人体脊椎腰段有限元建模及其力学分析

2012年12月第9卷第6期生物骨科材料与临床研究O RTHOPAEDIC B IOMECHANICS M A TERIALS A ND C LINICAL S TUDY.5.doi:10.3969/j.issn.1672-5972.2012.06.002文章编号：swgk2012-07-0127腰椎有限元模型建立方法的研究徐飞陈安民*董永辉郭风劲黄仕龙[摘要]目的介绍一种基于CT扫描图像重建腰椎有限元模型的方法。

方法通过CT扫描获得人体腰椎断层图片，在Mimics10.0软件及Patran-Nastran中进行腰椎有限元建模，在此模型的L3椎体上表面加载500N轴向压力以模拟正常人站立时的情况，再分别在15NM力矩下进行屈、伸、侧弯以及扭转四个动作来验证模型的有效性。

结果建立的腰椎有限元模型各方向的位移与符合真实情况，并且椎间盘应力分布接近现实。

结论利用CT扫描技术建立限元模型的方法精确有效。

[关键词]腰椎；生物力学；有限元模型[中图分类号]R318[文献标识码]AA method of establishing a finite element model of human lumbarXu Fei,Chen Anmin,Dong Yonghui,et al.Department of Orthopedics,Tongji Hospital,Tongji Medical College,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan Hubei430030,China.[Abstract]Objective To establish a finite element model of human lumbar based CT scanning images.Methods UsingMimics10.0and Patran-Nastran,a finite element model of human lumbar was establish by CT scanning images.L3upper surfaces were loading500N stresses to simulate a normal standing.Then,15NM torque were loading on L3asflexing,stretch,lateral and bending,respectively.Results Displacement of the finite element model was accordingwith the reality,and the stress distribution of intervertebral disc was close to reality.Conclusion The method of estab-lishing finite element model based on CT scanning images is accurate.[Keywords]Lumbar;Biomechanics;Finite element model随着计算机技术的发展，各类大型有限元软件的开发与应用，有限元分析在医学工程设计和分析中应用广泛，其理论与计算方法也逐斩完善，已经成为工程分析计算中必不可少的工具。

