基于有限元法的人体腰椎力学分析及其应用研究

随着科学技术的发展,研究正常腰椎在外载下的力学行为、掌握退变腰椎的发病机理、对比不同手术方案对腰椎的治疗效果成为如今生物力学的重要研究方向之一。本文首先研究了现如今主要的腰椎三维模型建立方法以及腰椎节段各组织结构的本构模型,在此基础上,通过逆向建模技术对腰椎三维模型建立方法进行改进并对椎间盘的本构模型进行了深层次的研究,建立出了可靠的腰椎有限元模型,通过有限元方法对模型进行仿真计算。进一步的应用此模型研究了腰椎退变对腰椎节段力学行为的影响,比较了采用不同椎间融合器的手术对腰椎节段力学行为的影响。本研究主要可以分为三个部分:第一部分基于图像处理技术,建立了腰椎三维模型,研究了传统理论中腰椎组织结构的本构模型和边界条件,最终对有限元模型的可靠性进行验证。其结果显示:(1)有限元模型可以真实反映腰椎在各工况下的活动度;(2)有限元模型得到的椎间盘盘内压和医学实验结果数值相差很大。第二部分通过逆向建模技术改进了建立腰椎三维模型的方法,利用超弹性本构模型改进传统理论建立的有限元模型,并对有限元网格方法进行了进一步的研究,最终对有限元模型的可靠性进行验证。第三部分将改进的腰椎有限元模型应用于研究退变腰椎力学行为和评估手术结果两个方面。针对骨质疏松和椎间盘膨出两种情况,建立了对应的退变腰椎有限元模型;针对不同材料的椎间融合器,建立了PEEK和钛合金两种材料的手术模型。