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

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。

    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。

    韧带采用非线性弹簧单元模拟，弹簧加载点的选取参考各韧带的生理解剖部位;将椎骨材料视为各向同性弹性材料，分别把骨性结构、软骨以及韧带赋予不同的材料参数，相关材料参数来源于已发表的参考文献。軔带添加:寰枕融合的枕骨(C0)与寰椎(C1)之间的韧带在模型中不添加，其余的黄韧带、齿凸尖韧带、十字纵向韧带、前纵韧带、寰枢关节囊軔带、覆膜、翼状靭带、寰枢副韧带采用一个或者多个非线性弹簧单元(SPRING)模拟，非线性的力-位移曲线则通过采用分段线性处理的方法。韦刃带相关参数见表1。接触定义：接触问题属高度边界非线性问题，本模型重点考虑寰椎关节面以及齿凸表面的受力及相互作用。研究中对接触的模拟，采用库仑摩擦定律，设定接触面间摩擦系数。边界约束：枢椎(C2)下表面采取完全约束。力矩加载点位于枕骨中上部，加载点与枕骨对称面耦合连接(coupling)。