㊃论 著㊃[收稿日期]2019-08-09;[修回日期]2019-10-25[基金项目]沧州市科学技术研究与发展指导计划(162302150)[作者简介]庞胤(1982-),男,河北沧州人,沧州医学高等专科学校讲师,医学硕士,从事人体解剖学研究㊂*通信作者㊂E -m a i l :186********@163.c o m脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析庞 胤1,尹 帅2*,赵长义3,刘媛媛1,张海峰1(1.沧州医学高等专科学校解剖学教研室,河北沧州061001;2.河北省沧州中西医结合医院骨科,河北沧州061001;3.河北医科大学基础医学院解剖学教研室,河北石家庄050017) [摘要] 目的建立正常脊柱腰段三维有限元模型,为生物力学研究及腰椎损伤研究提供可靠模型㊂方法采集1名健康成年男性脊柱腰段C T 和M R I 断层影像数据,应用M i m i c s 软件依据C T 数据对全部腰椎骨及骶骨上部进行三维模型重建,依据M R I 数据对L 1~L 5椎间盘髓核进行三维模型重建㊂将椎骨与髓核进行空间配准,在此基础上建立椎间盘㊁关节囊和韧带的三维模型㊂在A n s y s 中划分网格并定义材料属性,对模型施加运动性载荷模拟脊柱腰段处于前屈㊁后伸㊁侧弯和扭转等运动工况下的生物力学特征,验证模型的有效性㊂结果建立了完整的脊柱腰段三维有限元模型,包含椎骨㊁椎间盘㊁骶骨上端㊁韧带㊁关节囊等重要结构,总节点数为104190个㊁总单元数为339165个㊂模型通过有效性验证,运动工况下的角位移范围和椎间盘的应力分布特点符合腰椎的生物力学特性㊂结论本研究建立的三维有限元模型仿真度高,可用于脊柱腰段的生物力学研究以及模拟疾病和手术对腰椎生物力学的影响㊂[关键词] 三维有限元模型;脊柱腰段;椎间盘 d o i :10.3969/j .i s s n .1007-3205.2019.12.002 [中图分类号] R 322-34 [文献标志码] A [文章编号] 1007-3205(2019)12-1368-04C o n s t r u c t i o no f t h r e e -d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n tm o d e l o f l u m b a r s pi n e a n d s t r e s s a n a l ys i s o f i n t e r v e r t e b r a l d i s c P A N G Y i n 1,Y I NS h u a i 2*,Z H A O C h a n g -y i 3,L I U Y u a n -y u a n 1,Z H A N G H a i -f e n g1(1.D e p a r t m e n t o f A n a t o m y ,C a n g z h o uS e n i o rM e d i c a lC o l l e g e ,H e b e iP r o v i n c e ,C a n gz h o u 061001,C h i n a ;2.D e p a r t m e n t o f O r t h o p a e d i c s ,C a n g z h o u H o s p i t a l o f I n t e gr a t e dT C M -WM ,H e b e iP r o v i n c e ,C a n g z h o u 061001,C h i n a ;3.D e p a r t m e n t o f A n a t o m y ,t h eS c h o o l o f Ba s i cM e d i c a l S c i e n c e s ,H eb e iM e d ic a lU n i v e r s i t y ,S h i j i a z h u a n g 050017,C h i n a )[A b s t r a c t ]O b j e c t i v e T oe s t a b l i s h at h r e e -d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t m o d e lo fn o r m a l l u m b a r s p i n e ,a n d p r o v i d ear e l i a b l e m o d e l f o rb i o m e c h a n i c a l r e s e a r c ha n dl u m b a rs p i n e i n j u r y r e s e a r c h .M e t h o d s C Ta n dM R I d a t a o f l u m b a r s p i n e o f a h e a l t h y a d u l tm a l ew e r e c o l l e c t e d .T h e t h r e e -d i m e n s i o n a lm o d e lo f l u m b a rv e r t e b r a ea n du p p e rs a c r u m w a sr e c o n s t r u c t e db y M i m i c s s o f t w a r eb a s e do nC Td a t a .T h e t h r e e -d i m e n s i o n a lm o d e l o fL 1-L 5di s cn u c l e u s p u l p o s u sw a s r e c o n s t r u c t e db y M R I d a t a .T h eb i o m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e l u m b a r s p i n eu n d e r f l e x i o n ,e x t e n s i o n ,l a t e r a l b e n d i n g a n dt o r s i o n w e r es i m u l a t e db y a p p l y i n g ex e r c i s e m u s c l e l o a d s t ot h e m o d e l ,a n dv e r i f y t h e v a l i d i t y o f t h em o d e l .R e s u l t s Ac o m p l e t e t h r e e -d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n t m o d e lo fl u m b a r s p i n e w a s e s t a b l i s h e d ,i n c l u d i n g t h e i m po r t a n t s t r u c t u r e s o f v e r t e b r a ,i n t e r v e r t e b r a l d i s c ,u p p e r s a c r u m ,l i g a m e n t a n d a r t i c u l a r c a ps u l e .T h e t o t a l n u m b e r o f n o d e sw a s 104190,a n d t h e t o t a l n u m b e r o f e l e m e n t sw a s 339165.T h e a n g u l a r d i s p l a c e m e n t r a n ge a n d t h e ㊃8631㊃第40卷第12期2019年12月河北医科大学学报J O U R N A L O F H E B E I M E D I C A L U N I V E R S I T YV o l .40 N o .12 D e c . 2019s t r e s s d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h e i n t e r v e r t e b r a l d i s cu n d e r t h ec o n d i t i o no f e x e r c i s ew e r e c o n s i s t e n tw i t h t h eb i o m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f t h e l u m b a r s p i n e,w h i c hv e r i f i e s t h ev a l i d i t y o f t h em o d e l.C o n c l u s i o n T h e t h r e e-d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tm o d e l e s t a b l i s h e d i nt h i ss t u d y h a s ah i g hd e g r e e o f s i m u l a t i o n,a n d c a nb eu s e d t o s t u d y t h eb i o m e c h a n i c s o f t h e l u m b a r s p i n e, t o s i m u l a t e e f f e c t s o f d i s e a s e a n d s u r g e r y o nb i o m e c h a n i c s o f l u m b a r s p i n e.[K e y w o r d s]t h r e e-d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n tm o d e l;l u m b a r s p i n e;i n t e r v e r t e b r a l d i s c脊柱腰段解剖结构复杂,负重较大且运动灵活,是临床病变的好发部位㊂其中腰椎间盘承担椎体间力的传导,并完成脊柱各向弯曲及扭转运动,易发生退变及损伤㊂通过分析脊柱腰段的生物力学特性,可以为临床分析损伤原因及疗效评估提供理论指导[1-2]㊂现有的脊柱腰段有限元模型研究重点集中于模型的结构和材料属性的仿真度,而对运动载荷多通过简单的力矩或力偶模拟,对腰椎稳定性骨骼肌和运动性骨骼肌的实际作用考虑较少[3]㊂本研究利用C T及M R I断层数据建立正常脊柱腰段三维有限元模型,施加载荷模拟腰椎屈伸㊁侧弯和扭转运动,旨在为脊柱腰段损伤及病变的发病机制㊁手术方案及疗效评价等建立数字化研究模型㊂1资料与方法1.1数据采集选取1位男性健康青年志愿者,28岁,身高178c m,体质量68k g,既往身体健康,无脊柱相关性疾病及外伤史,行腰椎X射线正侧位片和C T预扫描排除脊柱腰段的器质性病变㊂实验前将实验的相关内容告知志愿者,并征得其同意㊂志愿者取仰卧位体位,腰部放松㊂首先行螺旋C T扫描(G E公司,L i g h t s p e e d16排螺旋C T机),最终得到了247幅断层扫描二维图像㊂以相同体位行M R I扫描(P h i l i p s公司,A c h i e v a3.0T M R I机),最终获得到57幅T2W I序列矢状面二维扫描断层图像㊂所有断层图像数据均以D I C OM格式存储㊂1.2脊柱腰段三维有限元模型构建①椎骨及髓核模型:用M i m i c s15.0软件打开C T数据文件,提取椎骨轮廓,自动生成蒙板;对蒙板进行手动修整,填补空洞㊁去除无用部分,计算生成各椎骨3D模型,导入3-M a t i c软件中,进行光滑处理,最终得到结构完整且表面光滑的椎骨模型;以相同的方法基于M R I数据生成椎间盘髓核的3D模型㊂②椎间盘及韧带模型:将椎骨及髓核3D模型以S T L格式输入到3-M a t i c中利用坐标系进行对位组装;用选择工具确定相邻椎骨的下表面和上表面,翻转法线,使用f i x工具连接2个表面创建椎间盘整体外形;根据实际解剖结构在椎体上下表面利用M o v e s u r f a c e生成终板,最后通过椎间盘整体㊁终板和髓核之间进行布尔运算生成纤维环;根据脊柱腰段各韧带的解剖学参数,确定前㊁后纵韧带在脊柱腰段表面的范围,通过M o v es u r f a c e生成前韧带㊁后纵韧带模型[4];以相同方法生成黄韧带㊁棘间韧带㊁棘上韧带㊁横突间韧带㊁关节囊韧带等结构;在3-M a t i c 软件中对各3D模型组件进行光滑处理,然后进行面网格和体网格划分,以*.c d b格式输出保存㊂将c d b文件导入A n s y s15.0,在F i n i t eE l e m e n t M o d e l e r分割表面后,利用S t a t i cS t r u c t u r a l模块中的E n g i n e e r i n g D a t e定义材料属性,通过弹性模量和泊松比设置骨密质㊁骨松质㊁韧带等各部分参数,各部分单元数目及材料参数见表1㊂表1有限元模型单元数量和材料属性T a b l e1E l e m e n t n u m b e r a n dm a t e r i a l p a r a m e t e r s o ff i n i t e e l e m e n tm o d e l材料单元数量杨氏模量(E/M P