摘要：目的:建立非限制性人工椎间盘假体(NAD)及腰椎L4～L5活动节段高精度三维有限元(FE)模型,拟为生物力学实验研究提供标准数学模型。方法:在Auto CAD中设计NAD假体,基于CT数据通过Mimics建立腰椎L4～L5节段三维模型,将NAD模型放置于L4～L5椎间盘,数据导入Abaqus采用有限元装配技术转换成有限元模型。观察NAD置换后FE模型的模拟单元、节点及构成组件。采用轴向负荷400 N以模拟L4～L5节段正常的中立位负荷,采用轴向负荷400 N及10 N.m模拟后伸负荷,验证所建立模型的科学性。结果:建立了非限制性人工椎间盘假体放置于腰椎L4～L5活动节段高精度三维有限元模型,包括:腰椎L4～L5活动节段FE模型34 123个节点及162 858个单元,其中椎体161 679个四面体单元,椎间盘、终板共1 053个六面体单元,韧带、关节囊、纤维共126个Link单元;NAD的FE模型1 583个节点及4 927个单元,其中终板共1 053个六面体单元,髓核3 724个六面体单元。力学测试显示中立位负荷及后伸负荷时所建立FE模型力学分布与现有结果一致。结论:通过计算机辅助设计可以自动化程度较高的方法建立高精度NAD假体有限元模型,Mimics通过基于阈值算法及参数化建模提供精确腰椎活动节段模型,两者可以基于有限元装配技术转换成有限元模型,该模型可用于脊柱生物力学的进一步研究。

摘要：目的:基于CT建立了脊柱L4-5活动节段早期退变的三维有限元模型,并对其进行力学性能测试。方法:选择1名39岁慢性下腰部疼痛的中国女性志愿者作为模拟对象,对其脊柱L4-5节段进行层厚0.75mm的连续扫描,共获得CT断层图像138幅,获取用于建立三维模型的相关数据。将CT扫描的腰椎图像结合人体解剖学数据通过mimics10.0软件建模形成L4-5运动节段的三维模型后,结合CAD软件CATIA对该活动节段进行数据优化,并形成实体模型。将模型数据导入有限元分析软件Patran转换成有限元模型。模拟中立位该节段的受力环境,将4个100N力以结点负荷形式分别施加于L4椎体旋转轴等距离的内前外后部椎体结点,以观察验证该模型的准确性。结果:建立了腰椎早期退变的L4-5节段的有限元模型,模型总节点数为27130个,单元数113834,其中包括Solid单元113153个,Area161个,Link单元520个,力学测试显示负荷在椎间盘分布不均,薄弱的纤维环后部受力增加。结论:通过CT断层扫描、图像数字化处理及计算机辅助设计等方法,可以以自动化程度较高的方法建立腰椎早期退变活动节段的高精度三维有限元模型,用于脊柱生物力学的进一步研究。