上颈椎C0-C3节段不同载荷作用下生物力学特性的有限元分析

论文摘要

研究上颈椎C0-C3活动节段在不同载荷作用下前屈、后伸、侧屈和旋转时椎体应力、关节活动度（range of motion,ROM）及椎间盘的应力分布情况,探讨载荷改变对上颈椎生物力学特性的影响。基于CT图像数据建立人体上颈椎有限元模型,模型包括皮质骨、松质骨、纤维环、髓核、关节软骨、终板及韧带等结构,根据解剖特征赋予不同部位的材料属性,计算分析上颈椎C0-C3各节段在不同力矩作用下屈伸旋转时颈椎ROM、椎体应力和椎间盘最大应力变化趋势,与前人离体试验和有限元结果进行对比验证。人体上颈椎C0-C3节段在40 N和1.5 N·m载荷作用下,前屈时ROM最小,C0-C1、 C1-C2、C2-C3各节段ROM分别为1.88°、2.16°和1.59°;后伸时ROM大于前屈,最大相差幅度为2.32°;侧屈时ROM大于前屈,增幅分别为2.57°、2.41°和0.49°;轴向旋转时ROM最大,相对于侧屈ROM分别增加了247.64%、282.71%和-43.27%。当施加40 N预载荷和1.0、1.5、2.0、2.5 N·m力矩时,随着力矩等值增大,上颈椎C0-C3节段整体ROM呈非线性增加,变化特征为前屈时最小,旋转时最大;椎间盘最大应力值呈非线性增加（前屈和侧屈）和减少（后伸和旋转）,ROM和应力分布趋势和前人研究结果一致。上颈椎三维有限元模型在不同载荷下数值分析的结果符合正常人体颈椎生理活动范围和生物力学特性,为临床颈椎病理和生理的生物力学研究提供理论依据。

论文目录

• 1 引 言
• 2 材料和方法
•   2.1 材料
•   2.2 几何模型的建立
•   2.3 网格划分及材料属性
•   2.4 边界条件与载荷
• 3 模型验证与结果比较
•   3.1 上颈椎C0-C3有限元分析结果验证
•     3.1.1 上颈椎C0-C3关节活动度
•     3.1.2 上颈椎椎间盘应力分析
•     3.1.3 上颈椎C0-C3椎体应力分析
•   3.2 上颈椎ROM、椎间盘应力分布与力矩变化的关系
•     3.2.1 上颈椎ROM与力矩变化的关系
•     3.2.2 上颈椎椎间盘应力分布与力矩变化的关系
• 4 讨论

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 毕厚海,赵改平,邢峰,王宏杰,董自强,杨加静,许海飞

关键词: 上颈椎,关节活动度,不同载荷,生物力学特性,有限元分析

来源: 生物医学工程研究 2019年04期

年度: 2019

分类: 医药卫生科技

专业: 外科学,生物医学工程

单位: 上海理工大学医疗器械与食品学院,内蒙古包头市达茂联合旗医院麻醉科,上海市第一人民医院骨科

基金: 国家自然科学基金资助项目(11502146),上海市自然科学基金资助项目(15ZR1429600)

分类号: R681.5;R318.01

DOI: 10.19529/j.cnki.1672-6278.2019.04.10

页码: 429-434

总页数: 6

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