a)泊松比(μ)骨密质62745120000.3骨松质1037451000.2终板100445000.4髓核1435810.5纤维环534624.20.5前纵韧带177217.80.3后纵韧带11661100.3黄韧带6772150.3棘间韧带5581100.3棘上韧带2292100.3横突间韧带4592100.3关节囊韧带46191100.3设定模型各组件之间的接触关系,关节突关节面之间设定为N oS e p a r a t i o n,其他位置均设定为B o n d㊂在骶骨下面添加F i x e dS u p p o r t,限制各向自由度㊂至此,人体脊柱腰段的三维有限元模型建立完成㊂1.3负载与骨骼肌附着点脊柱的负重载荷加载部位确定为椎体上表面和上关节突关节面,以垂直载荷300N模拟身体上部的重力;在椎骨表面根据解剖结构确定脊柱腰段主要稳定性骨骼肌的附着点㊂左右稳定肌包括横突间肌㊁回旋肌,前后稳定肌包括棘间肌㊁多裂肌㊂1.4模型有效性验证在椎间盘损伤最为好发的㊃9631㊃河北医科大学学报第40卷第12期L4~L5节段上进行模型有效性验证㊂约束L5椎体下面和下关节突关节面,限制其所有的自由度,在L4椎体上表面及关节突关节面上分别给予500N㊁1000N㊁1500N㊁2000N的轴向压缩载荷[5],测量轴向位移㊂在L4椎体上表面中部指定一节点,并在节点上施加300N的垂直载荷和10N㊃m的力矩[6],分别模拟腰椎屈伸㊁侧弯和扭转,并测量不同运动工况下腰椎的角位移范围,观察椎间盘应力的分布趋势及特点,将结果与其他研究进行比较,从而验证模型的有效性㊂2结果2.1脊柱腰段有限元模型的结构利用C T及M R I数据成功建立了外形结构真实准确㊁生物力学仿真度高的正常脊柱腰段的三维有限元模型,包括L1~L5椎骨及骶骨上部的皮质和髓质㊁纤维环㊁髓核㊁终板㊁前纵韧带㊁后纵韧带㊁黄韧带㊁棘间韧带㊁棘上韧带㊁关节突关节囊等重要结构,总节点数为104190个㊁总单元数为339165个㊂2.2模型有效性后处理计算结果显示,有限元模型L4~L5节段在500N㊁1000N㊁1500N㊁2000N 的轴向压力下,有限元模型L4轴向位移分别是0.25 mm㊁0.54mm㊁0.81mm㊁1.04mm,描绘出轴向压力-位移曲线图并与文献数据比较,该结果与在相同条件下离体实验和有限元分析的结果相近㊂模型在正常受力状态下表现出弹性特性㊂测得不同运动工况下腰椎的角位移平均值数据分别为前屈4.12ʎ㊁后伸2.83ʎ㊁侧弯3.71ʎ㊁扭转1.64ʎ,与文献中标本和有限元实验测量值相近㊂2.3脊柱腰段L4~L5腰椎椎间盘的应力分析为了进一步验证模型的有效性,对脊柱腰段有限元模型L5椎体和下关节突关节面限制其所有的自由度,在L4椎体上表面中部指定一节点,并在节点上施加300N的垂直载荷和10N㊃m的力矩,模拟了屈伸㊁侧弯㊁扭转等运动工况,观察椎间盘在不同工况下的受力情况㊂在运动工况下,应力主要集中于腰椎间盘边缘,前屈㊁后伸时,应力分别集中于椎间盘前㊁后两侧;侧弯时,椎间盘受压一侧存在着明显的应力集中,且向椎间盘中心有逐渐减小的趋势;扭转时,纤维环受到扭力后发生倾斜至牵张,且应力集中于轴向扭转方向的侧后方㊂这与人体脊柱腰段的生理特性相符㊂3讨论随着计算机技术和有限元软件的发展,利用三维有限元方法研究人体脊柱腰段生物力学特点的研究不断深入[7-8]㊂三维有限元法具有简便㊁快速㊁经济的特点,可以模拟并运算复杂条件下各种材料的力学特点,且实验具有易调整和可重复等特点,可模拟脊柱等复杂结构,使其在腰椎的力学研究中得到迅速的推广㊂构建胸腰椎三维有限元模型,是脊柱生物力学研究的有效手段;利用C T扫描图像建立模型,从多角度㊁不同方法可验证三维有限元模型的准确和实用性㊂吴小辉等[9]研究发现,三维有限元模型能很好地评估人体胸腰椎的受力状况;同时为脊柱内固定系统的稳定性提供理论依据㊂姜伟等[10]通过扫描健康成人腰椎体建立了L3~L5关节突关节未融合和融合的有限元模型,未融合模型L3/4㊁L4/5节段活动度与既往文献中腰椎活动度趋势一致㊂众多学者在构建有限元模型时主要利用C T 扫描数据建立椎骨模型,再通过软件按一般解剖结构特点手动建立椎间盘㊁韧带等软组织[11-13]㊂这样的模型中软组织较真实情况有一定差距㊂而M R I 对软组织有较好的分辨率,有学者利用M R I数据建立单独的椎间盘结构,但M R I数据对椎骨建模有欠缺㊂本研究建立完整而准确的脊柱腰段三维有限元模型,该模型包含椎骨㊁椎间盘和韧带等结构㊂本研究总结了以往建模的不足之处,对建模进行了优化,椎骨部分利用C T数据进行构建,这是由于C T对复杂形态和各种密度的组织均有较高的分辨率,尤其对高密度的骨组织成像清晰准确,确保构建出的椎骨模型精准㊂椎间盘部分利用M R I数据进行建模,由于M R I对软组织显示良好,提高了椎间盘模型的精确性㊂同时为了保证通过C T和M R I2组数据建立模型的吻合度,在数据采集和处理上采取了以下措施:①2组数据均采用D I C OM格式读取,保证了不同设备之间的兼容性,单位及坐标系参数统一,距离数据等价;②2组数据均采集自同一志愿者,采集时采用相同体位;③在M i m i c s软件中利用M R IT2序列数据建立髓核模型,这是由于该序列对含水量多的组织显示清晰,髓核边界明显,伪影相对较少,利用2组数据建立的椎骨上下表面重合对2种模型进行吻合,确定髓核的空间位置;④将建立的所有模型导入M i m i c s中,平滑㊁组装㊁检查模型质量后,利用软件中自带的3-M a t i c组件对模型进行面网格和体网格的划分㊂这一方法比直接在A n s y s软件前处理单元划分网格的效率明显提高,同时保证了有限元模型的网格质量㊂脊柱的载荷来源主要有2个途径,分别是负重㊃0731㊃河北医科大学学报第40卷第12期和骨骼肌的牵拉㊂现有的模型在生物力学模拟时,载荷形式单一,不能很好地反映脊柱受力的真实情况㊂有学者尝试探讨不同的肌力方向对人体有限元模型预测结果的影响[4]㊂但绝大部分的标本和有限元生物力学实验均没有反映脊柱腰段骨骼肌的影响㊂直立时,躯干重力线经过L4椎体中心腹侧,故脊柱常处于一种持续向前弯曲的运动状态㊂通过背侧肌的力量和韧带的牵拉来对抗维持脊柱平衡㊂当人体处于不同体位时,椎间盘内压力的变化除与负重有关外,同椎旁肌的牵拉关系密切㊂放松直立位时L3~L4椎间盘上的负荷约为测量平面以上体重的2倍㊂无负荷状态下椎间盘内存在大约10N/ c m2的内压力,如果单纯给予上半身体重载荷,会引起腰椎模型发生前倾,而引入稳定性骨骼肌载荷后,很好地维持了腰椎模型的原有姿态,更接近人体腰椎的正常状态㊂腰椎的姿态维持和运动主要依靠周围肌的作用力实现,但这些力的大小和方向是在动态调节的,单纯力的加载很难模拟真实状态㊂只能在脊柱静态稳定状态,在载荷中引入稳定肌力因素㊂椎间盘是脊柱功能重要的载荷中心和缓冲结构,在脊柱运动㊁承载㊁传递各种载荷中具有关键作用[14],也是腰椎疾病的好发部位㊂腰椎间盘应力云图结果显示,在前屈㊁后伸㊁侧弯和扭转4种工况下,应力主要集中在椎间盘边缘,且受压侧应力较集中,并向受拉侧扩散消释,这与腰椎的生物力学特性相符㊂本研究结果发现腰椎椎间盘在轴向㊁前屈㊁后伸及侧弯4种工况下,纤维环形变较大,且出现明显的应力集中㊂当扭转时,纤维环应力主要集中于侧后方,这也间接证实了椎间盘纤维环受力过大导致的纤维环破裂㊁髓核脱出即腰椎间盘突出,常发生在后外侧,是人体腰椎疾患的重要病因之一㊂本研究成功构建了脊柱腰段的三维有限元模型,且有效模拟了腰椎的生物力学特性,但也存在一些不足,需要进一步完善和改进㊂首先,有限元分析受到了各种客观因素的限制,如骨骼肌㊁肌腱㊁韧带的非线性特点难以实现准确的模拟㊂本研究中虽然引入了肌力因素,但由于脊柱活动时,肌力的大小和方向是在动态变化的,在进行有限元分析时,对骨骼肌等结构的生物力学特性进行了线性化简化处理,故结果和真实情况还存在一定误差,希望在后续研究中通过编写载荷参数曲线来进行模拟㊂其次,三维有限元模型各项参数的处理,受人为因素的影响,最终会出现运算数据值和量的差异㊂当有限元运算数据量增加时可能引起误差的增大,从而影响有限元方法分析结果的可靠性㊂最后,由于数据获取方便㊁无创性和可重复等特点,目前基于三维有限元模型进行生物力学研究较多㊂基于尸体标本测试获得的生物力学数据更接近真实情况,有较高的临床可靠性,但标本不易获取且不能重复实验㊂因此,将2种方法结合使用㊁相互验证可以提高其结果的可信度,能为各类腰椎疾病的手术设计和评估提供有效参考㊂[参考文献][1]刘治华,许伟超,徐新伟,等.腰椎牵引角度有限元分析及优化[J].郑州大学学报:医学版,2015,50(4):507-511.[2]S c h o l l u m M,W a d eK,R o b e r t s o nP,e ta l.A m i c r o s t r u c t u r a li n v e s t i g a t i o n o f d i s c d i s r u p t i o ni n d u c e d b y l o w f r e q u e n c yc y c l i c l o ad i n g[J].S p i n e(P h i l aP a1976),2018,43(3):E132-142.[3]冯其金,赵玲娟,谷福顺,等.三维有限元动物椎体模型的建立及应力分析[J].中国中西医结合外科杂志,2018,24(1):63-68.[4] Z h u R,N i u WX.T h e e f f e c t o f m u s c l e d i r e c t i o n o n t h ep r e d i c t i o n so ff i n i t ee l e m e n t m o d e lo fh u m a nl u m b a rs p i n e[J].B i o m e dR e s I n t,2018,2018(58):1-6.[5]苏春涛,眭承志.全腰椎三维有限元模型的构建及仰卧位屈曲模式下椎间盘蠕变的生物力学分析[J].中国康复医学杂志, 2016,31(10):1136-1138.[6]王宏卫,刘新宇,万熠.人体腰椎L4~L5段有限元模型建立及力学有效性验证[J].医学与哲学,2017,38(10):50-53.[7] W a n g L,Z h a n g B,C h e nS,e ta l.A V a l i d a t e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o f f a c e t j o i n t s t r e s s i nd e g e n e r a t i v e l u mb a rsc o l i o s i s[J].W o r l dN e u r o s u r g,2016,95(11):126-133. [8] N e w c o m b A G,B a e k S,K e l l y B P,e t a l.E f f e c t o fs c r e wp o s i t i o no nl o a dt r a n s f e ri nl u m b a r p e d i c l es c r e w s:a n o n-i d e a l i z e d f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s[J].C o m p u t M e t h o d sB i o m e c hB i o m e dE n g i n,2017,20(2):182-192.[9]吴小辉,刘小聪,陶平,等.人体胸腰段三维有限元力学的仿真研究[J].微创医学,2017,12(3):315-319.[10]姜伟,李威,袁峰,等.L4/5关节突关节融合后椎间盘应力变化的三维有限元分析[J].中国脊柱脊髓杂志,2017,27(5): 441-448.[11] D uC F,Y a n g N,G u oJ C,e ta l.B i o m e c h a n i c a lr e s p o n s eo fl u m b a r f a c e t j o i n t s u n d e rf o l l o w e r p r e l o a d:af n i t ee l e m e n ts t u d y[J].B M C M u s c u l o s k e l e tD i s o r d,2016,17(1):126.[12] C l a e s o n A A,B a r o c a s V H.C o m p u t e rs i m u l a t i o n o fl u m b a rf l e x i o n s h o w s s h e a r o f t h e f a c e t c a p s u l a r l ig a m e n t[J].S p i n eJ,2017,17(1):109-119.[13]刘治华,许伟超,张新民,等.颈椎C2~7三维有限元模型的建立与最优角度牵引仿真研究[J].郑州大学学报:医学版, 2016,51(3):359-363.[14] Z h u Q,G a o X,L e v e n e H B,e ta l.I n f l u e n c e s o fn u t r i t i o ns u p p l y a n d p a t h w a y so nt h ed e g e n e r a t i v e p a t t e r n s i nh u m a ni n t e r v e r t e b r a l d i s c[J].S p i n e(P h i l aP a1976),2016,41(7):568-576.(本文编辑:杜媛鲲)㊃1731㊃庞胤等脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析。

