隨著科學技術的發(fā)展,研究正常腰椎在外載下的力學行為、掌握退變腰椎的發(fā)病機理、對比不同手術方案對腰椎的治療效果成為如今生物力學的重要研究方向之一。本文首先研究了現(xiàn)如今主要的腰椎三維模型建立方法以及腰椎節(jié)段各組織結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型,在此基礎上,通過逆向建模技術對腰椎三維模型建立方法進行改進并對椎間盤的本構(gòu)模型進行了深層次的研究,建立出了可靠的腰椎有限元模型,通過有限元方法對模型進行仿真計算。進一步的應用此模型研究了腰椎退變對腰椎節(jié)段力學行為的影響,比較了采用不同椎間融合器的手術對腰椎節(jié)段力學行為的影響。本研究主要可以分為三個部分:第一部分基于圖像處理技術,建立了腰椎三維模型,研究了傳統(tǒng)理論中腰椎組織結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型和邊界條件,最終對有限元模型的可靠性進行驗證。其結(jié)果顯示:（1）有限元模型可以真實反映腰椎在各工況下的活動度;（2）有限元模型得到的椎間盤盤內(nèi)壓和醫(yī)學實驗結(jié)果數(shù)值相差很大。第二部分通過逆向建模技術改進了建立腰椎三維模型的方法,利用超彈性本構(gòu)模型改進傳統(tǒng)理論建立的有限元模型,并對有限元網(wǎng)格方法進行了進一步的研究,最終對有限元模型的可靠性進行驗證。第三部分將改進的腰椎有限元模型應用于研究退... 

