人体腰椎生物力学模型及损伤参数敏感性分析(3)
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【关键词】
【摘要】在仿真模型中,腰椎段中T12上半部分和上平板固定连接,L5下半部分和下平板固定连接。仿真中各个工况的加载速率均为100 mm/s,与试验保持一致。6个工况
在仿真模型中,腰椎段中T12上半部分和上平板固定连接,L5下半部分和下平板固定连接。仿真中各个工况的加载速率均为100 mm/s,与试验保持一致。6个工况下的仿真和试验一致,均未出现骨折现象。
(a)实验中(b)仿真中图2 实验中和仿真中的腰椎初始姿态Fig.2 Initial posture of lumbar spine in experiment and simulation
在仿真中提取压缩和剪切工况下的力与位移曲线,提取弯曲工况下的弯矩与转角曲线,与试验数据进行对比(见图4)。Demetropoulos等[31]对10个真实人体腰椎段样本在各个加载工况下进行了实验,每个工况中的10条实验结果曲线的上边界与下边界围成的区域即为图4中该工况的阴影部分。若仿真结果曲线落在了各个工况的阴影区域,则证明仿真结果和实验结果是匹配的。图4结果表明,改进后腰椎模型的生物力学响应和尸体实验数据对比结果很好。
图4 不同工况中实验和仿真的腰椎载荷曲线对比[31]Fig.4 Comparison of load curves between experiments and simu-lations under various conditions[31]
除对静态载荷下腰椎的响应进行验证外,还对腰椎有限元模型的动态载荷下的响应进行了验证。本研究根据前期实验分别对人体腰椎段脊柱功能单元和整体腰椎段进行失效验证。
Duma等[32]在脊柱功能单元压缩破坏实验中将腰椎实验样本置于自然对齐的姿态,采用密封胶分别固定上下椎体的上半部和下半部,然后固定实验样本下端进行压缩实验,压缩速度为1 000 mm/s。在仿真中采用刚体-柔体的连接方式对上下椎体的上半部和下半部进行固定。约束下固定板的6个自由度,通过Boundary关键字给上固定块施加了恒定向下的1 000 mm/s的速度曲线。实验与仿真的对比如图5所示。
(a)脊柱功能单元压缩实验(b)仿真模型图5 脊柱功能单元压缩实验示意图和仿真模型Fig.5 Schematic diagram of FSU compression test and finite element model
仿真中和实验中的力与位移曲线如图6(a)所示,仿真模型计算结果与尸体实验结果非常吻合。图6(b)中显示的失效位置和失效特征与实验中结果一致,即骨折发生在上部椎体的下端板处。仿真结果表明,建立模型中腰椎脊柱功能单元具有和尸体实验一致的动态响应。
(a) 压缩工况载荷曲线(b) 椎体骨折位置图6 实验中和仿真中脊柱功能段压缩载荷曲线对比和椎体骨折位置Fig.6 Load-displacement curves and vertebral fracture position for FSU compression test and simulation
在人体脊柱腰椎段整体破坏性实验中[32],采取密封胶固定的方式对T12椎体上半部和L5椎体下半部进行固定。压缩实验过程中固定实验样本的下端,在腰椎上端施加向下的压缩载荷,压缩速度为1 000 mm/s。在仿真中采用刚体-柔体的连接方式对T12椎体的上半部和L5椎体的下半部进行固定。约束下固定块的6个自由度,通过Boundary关键字给上固定块施加了恒定向下的1 000 mm/s的速度曲线。图7为仿真模型与尸体实验对比图。
图7 人体腰椎段尸体实验与仿真模型对比Fig.7 Comparison between cadaver experiment and finite element model of human lumbar spine
仿真模型与尸体实验结果对比如图8所示。实验中分别对一名男性样本和一名女性样本的腰椎进行了动态加载。图8中实验1为女性样本实验,实验2为男性样本实验。仿真模型为对新建的生物力学腰椎模型进行动态压缩得到的结果曲线。
(a)力与位移曲线对比(b)弯矩与位移曲线对比(c)骨折,T12椎体下部(d)骨折,L3椎体下部图8 整体腰椎动态载荷曲线和椎体骨折位置Fig.8 Load-displacement curves under dynamic impact and vertebral body fractures position
仿真结果中力与位移曲线和弯矩与位移曲线与实验结果吻合良好(如图8(a)和图8(b)),失效特征与实验研究基本一致(图8(c)和图8(d))。实验中和仿真中腰椎载荷和弯矩曲线与动态加载下腰椎失效位置的吻合验证了整体腰椎段有限元模型动态载荷下的动态响应。实验中T12椎体前部发生了骨折,在仿真模型计算过程中,除T12椎体前部外,L3椎体下部也发生了端板处失效断裂。由于实验中样本数量很少(男性和女性各一个),因此判断骨折位置并不完全相同,但是实验和仿真中T12椎体前部都发生了骨折。
1.2 仿真平台建立
根据Stemper等[33]搭建的腰椎承受轴向冲击的试验平台,本研究搭建了腰椎承受垂直冲击载荷的仿真平台。实验中腰椎肌肉以及周围组织被清除,仅剩下椎体、韧带以及完整椎间盘。腰椎上端面与下端面由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料固定以便于安装至加载装置。在安装过程中腰椎L2-L3椎间盘部位保持水平以控制腰椎整体的初始姿态。加载装置由两个水平平板组成,腰椎椎体在承受冲击作用前由底部平面支撑,在承受冲击载荷时加载装置依靠重力自由下落直到腰椎接触到整个装置下方的产生脉冲波形的泡沫材料。
文章来源:《医用生物力学》 网址: http://www.yyswlx.cn/qikandaodu/2021/0417/390.html