有限元法在脊柱结构和腰椎融合生物力学评价中的应用倪伟峰;徐建广【期刊名称】《中国组织工程研究》【年(卷),期】2008(012)030【摘要】有限元分析法可对形态、结构、材料和载荷情况极其复杂的构件进行应力、应变分析,而且具有力学性能测试全面,可重复性,可控性等优点,目前已广泛地应用于脊柱的复杂结构生物力学研究中.文章简单介绍了几种常用的有限元分析软件的特点,概括了椎体、椎间盘、附件结构和韧带组织和肌肉的生物力学特点,并且较细致地总结了有限元法在腰椎融合方面的研究成果,其中包括对椎间融合器cage 的生物力学特点及其置入后对融合节段生物力学的影响,及相关的术式选择,动力性融合,人工椎间盘置入对脊柱生物力学的影响,脊柱肿瘤切除术不同融合方式的生物力学比较.认为有限元法能帮助理解脊柱复杂结构的生物力学,进而为腰椎融合手术方法选择提供生物力学上的参考.【总页数】4页(P5949-5952)【作者】倪伟峰;徐建广【作者单位】上海交通大学附属第六人民医院骨科,上海市,200233;上海交通大学附属第六人民医院骨科,上海市,200233【正文语种】中文【中图分类】R318【相关文献】1.有限元法在脊柱内固定生物力学研究中的应用进展 [J], 张超2.以三维非线性有限元法分析融合腰椎的生物力学变化 [J], 张延辉;姜宏春;李静;张宝弟;3.三维有限元法分析腰骶区椎间融合联合置入棘突间动态内固定装置后腰椎的生物力学变化 [J], 曹亮亮; 徐建广; 梅伟4.三维有限元法分析腰骶区椎间融合联合置入棘突间动态内固定装置后腰椎的生物力学变化 [J], 曹亮亮; 徐建广; 梅伟5.有限元法生物力学分析在青少年特发性脊柱侧凸治疗及病因研究中的应用 [J], 吴浩然;李博;陈绍丰;李明因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

