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基于流体动力学网格技术建立寰枕融合的全颈椎有限元模型

2017/12/11    来源:互联网    作者:邓达人  孟春玲  陈宏健  张刚      
关键字:皮质骨  有限元模型  流体动力学  
本文利用HyperMesh等软件的前处理功能建立寰枕融合的全颈椎三维有限元模型,可为颅颈交界区畸形的生物力学研究提供基础。

0 引言

    颅底陷入合并寰枕融合是一种常见的先天性颅颈交界区畸形,常导致严重的颅颈区不稳和延颈髓受压。该疾病的发病机制复杂,目前尚不明确,其发病后的颅颈部生物力学变化尚无文献报道。通过建立该疾病的有限元模型,可以对颅颈部的运动变化过程和生物力学进行仿真和预测。本研究运用CT扫描技术、Mimics软件以及逆向工程法,建立骨骼曲面模型,基于大型有限元前处理软件HyperMesh,结合骨结构的特点,将流体动力学(computerfluiddynamics,CFD)流体边界层的网格划分技术,引入到骨生物力学的骨骼网格划分中。把皮质骨的外表面划分为二维四边形网格,以该网格做参考网格向模型内部映射出若干层三维六面体单元,用六面体单元模拟皮质骨;对于受力较小的松质骨采用四面体单元。从而建立出寰枕融合的全颈椎有限元模型。

1 建模过程

    以某医院提供的颅底陷入合并寰枕融合病人颈椎部位的薄层扫描CT数据为研究对象,采集CT断层图片,应用Mimics医学影像处理软件完成寰枕融合的全颈椎三维模型的重建并获取点云数据[见图1(a)]。将该点云数据导入三维建模软件SolidWorks,进行逆向建模,得出骨骼的三维实体模型[见图1(b)]。使用大型有限元前处理软件HyperMesh对骨骼的三维模型进行CFD网格划分,将骨骼模型的几何面划分为二维四边形网格[见图1(c)];以二维四边形网格为参考,向模型内部映射出3层高质量的六面体单元作为皮质骨[见图1(d)];再将模型其余部分划为四面体单元作为松质骨[见图1(e)],完成骨骼模型的网格划分[见图1(f)]。寰枕融合的全颈椎网格模型如图2所示。

    1

    将Hypermesh制作的寰枕融合的全颈椎网格模型,通过大型有限元软件ABAQUS进行軔带添加、材料参数赋值、接触定义、设置载荷以及约束条件等,从而完成有限元模型的建立。

责任编辑:张纯子
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