腰椎间盘层区应变测试及力学性能有限元分析

在临床医学上,腰椎间盘突出症成为越来越常见的疾病,大大加重了病人的经济负担和生活成本。腰椎间盘具有维持脊柱高度和分散载荷,连接上下椎体等作用,由于脊椎承受强度大、频率高的力学环境,椎间盘也极易损伤。腰椎间盘病变的原理较复杂,到目前为止还不能准确解释出原因,但是临床医学表明,生物力学因素是该疾病发生的一个重要因素。所以,从对预防椎间盘疾病的发生着手,需要对腰椎间盘在承受各种载荷时的应力-应变状态进行深入的研究。本文从动物腰椎间盘实验和有限元仿真两个方面进行研究,探讨腰椎间盘不同层区的力学性能以及应力应变规律。在实验部分中,利用猪的腰椎间盘节段进行实验,采用数字图像相关技术、电子万能拉伸试验机等实验仪器,测出纤维环应变的位移场和应变场。采用数值分析方法,得到了纤维环不同分层区域的应力-应变大小关系,并做了对比;腹侧和背侧的轴向应变和径向应变也做了对照;位移场测量实验中,得到了位移场的变化云图。通过本实验还可以得到,椎间盘在承受生理载荷的作用下纤维环呈现出非线性的应力-应变曲线。在有限元仿真中,借助逆向工程技术软件Geomagic studio、医学图像分析软件Mimics、制图软件SolidWorks,并利用有限元分析软件ANSYS构建出腰椎间盘模型,包含髓核、纤维环基质、纤维环纤维和终板,并且赋予合理的单元类型和材料属性。根据临床研究结果,模拟了人类习惯性的三种状态下腰椎体的各部分变化情况,分别为:一模拟在直立行走时腰椎体受到700N的作用载荷;二模拟在静坐时腰椎体受到1000N的作用载荷;三模拟在过度载荷时腰椎体受到5000N的作用载荷;加载方式为均布载荷,选取L1椎体表面458个节点,通过节点均匀施加载荷。仿真结果表明:一是纤维环腹侧的应变大于背侧的,与实验的结论一致;二是承受均布载荷时,纤维环向四周膨出;三是应力最大出现在关节棘突上,应力变化从外层到内层递减。最后采用较为复杂的节点耦合建立刚性域的加载方法,模拟了人在运动时发生侧弯受到20N.m的弯矩作用以及在提起重物时受到50N.m弯矩作用时,讨论了椎间盘各组分的位移场、应力场以及应变场的变化趋势和分布规律,并对此进行了简要的分析。本实验得到的结论对于腰椎间盘疾病防治、腰椎间盘缺损修复以及人工腰椎间盘材料研制等都具有重要的科学意义,并且对椎间盘疾病的临床治疗提供指导意义。