骨质疏松性腰1椎体有限元模型的 建立和应力分析蔡明①马朋朋**张春林②刘肃②张鑫②宗治国②苏峰②李伟②张志敏2基金项目：河北省卫健委青年科技课题(编号：201909()6 )*通信作者：河北北方学院附属第一医院，075000，河北省张家口市长青路12号① 河北北方学院，()75000,河北省张家口市桥西区长青路36号② 河北北方学院附属第一医院，075000,河北省张家口市长青路12号80 • China Digital Medicine. 2020,Vol.15,No.4摘要 目的：建立不同载荷下骨质疏松性椎体骨折的有限元模型，研究载荷条件与骨折部位的关系，预测骨折方式。

方法：将志愿者T12-L2椎体CT 数据导入Mimics 软件，建立L1椎体有限元模型，然后导入3-Matic 软件建立皮质骨和松质骨模 型，再导入Ansys Workbench 软件，分别赋予骨质疏松材料属性并划分网格。

对模型施加五种不同的载荷，模拟椎体骨折。

结果：椎体与皮质骨形变一致，皮质骨较松质骨形变值更大(戶0.042V0.05)。

所有载荷中，垂直压力产生最大形变值， 扭转载荷最小。

压缩负荷导致椎体上终板和椎体中心形变最大，方向向下；前屈、后伸和侧弯均导致椎体前柱周围形变最大，向载荷方向形变，也导致椎体高度丢失；扭转导致椎体前缘形变最大。

结论：本研究预测在骨质疏松性椎体骨折情况 下，椎体皮质骨较松质骨先发生骨折；垂直压力最容易引发椎体骨折；垂直压力可造成椎体压缩骨折；前屈、后伸和侧弯 均可造成椎体爆裂骨折；扭转可造成椎体前缘骨折。

关键词腰椎骨质疏松有限元应力Doi:10.3969/j.issn.l673-7571.2020.04.025［中图分类号］R274.ll ［文献标识码］AThe Establishment of Finite Element Model and Stress Analysis of Osteoporotic Lumbar Vertebrae 1 / CAI Ming, MA Peng —peng, ZHANG Chun-lin, et al//China Digital Medicine -2020 15(04): 80 to 83Abstract Objective: Establish a fin 让e element model of osteoporotic vertebral fracture under different loads, to study the relationship between load conditions and fracture s 让e, and to predict fracture mode. Methods: The CT data of the volunteers * T12—L2 vertebralbody were imported into Mimics software, LI vertebral body fin 让e element model was established, and then the cortical bone and spongy bone models were imported into 3—Matic software, and then imported into Ansys Workbench software, which wererespectively assigned with osteoporosis material properties and divided into grids. Five different loads were applied to the model to simulate vertebral fractures. Results: Vertebral body deformation was consistent w 让h cortical bone, and cortical bone deformationwas larger than cancellous bone (/^=0.042<0.05). Among all the loads, the vertical pressure generates the maximum deformationvalue and the torsion load is the minimum. The compression load results in the maximum deformation of the upper endplate andthe center of the vertebral body in a downward direction; The anterior flexion, posterior extension and lateral curvature all result inthe maximum deformation around the front column of the vertebral body, and the deformation towards the direction of the load,which also results in the loss of the height of the vertebral body. The deformation of the leading edge of the vertebral body is caused by torsion. Conclusion: This study predicted in the case of osteoporotic vertebral fracture, vertebral cortical bone fracture occurredearlier than cancellous bone; vertical pressure is most likely to cause vertebral fracture; vertebral compression fracture can be caused byvertical pressure; Vertebra burst fracture can be caused by anterior flexion, posterior extension and lateral curvature. Torsion can cause a fracture of the anterior edge of the vertebral body.Keywords lumbar spine, osteoporosis, firdte element, stressFund project Youth Science and Technology Project of Hebei Health Commission (No. 20190906)Corresponding author The First Affiliated Hospital of Hebei North University, Zhangjiakou 075000, Hebei Province,P.R.C.骨质疏松性椎体骨折在老年人群中是一个日益严重的问题，由于骨量的减少和骨小梁结构的改变使椎体容易发生破坏。

