本文關(guān)鍵詞：腰椎椎體有限元建模的最優(yōu)單元尺寸和材料屬性分布及建模方法

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【摘要】：目的研究人體腰椎椎體有限元建模中有限元的單元尺寸和類型、松質(zhì)骨材料屬性分配方式以及皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)模擬方法對有限元結(jié)果的影響。方法基于定量CT掃描人體腰椎的影像,采用6種不同的單元尺寸(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm)、2種松質(zhì)骨材料屬性分配方法、2種松質(zhì)骨非均勻材料屬性分配梯度(150、300)、2種皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)建模方法,建立22個去除后部結(jié)構(gòu)的腰椎L2段椎體有限元模型,計算獲得22個有限元模型的最大位移、應(yīng)變能、平均應(yīng)力、軸向剛度,并對這些結(jié)果進行統(tǒng)計分析和驗證。結(jié)果單元尺寸為0.5 mm時,10、150、300三種非均勻材料屬性分配梯度下,模型的軸向剛度值出現(xiàn)明顯差異;不同單元尺寸下,松質(zhì)骨在150種非均勻材料屬性分配梯度下,模型的平均應(yīng)力波動變化平緩;利用最外層六面體單元模擬皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)方法,其平均應(yīng)力大于利用在最外層添加蒙皮(skin)模擬皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)方法。結(jié)論在進行腰椎椎體有限元建模時,選取0.5 mm尺寸的六面體單元、為椎體松質(zhì)骨分配150種非均勻材料屬性、利用最外層六面體單元模擬椎體皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)的建模方法,建立的有限元模型更加合理和有效。研究結(jié)果為后續(xù)大批量、個體化腰椎椎體模型的建立奠定基礎(chǔ)。
【作者單位】： 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物力學(xué)與力生物學(xué)教育部重點實驗室;
【關(guān)鍵詞】： 有限元建模 單元尺寸 材料屬性 皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)
【基金】：國家自然科學(xué)基金項目(11322223,8171753,11572029) 教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(NCET-12-0024)
【分類號】：R687.3;R318.08
【正文快照】： 常用的脊柱生物力學(xué)研究方法有實驗和計算機模擬兩大類[1]。有限元法是常用的計算機模擬方法,它將研究對象劃分為有限數(shù)量的單元,通過評估每個單元的力學(xué)特性獲得整個對象的特性分布[2]。經(jīng)過驗證的有限元模型,其預(yù)測得到的脊柱運動角度、運動范圍等生物力學(xué)特性和尸體實驗結(jié)

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本文編號：820588