本文關(guān)鍵詞：生理載荷下椎間盤力學(xué)性能的實驗研究及有限元分析

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【摘要】：腰椎間盤突出癥是脊椎類疾病中最為多見的病癥之一,也是引起腰腿痛最為主要的原因,給病人的生理和心理健康帶來了嚴(yán)重威脅,同時也給當(dāng)代社會帶來了沉重負(fù)擔(dān)。長期機械負(fù)荷或超額負(fù)載被認(rèn)為是導(dǎo)致椎間盤退變的重要原因。由于腰椎間盤突出癥的發(fā)生與其力學(xué)狀態(tài)有著密切的關(guān)系,因此有必要深入研究椎間盤在生理載荷下的力學(xué)行為,為椎間盤突出癥的預(yù)防和臨床治療提供理論依據(jù),同時對椎間盤的力學(xué)性能評價和人工構(gòu)建椎間盤具有重要意義。本課題從實驗和仿真兩個方面對動物腰椎間盤在生理載荷下的力學(xué)行為進(jìn)行了研究。實驗研究部分進(jìn)行了動物腰椎節(jié)段的壓縮實驗和生理載荷下椎間盤上表面的應(yīng)變場測量實驗。在動物腰椎節(jié)段的壓縮實驗中得到了動物腰椎節(jié)段在壓縮條件下的位移載荷曲線,曲線呈非線性;在生理載荷下椎間盤上表面的應(yīng)變場測量實驗中,采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究了動物腰椎間盤在壓縮和前屈載荷下椎間盤上表面的力學(xué)狀態(tài),實驗結(jié)果顯示,在前屈載荷下應(yīng)變場出現(xiàn)一定的分布規(guī)律。仿真部分采用了逆向工程技術(shù),基于CT掃描技術(shù),結(jié)合3D圖像生成及編輯處理軟件Mimics、逆向工程軟件Geomagic Studio、三維繪圖軟件Solid Works以及有限元分析軟件ANSYS建立具有椎間盤的完整動物腰椎模型,其中的椎間盤包含纖維環(huán)基質(zhì)、纖維環(huán)纖維、毮核及終板四個部分。然后對腰椎節(jié)段模型分布進(jìn)行了在壓縮、前屈、扭轉(zhuǎn)三種生理載荷作用下的有限元分析,并將仿真結(jié)果和實驗結(jié)果進(jìn)行了對比,兩項結(jié)果基本一致,證實了本研究中所建立的模型具有較高可行性,仿真結(jié)果具有參考價值。從有限元分析結(jié)果中可得出結(jié)論:在扭轉(zhuǎn)載荷作用的條件下,椎間盤纖維環(huán)上出現(xiàn)了最大應(yīng)力,可見扭轉(zhuǎn)載荷最容易使纖維環(huán)發(fā)生破壞,引發(fā)椎間盤突出。同時從纖維環(huán)中纖維的受力狀態(tài)可以看出:在扭轉(zhuǎn)載荷作用時,纖維傾斜并互相交叉的生長方式對椎間盤起到了很好的保護(hù)作用。同樣通過有限元仿真,研究了毮核和纖維對椎間盤整體力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明:(1)纖維和毮核對模型都有一定影響,其中纖維的影響較為明顯;(2)完整的椎間盤模型會大大縮小不同載荷條件下的應(yīng)變數(shù)值;(3)三種模型中,扭轉(zhuǎn)載荷對應(yīng)變的影響最為明顯。
【關(guān)鍵詞】：椎間盤 生理載荷 數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù) 有限元分析
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R681.53;R318.01
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 緒論9-15
• 1.1 課題背景9-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.1 實驗研究11-12
• 1.2.2 仿真研究12
• 1.2.3 理論研究12-13
• 1.3 存在的問題及問題分析13
• 1.4 研究內(nèi)容及目的13-15
• 第二章 動物腰椎椎間盤的實驗研究15-25
• 2.1 腰椎運動節(jié)段的壓縮實驗15-18
• 2.1.1 實驗材料15
• 2.1.2 實驗設(shè)備15-16
• 2.1.3 實驗方法16-17
• 2.1.4 實驗結(jié)果17-18
• 2.2 生理載荷條件下椎間盤上表面的應(yīng)變場測量18-24
• 2.2.1 數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)介紹18
• 2.2.2 實驗材料18-19
• 2.2.3 實驗儀器19-20
• 2.2.4 實驗方法20-22
• 2.2.5 實驗結(jié)果22-24
• 2.3 本章小結(jié)24-25
• 第三章 基于CT掃描的動物腰椎有限元模型的建立25-33
• 3.1 研究中使用的相關(guān)技術(shù)及軟件的簡介25-27
• 3.1.1 CT掃描技術(shù)簡介25
• 3.1.2 有限元法原理及發(fā)展簡介25-26
• 3.1.3 Mimics軟件簡介26
• 3.1.4 Geomagic Studio軟件簡介26
• 3.1.5 Solid Works軟件簡介26
• 3.1.6 ANSYS軟件簡介26-27
• 3.2 建立含椎間盤的完整動物腰椎的有限元模型27-31
• 3.2.1 獲取CT掃描數(shù)據(jù)27
• 3.2.2 利用mimics進(jìn)行L3-L5三節(jié)椎體的三維重建27-28
• 3.2.3 利用Geomagic Studio對L3-L5三節(jié)椎體模型進(jìn)行優(yōu)化處理28
• 3.2.4 利用Solid Works轉(zhuǎn)換模型格式28
• 3.2.5 在ANSYS中建立含有終板、毮核和纖維的完整椎間盤模型28-31
• 3.3 本章小結(jié)31-33
• 第四章 含椎間盤的完整腰椎節(jié)段模型的有限元分析33-53
• 4.1 對腰椎節(jié)段模型施加邊界條件33-34
• 4.1.1 位移邊界條件的施加33
• 4.1.2 載荷邊界條件的施加33-34
• 4.2 對腰椎節(jié)段模型進(jìn)行計算分析34
• 4.3 計算結(jié)果及分析34-46
• 4.3.1 載荷為Z軸負(fù)方向 3mm位移時的計算結(jié)果34-35
• 4.3.2 載荷為 500N壓力時的計算結(jié)果35-38
• 4.3.3 載荷為 7.5Nm彎矩時的計算結(jié)果38-42
• 4.3.4 載荷為 7.5Nm扭矩時的計算結(jié)果42-45
• 4.3.5 結(jié)果分析45-46
• 4.4 計算結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析46-48
• 4.4.1 比較動物腰椎節(jié)段的位移載荷曲線46-47
• 4.4.2 椎間盤纖維環(huán)上表面應(yīng)變場的比較47-48
• 4.5 椎間盤模型在生理載荷下的力學(xué)特征的參數(shù)研究48-52
• 4.5.1 在壓縮載荷下的力學(xué)特征48-49
• 4.5.2 在前屈載荷下的力學(xué)特征49-50
• 4.5.3 在扭轉(zhuǎn)載荷下的力學(xué)特征50-52
• 4.5.4 在三種生理載荷下的力學(xué)特征比較52
• 4.6 本章小結(jié)52-53
• 第五章 總結(jié)和展望53-54
• 5.1 總結(jié)53
• 5.2 展望53-54
• 參考文獻(xiàn)54-58
• 發(fā)表論文和科研情況說明58-59
• 致謝59-60

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

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本文編號：585110