三维有限元分析腰骶椎结构的动态特性武晓丹;张顺心;范顺成;李晔;贾少薇;谢俊德;韩立【期刊名称】《中国组织工程研究》【年(卷),期】2017(021)015【摘要】BACKGROUND: Inherent modal analysis and harmonic response analysis on the human normal lumbosacral vertebraehave been reported, but there is a lack of comparative research on their modal analysis results before and after pediclescrew fixation.OBJECTIVE: To explore the dynamic characteristics of human lumbosacral vertebrae using three-dimensional finiteelement method.METHODS: Finite element model of lumbosacral vertebrae (L1-S1) before and after pedicle screw fixation was developedand validated based on CT images, and the modal analysis and harmonic response analysis were then conducted.RESULTS AND CONCLUSION: (1) Representative nodes were selected at the spinous process segments of L1, L3 andL5, and numbered as A, B, and C, respectively. (2) The maximum displacement of each node in Y and Z directions oflumbosacral vertebral model after internal fixation was significantly decreased compared with those of the normallumbosacral vertebral model, suggesting that screw fixation system plays a protective role in lumbosacral vertebrae, andreduces its amplitude under external load, thus diminishing its sensitivity to external load. (3) The lumbosacral vertebralmodal analysis can provide basis for further study on dynamicanalysis, and the parameters such as natural frequency,modal shape and vibration amplitude of the lumbar spine have been determined.%背景:有文献对人体正常脊柱腰骶椎进行了固有模态分析及谐响应分析,但尚未有研究涉及对比椎弓根螺钉内固定前后腰骶椎的固有模态分析及谐响应分析.目的:采用三维有限元方法探讨人体腰骶椎的动力学特性.方法:基于CT扫描图像建立并验证经椎弓根螺钉系统内固定前后腰骶椎L1-S1节段有限元模型,然后对固定前后腰骶椎模型分别进行有限元模态分析和谐响应分析.结果与结论:①在腰骶椎模型的腰椎L1,L3,L5节段棘突处选取代表性节点,节点编号分别为A,B,C;②内固定后腰骶椎模型的各个节点在Y,Z方向上位移最大峰值比正常腰骶椎模型位移最大峰值均明显减小,表明螺钉内固定系统对腰骶椎部分起到了保护作用,使得固定后的腰骶椎在受到外界激励时振幅减小,对外界激励的敏感性减弱;③腰骶椎的模态分析是进一步进行动力学分析的基础,确定了腰骶椎的固有频率、振型和振幅等振动参数.通过谐响应分析研究简谐载荷对人体脊柱腰骶椎L1-S1节段的影响,对于腰骶椎的振动特性分析方面具有重要意义.【总页数】7页(P2388-2394)【作者】武晓丹;张顺心;范顺成;李晔;贾少薇;谢俊德;韩立【作者单位】河北工业大学机械学院,天津市 300130;河北工业大学机械学院,天津市 300130;河北工业大学机械学院,天津市 300130;中国医学科学院北京协和医院,北京市 100005;河北工业大学机械学院,天津市 300130;河北工业大学机械学院,天津市 300130;天津医科大学医学影像学院,天津市 300203;美国密歇根大学安娜堡分校医学院,美国 48105【正文语种】中文【中图分类】R318【相关文献】1.腰骶椎带锁轴向融合内固定器的有限元分析 [J], 易新;宋西正2.三维有限元分析腰骶椎结构的动态特性 [J], 武晓丹;张顺心;范顺成;李晔;贾少薇;谢俊德;韩立;;;;;;;;3.腰骶椎带锁轴向融合内固定器的有限元分析 [J], 易新; 宋西正4.异形骨圆针骨水泥结构修复腰骶椎结核病灶清除后骨缺损 [J], 王文格;马振羽;蔡慕忱;马兆丰5.腰骶椎前路螺旋融合笼对脊柱腰骶部结构的影响 [J], 马兆龙;许立;杨惠林;杨同其;唐天驷因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

腰椎椎间孔外椎体间融合术的三维有限元建模及分析杨明杰;曾诚;李立钧;潘杰;郭松;谭军【摘要】目的采用三维有限元方法比较椎间孔外腰椎椎体间融合术( extraforaminal lumbar interbody fusion, ELIF)与传统经椎间孔腰椎椎体间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF),在不同固定方式下的生物力学稳定性.方法将健康成年男性志愿者腰椎CT片读入Simpleware 2. 0,建立L3～L5的三维几何模型.利用Hypermesh,对模型进行有限元网格划分,建立完整L3～L5节段有限元模型.对完整模型进行不同处理,分为正常标本对照组(C组),单边固定ELIF(E1组),单边固定TLIF(T1组),双边固定ELIF(E2组),双边固定TLIF(T2组),单边固定ELIF+对侧经椎板关节突螺钉内固定( E3组),单边固定TLIF+对侧经椎板关节突螺钉内固定( T3组).利用Abaqus 6. 10,对处理组模型施加相应的载荷及运动附加力,计算腰椎前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6种工况下的L4～L5节段角位移及其他生物力学指标.结果 E1与T1组L4～L5活动度均较C组明显减小( P ＜0. 01). E1组各工况下的活动度小于T1组,尤以左侧屈及右旋时明显( P＜0. 05);E1组在各工况下的活动度明显高于T2组(P＜0. 05);E3组活动度明显低于E1组(P＜0. 05).在400 N的载荷下,E2组与T2组、E3组与T3组活动度差异均无统计学意义( P＞0. 05).结论 ELIF联合使用对侧经椎板关节突螺钉固定后稳定性得以提高,与TLIF双侧椎弓根螺钉固定在限定载荷下相当,是一种安全有效,更加微创的腰椎椎体间融合术式.%Objective To establish a 3D-finite element model for evaluation of biomechanical stability of extraforaminal lumbar interbody fusion ( ELIF ) and traditional transforaminal lumbar interbody fusion( TLIF) under different internal fixation. Methods The CT images of health adult males were applied to establish the L3-L5level 3D geometric model withSimpleware 2. 0 software. Hypermesh was used to divide the finite element mesh for establishment of L3-L5level intact finite element model. The biomechanical stability was analyzed by the established model with the following treatment: E1 ( unilateral fixation ELIF ) , T1 ( unilateral fixation TLIF ) , E2 ( bilateral fixation ELIF), T2 (bilateral fixation TLIF), E3 (unilateral fixation ELIF + contralateral translaminar facet screw) , T3 ( unilateral fixation TLIF +contralateral translaminar facet screw). The corresponding load and additional movement force were exerted in all treatment groups. The angular displacement of L4-L5 and other biomechanics index were calculated in anteflexion, extension, lateral flexion and rotation movement using Abaqus 6. 10 software. Results The range of motion ( ROM) of E1and T1 was significantly lower than that of C in the intact model ( P＜0. 01). Compared with T1, the ROM of E1 was lower, especially in left lateral flexion and right rotation ( P＜0. 05). Compared with T2,the ROM of E1 was significantly higher ( P＜0. 05). The ROM of E3 was significantly decreased compared with E1(P＜0. 05). Moreover, the ROM of E3 was not significantly different with that of T2. Under the load of 400 N,there were no significant differences between T2 and T3, and between T3 and E3 ( P＞0. 05). Conclusion The established 3D-finite element model shows that the stability of single pedicle screws fixation ELIF will be improved by use of contralateral translaminar facet screw,and it is a safe, more efficient and less invasive operation approach.【期刊名称】《同济大学学报（医学版）》【年(卷),期】2018(039)003【总页数】7页(P41-47)【关键词】腰椎椎间融合;微创;三维有限元分析【作者】杨明杰;曾诚;李立钧;潘杰;郭松;谭军【作者单位】同济大学附属东方医院脊柱外科,上海 200120;同济大学附属东方医院脊柱外科,上海 200120;同济大学附属东方医院脊柱外科,上海 200120;同济大学附属东方医院脊柱外科,上海 200120;同济大学附属东方医院脊柱外科,上海200120;同济大学附属东方医院脊柱外科,上海 200120【正文语种】中文【中图分类】R681.5目前，腰椎融合术仍为治疗腰椎退变性疾病的最常用术式[1]，临床上达到的共识是尽可能保留后方的张力结构，减小附加创伤，可以保证术后短期的稳定性以及长期的融合率。

