Аннотация
ЦЕЛЬ: Построить трехмерную конечно-элементную модель шейного отдела позвоночника с детальной анатомией и проверить ее достоверность.
Методы: Здоровому взрослому мужчине была проведена тонкослойная компьютерная томография шейного отдела позвоночника, данные КТ были импортированы в Mimics 10.0 для получения данных трехмерного изображения шейного отдела позвоночника, затем импортированы в Geomagic, studio 9.0 для получения геометрической модели шейного отдела позвоночника, и, наконец, конечно-элементная модель шейного отдела позвоночника была построена в ANSYS 11.0. Используя те же условия, что и в литературе, был рассчитан диапазон движения каждого сегмента модели и сравнен с данными из литературы для проверки достоверности.
Результаты: была разработана и проверена на достоверность конечно-элементная модель шейного отдела позвоночника с детальной анатомической структурой.
Заключение: Модель обладает хорошей биодостоверностью и может быть использована для дальнейших исследований.
Ключевые слова: шейный отдел позвоночника; конечно-элементная модель; Mimics; Geomagic, studio; ANSYS
Благодаря широкому использованию МРТ, достижениям в хирургическом оборудовании и минимально инвазивным хирургическим методам, внутрипозвоночные поражения часто можно диагностировать и лечить на ранней стадии, а показатели долгосрочной выживаемости и функционального улучшения после операции значительно возросли, поэтому функция позвоночника вызывает все большее беспокойство как у врачей, так и у пациентов. Нарушение задних структур, вызванное ламинэктомией, может привести к послеоперационной нестабильности или деформации позвоночника, особенно в шейном отделе, где подвижность наиболее высока. Поэтому изучение механизмов, лежащих в основе развития шейной нестабильности или деформации после ламинэктомии, имеет очевидное социальное и экономическое значение для улучшения хирургических стратегий и предотвращения развития послеоперационной шейной нестабильности или деформации.
Современные биомеханические модели позвоночника включают физические модели, модели in vivo, модели ex vivo и компьютерные модели. Модель конечных элементов — это один из видов компьютерной модели, которая не только позволяет измерять подвижность модели в трех плоскостях, но и дает доступ к внутренним экспериментальным данным, которые трудно получить с помощью других моделей. Одна и та же конечно-элементная модель может использоваться для нескольких испытаний, применяться многократно, что значительно снижает затраты на эксперименты. Среди существующих методов конечно-элементного моделирования, моделирование изображений извлекает данные о контурах границ из геометрических томографических изображений, полученных с помощью КТ и МРТ, а затем завершает геометрическое моделирование, которое имеет большой объем данных, высокую точность моделирования и относительно низкую стоимость, и является широко используемым методом моделирования в настоящее время. Для более широкого использования конечно-элементной модели шейного отдела позвоночника при изучении различных ламинэктомий в данной работе ставится цель создать конечно-элементную модель шейного отдела позвоночника с точной геометрией, полным анатомическим описанием и высокой биодостоверностью с помощью КТ-изображений, чтобы обеспечить инструмент для интерпретации биомеханических изменений после шейной ламинэктомии.
1. материалы и методы
1.1, Среда моделирования
Процессор: AMD, Athlon, 7750, двухъядерный, 2,70 Гб центральный процессор; память: 4 Гб; видеокарта: ATI, Radeom, HD, 4670, 512 м видеопамяти; операционная система: Windows, XP/Professional; монитор: 22 домашняя траншея позволяет подошве вина качаться только на 500 Гб.
1.2 Сбор выборочных данных
Для того чтобы сделать разработанную модель обобщаемой, данные, отобранные для данной работы, были получены от здоровых взрослых мужчин-добровольцев (возраст 22 года, рост 1,75 м, вес 65 кг), близких к 50-му процентилю размеров тела национальной популяции. Компьютерная томография GE, LightSpeed, VCT использовалась для сканирования шейного отдела позвоночника добровольцев с целью получения координат шейных позвонков. Шейные позвонки сканировались от затылочной кости до грудного отдела позвоночника при 120 Кв, 280 мА, толщине слоя 1 мм и расстоянии между слоями 1 мм. Томографические изображения были сохранены в формате DICOM на CD-ROM.