【文章來源】：南京航空航天大學江蘇省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：90 頁

【學位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 選題背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 腰椎節(jié)段生理解剖結(jié)構(gòu)
        1.2.2 退變腰椎研究現(xiàn)狀
        1.2.3 腰椎椎間融合手術研究現(xiàn)狀
        1.2.4 有限元法在腰椎生物力學的研究現(xiàn)狀
            1.2.4.1 椎骨有限元模型
            1.2.4.2 椎間盤有限元模型
            1.2.4.3 韌帶和椎間關節(jié)的有限元模型
        1.2.5 結(jié)論
    1.3 本文研究的主要內(nèi)容
第二章 基于Mimics的腰椎有限元模型建立及模型驗證
    2.1 引言
    2.2 建模軟件與建模方法
        2.2.1 CT基本原理
            2.2.1.1 CT圖像采集方法
            2.2.1.2 CT圖像成像原理
            2.2.1.3 CT圖像的特點
        2.2.2 醫(yī)學建模軟件Mimics
        2.2.3 Mimics軟件建立椎體模型的主要步驟和方法
    2.3 腰椎L4-L5 節(jié)段三維模型建立
        2.3.1 腰椎L4-L5 節(jié)段椎骨三維模型建立
            2.3.1.1 材料獲取
            2.3.1.2 切片圖像處理
            2.3.1.3 腰椎L4-L5 節(jié)段椎骨三維模型生成
        2.3.2 腰椎L4-L5 節(jié)段椎間盤三維模型建立
        2.3.3 腰椎L4-L5 節(jié)段椎間關節(jié)三維模型建立
    2.4 腰椎L4-L5 節(jié)段有限元模型建立
        2.4.1 腰椎L4-L5 節(jié)段三維模型處理
        2.4.2 腰椎L4-L5 節(jié)段整體模型體網(wǎng)格生成
        2.4.3 腰椎L4-L5 節(jié)段的材料屬性
            2.4.3.1 腰椎L4-L5 節(jié)段腰椎的材料屬性
            2.4.3.2 腰椎L4-L5 節(jié)段椎間盤及關節(jié)的材料屬性
        2.4.4 腰椎L4-L5 節(jié)段韌帶的建立
        2.4.5 腰椎L4-L5 節(jié)段有限元模型接觸關系、邊界條件和載荷設置
            2.4.5.1 接觸關系設置
            2.4.5.2 邊界條件設置
            2.3.4.3 載荷設置
    2.5 結(jié)果
        2.5.1 有限元仿真載荷-形變驗證
            2.5.1.1 軸向載荷工況有限元仿真結(jié)果
            2.5.1.2 前屈載荷工況有限元仿真結(jié)果
            2.5.1.3 后伸載荷工況有限元仿真結(jié)果
            2.5.1.4 側(cè)彎載荷工況有限元仿真結(jié)果
            2.5.1.5 扭轉(zhuǎn)載荷工況有限元仿真結(jié)果
        2.5.2 有限元仿真椎間盤盤內(nèi)壓驗證
            2.5.2.1 前屈載荷工況椎間盤盤內(nèi)壓驗證
            2.5.2.2 側(cè)彎載荷工況椎間盤盤內(nèi)壓驗證
        2.5.3 討論
    2.6 本章小結(jié)
第三章 腰椎有限元模型改進及模型驗證
    3.1 引言
    3.2 腰椎L4-L5 節(jié)段三維模型重建及改進
        3.2.1 逆向建模軟件Geomagic
        3.2.2 工程建模軟件Catia
        3.2.3 腰椎L4-L5 節(jié)段腰椎三維模型改進
            3.2.3.1 腰椎L4-L5 節(jié)段腰椎曲面模型重建
            3.2.3.2 腰椎L4-L5 節(jié)段腰椎三維模型重建
            3.2.3.3 腰椎L4-L5 節(jié)段椎間盤三維模型改進
            3.2.3.4 腰椎L4-L5 節(jié)段椎間關節(jié)三維模型改進
    3.3 腰椎L4-L5 節(jié)段有限元模型改進
        3.3.1 腰椎L4-L5 節(jié)段整體模型體網(wǎng)格改進
        3.3.2 腰椎L4-L5 節(jié)段的材料屬性改進
            3.3.2.1 腰椎L4-L5 節(jié)段腰椎的材料屬性
            3.3.2.2 腰椎L4-L5 節(jié)段椎間盤的材料屬性改進
    3.4 結(jié)果
        3.4.1 有限元仿真載荷-形變驗證
            3.4.1.1 軸向載荷工況有限元仿真結(jié)果
            3.4.1.2 前屈載荷工況有限元仿真結(jié)果
            3.4.1.3 后伸載荷工況有限元仿真結(jié)果
            3.4.1.4 側(cè)彎載荷工況有限元仿真結(jié)果
            3.4.1.5 扭轉(zhuǎn)載荷工況有限元仿真結(jié)果
        3.4.2 有限元仿真椎間盤盤內(nèi)壓驗證
            3.4.2.1 前屈載荷工況椎間盤盤內(nèi)壓驗證
            3.4.2.2 側(cè)彎載荷工況椎間盤盤內(nèi)壓驗證
        3.4.3 椎間盤本構(gòu)對結(jié)果影響
        3.4.4 有限元模型網(wǎng)格密度研究
        3.4.5 討論
            3.4.5.1 各載荷工況的腰椎應力分布
            3.4.5.2 各載荷工況的椎間關節(jié)應力分布
            3.4.5.3 建立腰椎有限元模型方法改進
    3.5 本章小結(jié)
第四章 退變腰椎及其手術模擬的有限元仿真
    4.1 引言
    4.2 退變腰椎L4-L5 節(jié)段有限元仿真
        4.2.1 椎間盤膨出的腰椎L4-L5 節(jié)段有限元仿真
            4.2.1.1 椎間盤膨出的腰椎L4-L5 節(jié)段有限元模型建立
            4.2.1.2 結(jié)果
            4.2.1.3 討論
        4.2.2 骨質(zhì)疏松腰椎L4-L5 節(jié)段有限元仿真
            4.2.2.1 骨質(zhì)疏松腰椎L4-L5 節(jié)段有限元模型建立
            4.2.2.2 結(jié)果
            4.2.2.3 討論
    4.3 后路腰椎椎間融合術的有限元仿真分析
        4.3.1 腰椎L4-L5 節(jié)段手術有限元模型建立
            4.3.1.1 建立后路腰椎椎間融合術的三維模型
            4.3.1.2 建立后路腰椎椎間融合術的有限元模型
        4.3.2 結(jié)果
            4.3.2.1 前屈載荷工況有限元仿真結(jié)果
            4.3.2.2 后伸載荷工況有限元仿真結(jié)果
            4.3.2.3 側(cè)彎載荷工況有限元仿真結(jié)果
            4.3.2.4 扭轉(zhuǎn)載荷工況有限元仿真結(jié)果
        4.3.3 討論
    4.4 本章小結(jié)
第五章 總結(jié)與展望
    5.1 工作內(nèi)容總結(jié)
    5.2 本文主要創(chuàng)新點
    5.3 未來工作展望
參考文獻
致謝
在學期間的研究成果及發(fā)表的學術論文


【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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本文編號：3177389