参数化人体腰骶建模方法及有限元研究参数化人体腰骶建模方法及有限元研究摘要：本文针对人体腰骶部位的建模及其有限元研究进行了深入研究。

首先对人体腰骶部位的解剖结构及其生理特征进行了简单介绍，并结合相关疾病的发病机理，提出了针对人体腰骶部位建模的参数化方法，并通过有限元模拟分析了腰骶部位在不同载荷情况下的受力情况。

关键词：人体腰骶部位、建模、有限元、参数化、受力情况。

一、前言随着现代工业化进程的加速，人们对于人体保健越来越关注。

其中，腰骶部位发生的疼痛、损伤等问题时有发生，不但给患者带来了极大的身体痛苦，同时也影响着其正常生活及工作。

因此，对于腰骶部位解剖结构及生理特征进行深入研究，提出针对腰骶部位的建模方法，从而为相关的医疗保健及人体工程学等领域提供技术支持，具有重要的现实意义。

二、人体腰骶部位解剖分析人体腰骶部位由骶骨及腰椎构成，这些结构的解剖及组成形态是对于腰骶部位建模的重要基础。

在正常情况下，腰椎的前缘最高处与胸椎的后缘最低处相齐。

根据人体结构及相关疾病的发生机理，将人体腰骶部位分为椎间隙、关节、韧带等部位，不同部位所发生的损伤及疾病因素也有所不同。

三、人体腰骶建模方法研究参数化建模方法逐渐成为建模及仿真技术中的热门领域，其主要基于数学和计算机等工具实现对物体的建模及仿真，可有效地提高建模效率。

本文通过对腰骶部位的解剖结构及生理特征进行梳理，提出了一种基于参数化建模的方法。

具体来讲，该方法包括以下几个步骤：1. 根据腰骶部位的解剖结构，通过人体解剖学教材等参考资料，建立具体的参数化模型。

2. 根据参数化建模的特点，利用计算机及相关的建模软件，对腰骶部位进行建模，并将参数加以规范化。

3. 针对不同的载荷情况，调整模型参数，以实现人体腰骶部位在不同激励下的仿真模拟。

四、有限元模拟分析有限元模拟技术是建模和仿真领域中的重要技术之一。

在本文中，对于腰骶部位进行了有限元模拟分析，从而进一步深化对于人体腰骶部位的认识。

人体脊椎腰骶段的三维有限元仿真模拟07241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。

2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1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2和图3分别是三维有限元模型的单元和节点表示。

图1 人体脊椎矢状位图像人体脊椎腰骶段的三维有限元建模与仿真摘要：人体脊椎的有限元仿真计算能够精确描述其在被施加集中力载荷后的应力应变情况，进而帮助验证病变手术结果的有效性。

举重运动员抓举动作脊柱腰椎节段受力特点分析―――基于有限元理论摘要：本文探讨了举重运动员抓举动作的脊柱腰椎节段受力特点。

利用有限元理论，研究了抓举动作受力情况，并对此做了分析。

结果表明，举重运动员抓举动作在脊柱腰椎节段受到了巨大的应力，其中最大压力出现在lumbar vertebrae 1和2之间，并表现为主要沿着垂直方向分布。

建议在进行抓举动作时，注意保持良好的脊柱姿势。

关键词：举重运动员，抓举动作，有限元理论，脊柱腰椎节段，力学分析正文：1. 引言：举重运动是一项竞技性的体育运动，其有效提升了体质和体能，以及强化肌肉和结构的力学性能。

抓举动作是举重运动的关键技术之一，而脊柱腰椎节段的受力特点是影响举重运动员抓举动作安全性、正确性和效率的重要因素之一。

2. 方法：本研究基于有限元理论，建立了实验模型，利用Computational Dynamics (CD)计算软件，对抓举动作时脊柱腰椎节段的受力情况做了追踪研究。

3. 结果：结果表明，举重运动员抓举动作脊柱腰椎节段处受力非常大，其中最大压力出现在lumbar vertebrae 1和 2之间，且主要沿着垂直方向的力学特征最强。

4. 结论与建议：本研究为举重运动员抓举动作提供了一种更全面、有效的动态力学分析方法，可以准确反映抓举动作时脊柱腰椎节段受力情况，也可以进一步为举重运动员安全发挥提供参考。

建议在进行抓举动作时，注意保持良好的脊柱姿势。

在举重运动中，抓举是基本的技能，对运动员的应力变化了解很重要。

有限元理论在此应用较为广泛，因为它能够准确分析复杂的力学问题，以及测量和识别不同位置和部位的变形、压力分布等参数，从而有助于举重运动员把握健康境况，避免过度活动和受伤。