1.3. Процесс моделирования
КТ-изображения в формате DICOM импортировались непосредственно в программное обеспечение Mimics (номер версии: 10.0, Materialise, Бельгия), и данные были предварительно обработаны. После уточнения ориентации изображений в трехмерном пространстве программное обеспечение автоматически формирует контурные кривые костной ткани на каждом уровне. Данные контурных линий костей шейного отдела позвоночника были извлечены в программе Mimics с помощью значений серой шкалы. Используя установленный по умолчанию в программном обеспечении диапазон пороговых значений для костей КТ 226-3071, после выбора кости в области, необходимой для моделирования, программное обеспечение Mimics автоматически расширяет области, соединенные в диапазоне значений серого цвета, в соответствии со значением серого цвета выбранной области, одновременно автоматически удаляя области, не соединенные в этом диапазоне значений серого цвета. Затем ненужные изображения удаляются, а оставшиеся редактируются и корректируются определенным образом и сохраняются в виде stl-файла. Этот stl файл был импортирован в Geomagic, studio software (, версия 9.0, Geomagic, США) и, учитывая сложность структуры шейного отдела позвоночника и требования к геометрической точности шейного отдела позвоночника в исследовании, для обратного моделирования был использован метод точечной стороны, разделенный на множество регионов в соответствии с изменением кривизны каждой части тела позвонка, и данные облака точек из каждого региона были подогнаны для получения Создается геометрическая модель шейного отдела позвоночника. Сгенерированная твердотельная модель затем была преобразована в трехмерную твердотельную модель с помощью алгоритма сглаживания и функции преобразования формата. Сгенерированная твердотельная модель была сохранена как файл формата iges, который был прочитан программным обеспечением ANSYS (версия 11.0, ANSYS Inc., США) для получения твердотельной модели шейного позвонка. Используя разделенные линии на твердой поверхности для формирования поверхности сегментации, шейные позвонки были разделены на тела позвонков, мелкие суставы, пластинки, остистые отростки, ножки и поперечные отростки. С помощью функции extrude создаются твердые части торцевых пластин, используя верхнюю и нижнюю поверхности двух соседних шейных позвонков, которые были разделены. Генерация поверхности затем осуществляется с использованием обеих концевых пластин одного и того же позвоночного пространства, и между двумя поверхностями проводится линия перед генерацией грани, в результате чего получается замкнутая поверхность, которая используется для генерации пульпозного ядра и фиброзного кольца в масштабе. Тот же метод используется для создания передней и задней продольных связок на передней и задней поверхностях тела позвонка. В результате получается твердая модель шейного отдела позвоночника.
Различные структуры должны быть смоделированы с использованием различных типов блоков с параметрами материала, в основном, ссылаясь на опубликованные ссылки [1-4]. Средняя толщина кортикальной оболочки кости была установлена на уровне 0,3 мм, толщина передней продольной связки — 1,5 мм, толщина задней продольной связки — 2,3 мм, а мелкие суставы были определены как контакт без трения лицом к лицу. Для экономии времени вычислительного анализа для аппроксимации шейных костей использовались изотропные материалы. Затем модель была подвергнута сетке с использованием тетраэдрального зацепления для создания полной конечно-элементной модели шейного отдела позвоночника.
Валидация модели является ключевой частью непрерывного совершенствования конечно-элементной модели до того момента, когда она в конечном итоге может быть применена [5]. Используя тот же метод нагружения и граничные условия, что и в работе Ng [3], на верхнюю поверхность позвонка C2 в соответствии с правилом правой спирали по направлениям координат 1,2,3 был приложен чистый крутящий момент 1. и 5 Нм для создания соответствующего крутящего момента в сагиттальной, корональной и аксиальной плоскостях, как показано на рис. 4, для моделирования нагрузки при передне-заднем сгибании и разгибании, левом и правом боковом изгибе, левом и правом осевом вращении. Отклики модели сравнивались с экспериментальными результатами из литературы [3,,6-11] для проверки достоверности модели при одинаковых граничных условиях нагружения.
