上颈椎三维有限元模型的建立与分析

上颈椎由寰椎、枢椎、连接其间的关节囊、韧带等结构组成,解剖结构活动度大而稳定度较差,毗邻延髓、颈髓、小脑等重要结构,易造成致命损伤。随着上颈椎发病率的增加,对上颈椎损伤机制的研究,有助于医生更好地对其进行治疗与预防。本文主要通过建立上颈椎三维有限元模型进行后伸、侧弯与旋转的仿真分析,为上颈椎临床诊断提供相应依据,使医生充分认识上颈椎的损伤机制。 本文通过螺旋CT扫描正常人上颈椎,利用医学三维重建软件Mimics获取其整体轮廓曲线,通过阈值分割、区域生长、空洞填补等步骤,建立一个包括上颈椎椎骨、关节囊、前纵韧带、后纵韧带、十字韧带、翼状韧带的上颈椎三维面网格模型,并对其进行有限元前处理。之后在ANSYS中建立上颈椎有限元模型,利用文献中获得的尸体数据和前人的有限元模型仿真数据进行不同力矩作用下椎体旋转角度的对比,证明本模型可以用于进一步上颈椎力学性能研究。最后对上颈椎有限元模型在不同力矩下模拟后伸、侧弯与旋转运动,得到C0-C1,C1-C2节段的角位移情况及椎骨、韧带等部位的应力应变情况,并进行结果分析。 本文的创新工作主要包含以下三点： 1、建立了一种更为实用准确的有限元模型,比常用实体建模方式更接近实际解剖结构,所建模型网格质量更为优良,保证了最终有限元分析结果的高效性及准确性。 2、通过蒙罩进行更精确的材质赋值,与在ANSYS中材质赋值相比可根据情况人工选取合适区域,更加接近人体真实结构。 3、利用逆向工程,采用四面体实体单元对韧带建模,比目前的两点式缆索单元韧带模型更为精确,可直接查看某一韧带的形变及应力情况。 利用本文模型可以模拟上颈椎生物力学实验,直观的查看韧带及椎体的应力及位移状态,并通过查看仿真结果与临床结果进行对比,为医生实际诊断提供依据。