首先，有限元理论可以为举重运动员的抓举动作提供有力的支持，帮助他们更好地控制受力，更充分地发挥抓举动作的力量及其精准性，从而确保动作的正确性和高效性。

运动员可以通过收集和分析特定时期、特定部位的力学变化信息来了解受力情况，并绘制出力学特征分布图，以此来指导训练过程。

脊柱有限元仿真分析
关键字：脊柱，有限元，仿真，骨头，CAE
本文用HyperMesh建立了脊柱及其软骨的有限元模型，运用ABAQUS对脊柱受力情况进行了有限元分析，获得了脊柱的应力（stress）应变（strain）和变形（displacement）云图，可用于脊柱的相关研究。

1、获得人体骨骼3D模型
本文通过CT扫描，获得原始数据，再通过三维重建技术获得人体骨骼的精确三维模型，以便有限元分析使用，人体骨骼模型如下图所示。

2、建立胫骨骨折有限元模型
本文针对脊柱进行有限元分析，为了减小计算量，只选脊柱的一部分进行有限元分析，提取脊柱模型如下图所示。

首先简化骨骼的几何模型，修改其中的缺陷。

使用HyperMesh对胫骨划分网格，生成脊柱有限元买模型，如下图所示,微信搜索：博洋CAE，可找到我。

骨头是一种复杂的不均匀的材料，分为内层和外层，外层较为紧致，内层较为疏松，建立有限元模型时，考虑的两种不同骨骼材料，将骨骼分为内层和外层，如下图所示。

脊椎骨与软骨之间定义接触，两块脊椎骨之间也定义接触。

在最下面的软骨底面添加固定约束，在最上面的软骨顶面施加700牛顿的载荷，边界条件完成后的有限元模型如下图所示。

3、结果分析
下图为vonMises应力分布云图，其中脊椎骨，在云图中颜色较深。

下图为位移应力分布云图
4、结论
本位建立了脊柱限元模型，分析了脊柱受力情况下的应力以及变形等，可为脊柱相关分析分析提供有意义参考。

本人为大连理工大学研究生，长期从事有限元仿真分析工作，有着丰富的工程实践经验，可代做（或指导）各种有限元分析，价格合理，质量有保证。

广西大学土木建筑工程学院硕士研究生课程作业（习题）课程有限单元法任课教师黄立新专业、年级固体力学2012级研究生赵文举成绩目录摘要 (2)1 引言 (2)2 材料和方法 (3)3 ABAQUS有限元软件计算分析 (4)4 结果分析及讨论 (5)参考文献 (6)腰椎运动节段三维有限元模型建立及其应力分析A Three-dimensional Finite Element Model for Lumbar Motion Segment and Analysis of Stress赵文举Wenju Zhao（广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004）(College of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China) 【摘要】目的利用三维有限元分析，研究简单工况条件下腰椎活动节段的应力分布。

方法使用ABAUQS6.10有限元分析软件建立L4-5运动节段的三维有限元模型，分析腰椎运动节段在压缩、拉伸作用力下各部结构的应力变化。

结果压缩时椎体密质骨、椎弓根、椎弓峡部和后部小关节部平均应力最高；拉伸时小关节出现应力集中，高于其他部分。

结论应用有限元分析能形象模拟腰椎活动节段各种载荷下的应力分析，不同运动条件下，腰椎运动生理节段的应力集中部位不同。

【Abstract 】Objective To investigate the stress changes of lumbar vertebrae internal structure in different movements by using a finite element model. Methods Thethree-dimensional finite element model of lumbar L4-5 motion segment was created by ABAQUS 6.10 finite element software.To analyze the stress change in lumbar motion segment during different movements such as extension and lateral bending . Results Higher equivalent stress was found when compression loadings were applied to the pedide of vertebral arch and interarticularis,also the lumbar facet joint and lumbar cortical bone;The concentrated stress were founded when extension loadings were applied to the lumbar facet joint.Conclusions Using finite element can analyze the stress distribution in lumbar motion segment in different movements. When lumbar motion segment were applied different movements,the concentrated stress would appear in different lumbar structure.【关键词】有限元模型;腰椎运动节段【Keywords 】finite element model; lumbar motion segment1 引言有限元（finite element）概念于20世纪40年代最早提出，50年代初即被用于结构设计，目前已广泛应用于工程技术各领域。

5288｜中国组织工程研究｜第25卷｜第33期｜2021年11月三维有限元法分析腰椎不同尺寸关节突成形后相关节段的生物力学特征余 洋1，谢一舟1，石 银1，吴卫东2，顾党伟1，樊效鸿1文题释义：腰椎经皮内镜：与脊柱内窥镜类似，是一个配备有灯光的管子，它从患者身体侧方或者侧后方(可以平可以斜的方式)进入椎间孔，在安全工作三角区实施手术或通过患者后方从椎板间隙进行手术。

在椎间盘纤维环之外操作，在内窥镜直视下可以清楚看到突出的髓核、神经根、硬膜囊和增生的骨组织，然后使用各类抓钳摘除突出组织、镜下去除骨质、射频电极修复破损纤维环。

腰椎经皮内镜手术是同类手术中对患者创伤最小、效果最好的椎间盘突出微创疗法。

三维有限元：利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟，利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

摘要背景：腰椎经皮内镜在全国乃至全世界范围内开展的如火如荼，经椎间孔的侧入路是目前腰椎经皮内镜技术最常用的入路之一，但是对于其术后造成相关节段的生物力学影响鲜有报道。

目的：通过三维有限元法模拟对比不同尺寸(7.5，10，15 mm)的关节突成形并探究其对腰椎相关节段生物力学的影响。

方法：建立L 3-L 5三维有限元模型并验证其有效性。

模拟L 4/5腰椎经皮内镜手术中的关节突成形术，以临床上穿刺针与水平面及冠状面的夹角，以L 5上关节突基底部作为穿刺靶点，根据穿刺路径分别做直径为7.5，10，15 mm 的环锯环切成形，从而获得L 5上关节突基底部不同直径成形的三维有限元模型。

通过对正常模型、7.5，10，15 mm 直径成形有限元模型在6个方向上施加载荷，计算各模型在前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋6种状态下操作节段(L 4/5)及邻近节段(L 3/4)椎间盘Von Mises 应力极值和相关节段的活动度情况，并进行相关对比研究，以明确不同尺寸的关节突成形对腰椎生物力学稳定性的影响。