基于CT图像的腰椎三维有限元模型构建与分析

"这篇论文探讨了如何基于CT图像构建人体脊柱腰椎节段的三维有限元模型，用于模拟和分析腰椎的力学行为。研究人员使用Mimics软件处理CT扫描图像，创建精确的几何模型，并在ANSYS中建立有限元模型，赋予不同部位骨组织的非均匀材质。该模型具有高度模拟真实腰椎结构和材料特性的优点，适用于多种领域的研究，如CAD、快速成型和有限元分析。" 本文是一篇首发论文，主要研究了通过逆向工程方法构建人体脊柱腰椎节段（L1-L3）的三维有限元模型。研究过程首先选取健康的男性志愿者进行螺旋CT扫描，获取高分辨率的横断面图像。CT扫描设备是Philips Brilliance16，具备优秀的图像质量和处理功能。随后，使用Mimics 10.0软件对图像进行处理，重建三维几何模型。此步骤非常耗时，但在CAE分析中至关重要。 重建的几何模型经过ANSYS 10.0转换，建立理想的三维有限元模型。在Mimics中，研究者解决了非均匀材质赋值的问题，为不同密度的骨组织赋予相应的材料属性。这样得到的腰椎节段模型具有以下特点：结构完整、空间精度高、单元划分精细，并且可以针对各种实验条件调整模型参数，施加不同的载荷和边界条件。 论文指出，腰椎因其在人体中的特殊位置和功能，承受着复杂的力学载荷，如压缩、拉伸、剪切、扭转和弯曲，这些因素可能导致腰椎损伤和退变。因此，理解腰椎的生物力学特性对脊柱疾病的防治至关重要。尽管过去已有学者构建过腰椎的二维或三维有限元模型，但现有的模型仍有局限性。本文提出的模型克服了这些限制，提供了更接近真实解剖结构的分析工具。 该模型不仅可用于研究腰椎在不同力学环境下的响应，还能以多种格式输出，供计算机辅助设计（CAD）、快速成型技术以及有限元分析等领域使用，为脊柱研究和临床实践提供有力支持。未来的研究可以在此基础上进一步探索腰椎的复杂力学行为，以及与腰痛等相关疾病的关联。