基于MRI图像的人体腰椎节段三维有限元模型重建及分析

发布时间：2017-06-20 14:17

  本文关键词：基于MRI图像的人体腰椎节段三维有限元模型重建及分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：腰椎病变损伤是导致腰腿疼痛的主要原因之一，由于其发病原因很复杂，而且久难治愈，对人们正常的生活和工作产生了严重的影响。在临床上，腰椎间盘突出不只是由于受压所致，大部分原因是因为椎间盘内应力分布不均匀，局部应力集中纤维环破裂导致。通过对活体进行试验测量以获得腰椎间盘的应力应变及变形在临床中是非常困难的，迄今为止人们还不能直接从活体上测量腰椎所受力的状态,进而寻找出腰椎的损伤原因和传递力的过程。 通过有限元与生物力学相结合的方法建立的腰椎模型不但能模拟人体的脊锥外形，而且具有比较精确的解剖结构，还能模拟人体的各种运动方式，从而计算出相应运动情况下各个结构的受力情况。本文所建立的模型和计算在较好的表达腰椎解剖结构的同时，更能够表示出腰椎间盘的应力应变变化特征，有助于深入了解各种腰椎损伤的成因并对诊治手段加以改进，为腰椎段的手术图像指导和仿真奠定了理论基础。 本课题采用医学影像的方法，获得原始数据，将MRI扫描得到的Dicom数据输入逆向工程软件Simpleware中进行图像处理并优化，通过补充建立终板，髓核，纤维环等结构，建立完整的腰椎三维有限元模型。设置椎体与椎间盘之间的接触类型，通过对正压、前屈、侧弯、后伸等姿态多次的模拟计算，分析出腰椎在不同载荷下的应力应变分布规律及变形情况。 通过有限元的应力应变场计算得出，腰椎间盘的生长进化与应力有关；椎弓根部的损伤不仅与腰椎高压力负荷有关还与前屈后伸运动有关；重复性的前屈，会导致间盘压力过大，，可能会引发椎间盘突出症。 建立的三维人体腰椎模型和研究方法，为医生在临床上分析腰椎疾病的致病机理以及减少术后复发的概率等提供了理论依据。本模型亦可为今后建立三维人体腰椎模型提供一种建模方式和进行相近研究工作提供一定的参考，也为以后对身体进行健康恢复性运动提供一定的理论依据。
【关键词】：椎间盘 生物力学 医学影像 MRI 有限元分析
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.01;TP391.41
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 生物力学10
• 1.2.1 生物力学简介10
• 1.2.2 腰椎生物力学特性10
• 1.3 国内外研究现状及存在的问题10-12
• 1.3.1 国内外研究现状10-11
• 1.3.2 研究中存在的问题11-12
• 1.4 课题研究的目的意义及主要内容12-14
• 1.4.1 研究的目的意义12
• 1.4.2 研究的主要内容12-14
• 第二章 腰椎的解剖结构及有限元分析法14-22
• 2.1 腰椎的解剖结构14-16
• 2.1.1 椎骨的解剖结构14-15
• 2.1.2 椎间盘的解剖结构15-16
• 2.2 脊柱有限元分析法16-22
• 2.2.1 有限元分析法简介16
• 2.2.2 有限元分析问题的步骤16-20
• 2.2.3 有限元线性静力分析20
• 2.2.4 有限元法在脊柱生物力学中的应用20-21
• 2.2.5 脊柱有限元分析法的优缺点21-22
• 第三章 基于 MRI 核磁共振成像的腰椎节段三维有限元建模22-31
• 3.1 基于 MRI 核磁共振成像的有限元分析发展概述22-23
• 3.1.3 医学影像技术22-23
• 3.1.4 MRI 核磁共振成像技术23
• 3.2 相关应用软件介绍23-24
• 3.2.1 Simpleware 软件介绍23
• 3.2.2 Geomagic Studio 软件介绍23
• 3.2.3 Workbench 软件介绍23-24
• 3.3 建立有限元模型24-31
• 3.3.1 导入 MRI 图像24
• 3.3.2 图像分割24-26
• 3.3.3 创建几何模型26-27
• 3.3.4 模型优化27-30
• 3.3.5 导入 workbench 软件30-31
• 第四章 腰椎节段模型的有限元分析31-47
• 4.1 腰椎节段模型的有限元分析31-45
• 4.1.6 补充建立有限元模型31-33
• 4.1.7 定义材料属性33-34
• 4.1.8 网格划分34-36
• 4.1.9 定义接触类型36-37
• 4.1.10 设置边界条件和加载方式37-38
• 4.1.11 加载38-40
• 4.1.12 求解40-45
• 4.2 仿真结果分析45-47
• 第五章 结论与展望47-49
• 5.1 结论47
• 5.2 展望47-49
• 参考文献49-53
• 发表论文和科研情况说明53-54
• 致谢54-55

【参考文献】

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本文编号：465908