腰椎間盤層區(qū)應(yīng)變測試及力學(xué)性能有限元分析.pdf

1、在臨床醫(yī)學(xué)上，腰椎間盤突出癥成為越來越常見的疾病，大大加重了病人的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)和生活成本。腰椎間盤具有維持脊柱高度和分散載荷，連接上下椎體等作用，由于脊椎承受強度大、頻率高的力學(xué)環(huán)境，椎間盤也極易損傷。腰椎間盤病變的原理較復(fù)雜，到目前為止還不能準(zhǔn)確解釋出原因，但是臨床醫(yī)學(xué)表明，生物力學(xué)因素是該疾病發(fā)生的一個重要因素。所以，從對預(yù)防椎間盤疾病的發(fā)生著手，需要對腰椎間盤在承受各種載荷時的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)進行深入的研究。
　　本文從動物腰椎間

2、盤實驗和有限元仿真兩個方面進行研究，探討腰椎間盤不同層區(qū)的力學(xué)性能以及應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。
　　在實驗部分中，利用豬的腰椎間盤節(jié)段進行實驗，采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)、電子萬能拉伸試驗機等實驗儀器，測出纖維環(huán)應(yīng)變的位移場和應(yīng)變場。采用數(shù)值分析方法，得到了纖維環(huán)不同分層區(qū)域的應(yīng)力-應(yīng)變大小關(guān)系，并做了對比；腹側(cè)和背側(cè)的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變也做了對照；位移場測量實驗中，得到了位移場的變化云圖。通過本實驗還可以得到，椎間盤在承受生理載荷的作用下纖維環(huán)

3、呈現(xiàn)出非線性的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
　　在有限元仿真中，借助逆向工程技術(shù)軟件 Geomagic studio、醫(yī)學(xué)圖像分析軟件Mimics、制圖軟件 SolidWorks，并利用有限元分析軟件 ANSYS構(gòu)建出腰椎間盤模型，包含髓核、纖維環(huán)基質(zhì)、纖維環(huán)纖維和終板，并且賦予合理的單元類型和材料屬性。根據(jù)臨床研究結(jié)果，模擬了人類習(xí)慣性的三種狀態(tài)下腰椎體的各部分變化情況，分別為：一模擬在直立行走時腰椎體受到700N的作用載荷；二模擬在靜坐時

4、腰椎體受到1000N的作用載荷；三模擬在過度載荷時腰椎體受到5000N的作用載荷；加載方式為均布載荷，選取L1椎體表面458個節(jié)點，通過節(jié)點均勻施加載荷。仿真結(jié)果表明：一是纖維環(huán)腹側(cè)的應(yīng)變大于背側(cè)的，與實驗的結(jié)論一致；二是承受均布載荷時，纖維環(huán)向四周膨出；三是應(yīng)力最大出現(xiàn)在關(guān)節(jié)棘突上，應(yīng)力變化從外層到內(nèi)層遞減。最后采用較為復(fù)雜的節(jié)點耦合建立剛性域的加載方法，模擬了人在運動時發(fā)生側(cè)彎受到20N.m的彎矩作用以及在提起重物時受到50N.m彎