⼈体脊椎腰骶段的三维有限元仿真模拟

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概述

有限元⽅法是根据变分法原理求解数学上可描述的物理问题的⼀种数值计算⽅法，其基本思想是⽤简单问题代替复杂问题然后

再求解，它将求解域看成是由许多称为有限元的⼩的互连⼦域组成，对每⼀单元假定⼀个合适的近似解，然后推导求解出这个

域总的满⾜条件，从⽽得到问题的近似解。与以往的数值计算⽅法不同的是，有限元⽅法能够解决结构、材料性质和载荷情况

相对较为复杂的问题。

由于⼈体脊椎在结构形状、材料特性以及承载能⼒等⽅⾯都⽐较复杂，以往的研究⼿段都难以获得全域性信息，⽽有限元⽅法

可⽤任意形状的⽹格来分割区域，布置节点，尤其是对脊椎这样复杂的结构有较好的适应性。本⽂将在

Simpleware

软件的辅

助下建⽴⼈体脊椎腰骶段

L3-L4

段的三维有限元⽹格模型，然后给出实际情况中有限元应⼒应变的计算⽅法，最后利⽤

ANSYS

软件对得到的有限元⽹格模型进⾏受⼒仿真模拟，并⽐较验证了腰椎间盘突出情况下脊椎的应⼒应变分布。

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有限元⽹格模型的建⽴

本⽂采⽤的数据是

65

帧连续的

DICOM

格式的⼈体脊椎⽮状位图像，其中图像序列间隔为

1.25mm

，像素间隔也是

1.25mm

，分

辨率为

256x256

，如图

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所⽰。

基⾦项⽬：国家⾃然科学基⾦资助重点项⽬；

⾸先将

DICOM

图像导⼊到专业的医学图像处理软件

Simpleware

中，然后对⼆维

DICOM

数据进⾏⼿动分割，得到⼈体脊椎腰骶

L3-L4

段椎体外部、椎体内部、椎间盘、间盘内部的⼆维轮廓，通过三维重建得到与真实椎体⾼度相似的三维模型，最后对模

型进⾏⽹格划分，进⽽得到⼈体脊椎腰骶段

L3-L4

段的三维有限元体⽹格模型，为下⼀步的有限元⼒学分析提供仿真模型，图

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和图

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