基于腰椎三维有限元模型的踩跷法时效参数研究

发布时间：2018-01-16 13:40

  本文关键词：基于腰椎三维有限元模型的踩跷法时效参数研究　出处：《成都中医药大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：目的：构建健康者(正常人)与腰椎间盘突出症(患者)L1～S1节段三维有限元模型,观察不同踩跷时效参数(周期、时长)对L1～S1整体节段及L4～5脊柱功能单元的生物力学效应(应力、应变),优化踩跷时效参数,探索正常人与患者踩跷时效差异,为踩跷治疗LDH机理及优化研究提供客观依据。方法：(1)采用GE Discovery MR 7503.0T磁共振仪获取正常人与患者腰部MRI图像,利用Mimics、Geomagic、Patran及Nastran等有限元软件建立L1～S1节段三维有限元模型。取模型中单独的L4～5节段,分别施予250N至1500N,步长为250N竖直向下静态力对模型进行轴向压缩,将计算结果与相同边界条件下实验生物力学结果相对比,以验证模型材料参数。利用自主研发MRI床内腰椎局部加压装置,分别获得受试者L4～5横突间隙,脊柱正中旁开5cm处,垂直向下施予Okgf、144kgf、实时动态踩跷20S后三种工况作用下腰段MRI图像,比较相同载荷下,L1～S1有限元模型MRI图像上腰椎曲度(L2下缘和L5上缘延长线的夹角,下简称"Cobb角”),以验证模型有效性。(2)根据罗才贵教授踩跷实际力学数据分析整理,利用计算机数据编程模拟,拟合成计算机力学函数数据,分别在L4～5横突间隙,正中旁开5cm处,垂直向下分别施予动态力学加载,模拟踩跷力学参数。根据罗才贵教授实际踩跷时效特点,在已验证的有限元模型上模拟6种周期、6种时长共12种踩跷时效工况,模拟踩跷时效参数。周期工况为0.89 S、1.25S、1.5S、1.8 S、2.25S、 3.25S,分别称为周期A、B、C、D、E、F,其中1.25S为罗教授踩跷实际周期；时长工况为10S、20S、30S、40S、50S、60S,分别称为时长A、B、C、D、E、F,其中20S为罗教授踩跷实际时长。通过模拟不同踩跷时效工况,观察不同工况下正常人与患者有限元模型L4-5节段神经根与椎间盘相对位移,最大位移点Cobb角,确立最优踩跷周期与时长参数。比较分析最优踩跷周期、时长工况下正常人与患者L4-5椎间盘、神经根、椎体、关节突关节应力；比较分析最优踩跷周期、时长工况下正常人与患者L4-5椎间盘位移、神经根位移、相对位移及最大相对位移点Cobb角变化率结果：(1)本实验建立正常人与患者L1-S1节段三维有限元模型：正常人L1～S1三维有限元模型包括106242个实体单元,98个线单元,总计27453个结点；患者L1-S1三维有限元模型包括120277个实体单元,124个线单元,总计31193个结点；包含接触非线性,几何非线性2种非线性结构。在正常人与患者模型L4-5节段分别施予250N至1500N,步长为250N竖直向下静态力,其L4-5节段轴向压力—轴向位移曲线与相关文献中的生物力学实验研究结果吻合。正常人与患者Okgf、144kgf、实时动态踩跷20S作用下,腰段MRI图像与L1～S1有限元模型相同工况模拟加压下所获得的腰椎曲度(Cobb角)相比较,其差异均无统计学意义(P0.05)。(2)有限元模型模拟踩跷6种周期工况：(2.1)正常人与患者各工况皆能明显增加相对位移及Cobb角,B工况下相对位移曲线最稳定,正常人平均相对位移大于患者。(2.2)最大相对位移点Cobb角分析：正常人B与C、F比较无统计学意义(P0.05),与A、D、E比较有统计学意义(P0.05)；患者B与A、C、D、E、F比较有统计学意义(P0.05)。(2.3)各周期平均相对位移分析：正常人B与A、C、D、E、F比较无统计学意义(P0.05)；患者B与A、C、D、 E、F比较有统计学意义(P0.05)。(3)有限元模型模拟踩跷6种时长工况：(3.1)正常人与患者相对位移曲线图呈现一定规律,以20S为周期循环。(3.2)最大相对位移点Cobb角分析：正常人B与C、D、E、F匕较有统计学意义(P0.05)；患者B与A比较有统计学意义(P0.05),与C、D、E、F比较无统计学意义(P0.05)。(3.3)各时长相对位移分析：正常人B与A、C、D、E、F匕较无统计学意义(P0.05)；患者B与A、C、D、E、F比较无统计学意义(P0.05)。(4)正常人与患者L1-S1有限元模型模拟最优踩跷时长、周期下的应力分析：(4.1)应力集中在L4-5节段椎间盘前后缘、椎体上下缘、左右神经根,关节突关节应力较小。(4.2)L4-5椎间盘应力分析：正常人与患者椎间盘前后缘组间比较有统计学意义(P0.05),正常人椎间盘前后缘组内比较有统计学意义(P0.05),患者椎间盘前后缘组内比较有统计学意义(P0.05)。(4.3)L4-5神经根应力分析：正常人与患者双侧神经根组间比较有统计学意义(P0.05),患者神经根组内比较有统计学意义(P0.05),正常入神经根组内比较有统计学意义(P0.05)。