2. Результаты
Модель шейного отдела позвоночника состояла из шести шейных позвонков, пяти межпозвоночных дисков и соответствующих связок и суставных капсул. Тело позвонка, поперечный отросток, ножка, бугорок, ножка и остистый отросток шейного отдела позвоночника, а также концевая пластинка, пульпозное ядро и фиброзное кольцо межпозвоночного диска моделировались отдельно. Модель является геометрически точной, с полным анатомическим описанием и высокой степенью биологической достоверности. Вся модель шейного отдела позвоночника состоит из 344932 твердых узлов, 9190 узлов оболочки/проволоки и в общей сложности 434590 узлов.
При валидации модели в качестве показателя использовалась межсегментарная подвижность шейного отдела позвоночника (угол сегментарной ротации, °), а достоверность этой модели при сгибании-разгибании, боковом изгибе и вращательной нагрузке была проверена с помощью результатов исследований in vivo, ex vivo и конечно-элементных исследований других ученых (см. таблицы 2 — 4). Из результатов сравнения видно, что межсегментный диапазон движения настоящей модели при каждом режиме нагрузки находится в общем согласии с тенденцией опубликованных литературных данных.
3. Обсуждение
Шейный отдел позвоночника человека представляет собой сложную структуру с тремя основными биомеханическими функциями: двигательной, несущей и защитной. Система стабилизации шейного отдела позвоночника состоит из трех компонентов: пассивной системы (позвонки, межпозвоночные диски и связки), активной системы (мышцы и сухожилия, окружающие шейный отдел позвоночника) и нервной системы [12]. Шейный отдел позвоночника представляет собой интегрированную силовую систему, состоящую из позвонков, межпозвоночных дисков и окружающих их мышц и связок, которую очень трудно проанализировать механически.
Для того чтобы понять изменения в подвижности, внутренних напряжениях и т.д. шейного отдела позвоночника, в данном исследовании было решено использовать метод конечных элементов для построения биомеханической модели шейного отдела позвоночника. В данном исследовании использовались элементы конечно-элементного моделирования шейного отдела позвоночника, предложенные Йогананданом [13]: анатомический профиль (геометрические особенности), свойства материала, граничные условия и нагрузки, а также валидация модели, чтобы построенная модель точно представляла моделируемый объект. Результаты моделирования показывают, что модель имеет точную геометрию, полное анатомическое описание и высокую биодостоверность, и может быть использована для изучения кривизны и подвижности шейного отдела позвоночника при различных условиях ламинэктомии, предоставляя инструмент для интерпретации биомеханических изменений после шейной ламинэктомии.
3.1. Геометрические характеристики конечно-элементной модели шейного отдела позвоночника
Двухмерная модель шейного отдела позвоночника, разработанная Saito et al. в 1991 году, была слишком упрощенной с точки зрения геометрии позвонков и внутренних суставов, что привело к нереалистичным результатам в плане распределения нагрузки и давления [14]. Трехмерная конечно-элементная модель C0-T1 (включая тело позвонка, диск, задние структуры и связки), разработанная Kleinberger et al. из-за отсутствия важных анатомических структур, таких как суставные отростки, что приводит к определенным ограничениям и неудовлетворительным результатам применения [15]. В отличие от них, Воо и др. позже использовали данные КТ и программное обеспечение FE-модели I-DEAS для реконструкции трехмерной модели шейного отдела позвоночника [16]. Эта модель обеспечила точную геометрию поверхности шейного отдела позвоночника, включая суставные поверхности и их взаимное расположение между шейными позвонками, что значительно превосходило модель Kleinberger и Saito et al.
