8 馬娟;預(yù)制帶肋墻板疊合墻抗剪性能的有限元分析[D];蘭州大學(xué);2016年

9 王志超;平面靜壓微摩擦技術(shù)研究[D];吉林大學(xué);2016年

10 李文強(qiáng);基于有限元分析的龍門機(jī)床橫梁動(dòng)力學(xué)研究[D];陜西理工學(xué)院;2016年

，

本文編號：1508837