(4.4)L4-5椎体上下缘应力分析：正常人与患者L4-5椎体上下缘组间比较有统计学意义(P0.05),患者组内比较有统计学意义(P0.05),正常人组内比较有统计学意义(P0.05)。(4.5)L4-5关节突关节应力分析：正常人与患者关节突关节组间比较有统计学意义(P0.05)；正常人与患者L4下关节左右组内比较无统计学意义(P0.05),患者L5上关节组内比较有统计学意义(P0.05)(5)正常人与患者L1-S1有限元模型模拟最佳踩跷时长、周期下的应变分析：(5.1)正常人与患者L4-5椎间盘平均位移比较无统计学意义(P0.05)；(5.2)正常人与患者L4-5神经根平均位移比较有统计学意义(P0.001)；(5.3)正常人与患者L4-5椎间盘/神经根平均相对位移比较有统计学意义(P0.001)：(5.4)最大位移点Cobb角变化率比较有统计学意义(P0.001)。结论：(1)本实验构建的正常人与患者L1-Sl节段三维有限元模型反映了该节段腰椎解剖形态及生物力学特性,模型仿真度高,具有有效性,能用于踩跷法时效参数的生物力学研究。(2)模拟踩跷的12种时效工况皆能增大腰椎曲度、L4-5节段神经根与椎间盘相对位移,改善腰椎生理曲度及根性压迫为踩跷治疗腰椎间盘突出症生物效应之一。(3)模拟踩跷的12种时效工况中,周期1.25S、时长20S工况下操作更安全、疗效更稳定,为最优踩跷时效参数。(4)最优踩跷时效参数下,正常人与患者L4-5节段各结构应力不同,椎间盘、神经根、椎体上下缘应力大于关节突关节。患者应力较正常人欠“均匀”,说明患者腰椎力学顺应性、稳定性降低。(5)最优踩跷时效参数下,正常人腰椎曲度变化率、相对位移均大于患者。患者应变较正常人欠“深透”,说明患者腰椎力学顺应性、协调性降低。
[Abstract]:Objective : To establish three - dimensional finite element model of lumbar intervertebral disc herniation ( patients ) L1 - S1 in healthy subjects ( normal people ) and lumbar intervertebral disc herniation ( patients ) . ( 2 ) According to the actual mechanical data analysis of Luo cai , the data of mechanical function of computer was simulated by computer data programming . The mechanical parameters of the cycle were simulated on the basis of the data of computer data . At the time of 6 cycles , the parameters were simulated on the finite element model . The cycle conditions were 0 . 89 S , 1 . 25S , 1.5S , 1.8 S , 2.25 S , 3.25 S , respectively . The results showed that the optimal cycle time was 0 . 89 S , 1 . 25S , 1 . 5S , 1.8 S , 2 . 25S , and 3.25S . The three - dimensional finite element model of L1 - S1 was used to simulate the relationship between normal human and patient ' s model L4 - 5 . ( 3 ) Compared with A , D , E and F , there was no significant difference between B and A , D , E and F ( P0.05 ) . ( 4 ) The stress analysis of L4 - 5 was significant ( P0.05 ) . ( 3 ) In 12 aging cases , the stress of lumbar intervertebral disc , nerve root and vertebral body were greater than that of the patients .

【学位授予单位】：成都中医药大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R274.9

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本文编号：1433385