Для того чтобы геометрические характеристики построенной модели были точными и достоверными, в данном исследовании были проведены тонкослойные компьютерные томограммы шейных позвонков добровольцев, затем скелетные геометрические характеристики этой модели были считаны непосредственно с данных тонкослойной (толщина слоя 1 мм) компьютерной томографии (формат DICOM) с помощью специализированного программного обеспечения MIMICS, извлечена внешняя поверхность позвонков после обработки изображений в MIMICS и преобразованы данные в программное обеспечение для реверсивного проектирования. Geomagic может читать данные в формате stl. Файл stl был обработан с помощью Geomagic, и треугольная сетка была разделена на поверхности, при этом необходимо было сохранить поверхности в формате iges, читаемом программой FEA. Прямое геометрическое моделирование на основе тонких данных КТ и формата DICOM может точно отразить анатомические контуры скелета. Кроме того, геометрическая модель, созданная MIMICS, также содержит информацию о плотности внутри кости, что облегчает определение различных свойств материала в зависимости от плотности.
Геометрическая информация о мягких тканях, таких как связки, концевые пластинки, пульпозное ядро и фиброзные кольца, не может быть точно получена на исходных изображениях КТ и обычно требует сочетания анатомических исследований и замороженных тонких серийных срезов трупа для определения начальной и конечной точек связок, длины, широкой полосы и площади поперечного сечения, а также площади и толщины концевых пластинок, пульпозного ядра и фиброзных колец [13,,17,,18]. Информация о кадаверных замороженных срезах не была доступна для данного исследования, и информация о геометрии мягких тканей была получена из анатомических исследований.
3.3, Свойства материала конечно-элементной модели шейного отдела позвоночника
Модели, разработанные в рамках конечно-элементного моделирования, в конечном итоге используются в исследованиях для имитации биомеханической реакции организмов, поэтому биологическая точность модели также важна. Это в основном связано с материалом модели, поэтому определение материала также является ключевой частью построения конечно-элементной модели. Из-за позднего начала исследований шейного отдела позвоночника и нехватки данных о материалах, связанных с шейным отделом позвоночника, определение материалов в ранних моделях было относительно простым, например, позвонки определялись как жесткие материалы, межпозвоночные диски определялись как эластичные материалы, связки изготавливались из линейных эластичных материалов и т.д. Материалы, используемые во всей модели, были относительно однородными, что было далеко от сложных и разнообразных материалов реального шейного отдела позвоночника [15]. ]. В то же время, из-за сходства состава и структуры поясничного и шейного отделов позвоночника и обилия литературы, некоторые исследователи начали использовать материальные параметры поясничного отдела позвоночника вместо параметров шейного отдела позвоночника. Однако, поскольку биомеханические роли шейного и поясничного отделов позвоночника в структуре тела различны, их свойства материалов, естественно, отличаются, и простая замена материалов может привести к неточным или даже искаженным результатам моделирования. kumaresan и др. предположили, что свойства материалов мягких тканей оказывают большее влияние на внутренние и внешние реакции шейного отдела позвоночника, чем свойства твердых тканей [19]. ng и др. обнаружили, что Ng et al. обнаружили, что свойства материала межпозвоночного фиброзного кольца, отмененной кости и кортикальной кости оказывают значительное влияние на биомеханику шейного отдела позвоночника [20].
Картер и др. пришли к выводу, что эмпирическая функциональная зависимость между прочностью на сжатие и плотностью кости применима как к отмененной, так и к кортикальной кости [21]. Они пришли к выводу, что кортикальная и антрозная кости схожи по составу, микроскопическим свойствам материала и являются как твердыми, так и жидкими двухфазными пористыми материальными структурами (two-phase, porous, material); различие между антрозной и кортикальной костью основано на пористости кости (bone, porosity), и это различие несколько условно; материальные свойства костной анизотропии свойства частично объясняются геометрией и ориентацией пор в кости. При современном моделировании кортикальной кости обычно используются оболочечные или твердые блоки с модулем Юнга, установленным на уровне 12 000 МПа [14, 22]. Раковая кость моделируется с помощью твердых ячеек с модулем Юнга 100-450 Мпа [14,,, 23]. В данном исследовании для кортикальной и антрозной костей использовались оболочечные и цельные блоки с модулем Юнга 12 000 Мпа и 450 Мпа, соответственно, а для задних структур использовались цельные блоки с модулем Юнга 3500 Мпа, как сообщается в литературе [22]. Все диапазоны нагрузки в данном исследовании находились в пределах физиологического диапазона, поэтому использованные методы были в значительной степени выполнимы.
