人体腰椎生物力学模型及损伤参数敏感性分析(2)
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【关键词】
【摘要】为了研究腰椎损伤机理,通过生物力学实验数据拟合出符合人体韧带生理特征的韧带单元作为腰椎模型输入极为必要。在20世纪90年代,国外展开大量针对
为了研究腰椎损伤机理,通过生物力学实验数据拟合出符合人体韧带生理特征的韧带单元作为腰椎模型输入极为必要。在20世纪90年代,国外展开大量针对人体腰椎相关组织的研究,针对腰椎组织研究可分为4个层次:对腰椎部分组织的研究[15,26-27](如韧带、椎间盘及椎体中的皮质骨、松质骨和端板)、对腰椎主要功能段的研究[28]、对腰椎整体动态响应的研究以及对整人中的腰椎的动态响应的研究。目前文献提供了大量详尽的人体腰椎组织的材料参数,为腰椎有限元建模提供了数据支持。本研究中数据依托于医学工程研究的腰椎模型,并引入高速碰撞载荷下的腰椎组织材料应变率效应及失效准则。
本研究基于GHBMC腰椎模型的几何外形,建立包含有更准确的韧带参数的人体腰椎有限元模型。通过处理已发表论文中的实验数据,得到各种韧带的拉伸载荷曲线及其不同加载速率下对应的载荷拉伸曲线,以此来研究不同韧带的参数(韧带失效力、松弛区长度、应变率效应、韧带刚度)对于腰椎损伤的影响。同时本研究构建不同曲率的腰椎有限元模型,以分析腰椎曲率对于腰椎损伤的影响。
1 模型建立
1.1 人体腰椎生物力学模型的建立与验证
GHBMC模型具有比较真实的腰椎几何外形,因此本研究在GHBMC的基础上进行腰椎段有限元模型的建立与改进。GHBMC的腰椎模型如图1(a)所示,其椎体材料为不变形的刚体材料,椎间盘采用一层简单的壳单元表征。为了提高有限元腰椎模型的生物力学特性,在GHBMC几何模型的基础上改进后的腰椎模型如图1(b)所示。
(a) 压缩(试验)(b) 压缩(仿真)(c) 前向剪切(试验)(d) 前向剪切(仿真)(e) 后向剪切(试验)(f) 后向剪切(仿真)(g) 侧向剪切(试验)(h) 侧向剪切(仿真)(i) 前向弯曲(试验)(j) 前向弯曲(仿真)(k) 侧向弯曲(试验)(l) 侧向弯曲(仿真)图3 试验和仿真模型工况对比Fig.3 Comparison between tests and simulations condition
图1 GHBMC腰椎有限元模型和改进后的腰椎模型Fig.1 GHBMC lumbar spine model and modified lumbar spine finite element model
改进后的腰椎模型中椎间盘被分为基质、髓核和纤维环3个部分,在松质骨的外表面生成一层厚度为0.5 mm的壳单元代表皮质骨。在皮质骨之间建立了细致化的韧带模型,韧带包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、小面关节囊韧带、棘间韧带、棘上韧带和横突间韧带。
腰椎生物力学有限元模型有64 388个单元和12 295个节点。基质、髓核和椎体为体单元,皮质骨为壳单元,纤维环和韧带为梁单元。松质骨和皮质骨采用LS-DYNA材料库中的98号材料进行描述,其有效失效应变分别定义为1.3%和0.94%[29]。皮质骨的弹性模量为11 740 MPa,松质骨的弹性模量为259 MPa。椎间盘端板采用弹性材料表征,弹性模量为200 MPa,椎体端端板采用98号材料进行描述,弹性模量为9 450 MPa。基质和髓核由27号材料进行描述,其中A和B是定义该材料的剪切模量的两个无量纲常数。在动态压缩速率为100 mm/s 的情况下,定义髓核和基质的A值分别为0.64和0.24,定义髓核和基质的B值分别为-0.16和-0.06。纤维环的力与位移曲线和SHIRAZI-ADL[30]的试验获得的曲线一致。椎间盘和相邻椎体之间通过CONTACT_TIEBREAK的方式进行连接。
在第1.1节中,韧带材料是采用弹性材料表征的,即只考虑韧带应力应变曲线中的线性段。文献[15]中对腰椎各部分韧带进行了力学拉伸实验,获得了各个韧带的刚度值(见表1)。本研究中韧带采用1D单元表达,新建腰椎模型中各个韧带的刚度值等于实验中各个韧带的刚度值除以该部分所建立的1D韧带单元个数。
表1 人体腰椎韧带刚度值1)Table 1 Ligaments stiffness of human lumbar spine腰椎韧带的位置ALLPLLLFISLSSLCLITLT12-L1331L1-LL2-LL3-L445L4-L)ALL表示前纵韧带,PLL表示后纵韧带,LF表示黄韧带,CL表示小面关节囊韧带,ISL表示棘间韧带,SSL表示棘上韧带,ITL表示横突间韧带。
通过与Demetropoulos等[31]的腰椎尸体实验数据进行对比来验证所建立腰椎模型静态加载的生物力学特性。仿真中腰椎姿态初始位置与实验中的保持一致(见图2)。对比6种工况下(压缩、前向剪切、后向剪切、侧向剪切、前向弯曲和侧向弯曲)的试验和仿真的结果。仿真工况与实验工况如图3所示,实验图中样本为混III假人的腰椎,仅作为工况示意图。
实验中人体脊柱T12上半部分、L5下半部分采取密封胶与上下平板进行固定连接。使用紧固螺钉将实验样本一端固定在实验平台上,在另一端施加载荷。压缩工况中,固定样本上端,在另一端加载;前向、后向和侧向剪切工况中,固定实验样本上端,对实验样本下端进行加载;前向、侧向弯曲工况中,固定模型下端,采用800 mm缆绳牵拉上端进行加载。各个工况的加载速率均为100 mm/s。所有实验样本均没有出现明显骨折现象。
文章来源:《医用生物力学》 网址: http://www.yyswlx.cn/qikandaodu/2021/0417/390.html