Для сустава суставной выемки в некоторых литературных источниках используется раздельное моделирование суставного хряща и синовиальной жидкости [22]; есть также моделирование с использованием элементов контакта «лицом к лицу». Поскольку сустав закрыт суставной капсулой, наличие синовиальной мембраны и синовиальной жидкости обеспечивает очень малое трение между поверхностями сустава, суставная выемка моделируется как модель контакта «лицом к лицу» в модели данного исследования, при этом оба контакта «лицом к лицу» сустава определяются как свойства без трения.
Поскольку биокинетические характеристики модели шейного отдела позвоночника более подвержены изменениям свойств материалов мягких тканей, чем свойств более твердых структурных костей, важно определить свойства материалов различных мягких тканей. Связки состоят из эластичных и коллагеновых волокон и крепятся между соседними позвонками. Поскольку связки являются волокнистыми тканями, они могут подвергаться нагрузкам на растяжение только в условиях нагрузки. Поэтому связки шейного отдела позвоночника, такие как ligamentum flavum, межпозвоночная связка и надпозвоночная связка, моделируются с помощью линейных материалов, обладающих только свойствами растяжения [19]. В данном исследовании связки моделировались только в линейных единицах с модулем Юнга 10 МПа для ligamentum flavum, 5 МПа для межлопаточной и надлопаточной связок и 20 МПа для капсулы сустава, а передняя и задняя продольные связки моделировались в твердых единицах с модулем Юнга 15 МПа для передней и задней продольных связок из-за их тесного прикрепления к передней и задней поверхностям тела позвонка. Модуль Юнга составлял 500-600 Мпа [14, 19]. В данном исследовании модуль Юнга твердой части концевой пластинки был установлен на уровне 500 МПа, а твердая часть пульпозного ядра и фиброзное кольцо были смоделированы с модулем Юнга 3,4 МПа [19].
В данной работе существующие параметры материалов шейного отдела позвоночника были соответствующим образом масштабированы по шкале и функции для обеспечения соответствия свойств материалов их биомеханическому отклику в условиях нагрузки с учетом имеющихся экспериментальных данных по материалам шейного отдела позвоночника, а также для компенсации отсутствия налета в параметрах материалов шейного отдела позвоночника и обеспечения некоторого единообразия между параметрами материалов. Тем не менее, поскольку экспериментальные данные, используемые для определения свойств материала модели, не измеряются из твердого тела, которое соответствует один к одному с его морфологическими свойствами, это может привести к несоответствию между геометрической формой и свойствами материала. Поэтому материальные параметры модели, разработанной в данной работе, все еще нуждаются в уточнении в будущих исследованиях.
3.4. Валидация конечно-элементной модели шейного отдела позвоночника
Может ли модель отражать биомеханическую реакцию моделируемого объекта или нет, необходимо проверить — процесс, аналогичный проверке уравнений в математике. Модель может быть использована для дальнейших исследований только в том случае, если она подтверждена и обоснована; если она не подтверждена, то весь экспериментальный анализ, полученный на основе модели, будет неточным или даже ошибочным [13,, 24]. Валидация модели обычно проводится путем приложения к модели определенной нагрузки, регистрации реакции модели на приложенную нагрузку и сравнения данных реакции с данными эксперимента при тех же или аналогичных условиях, чтобы увидеть, совпадают ли они, и таким образом определить, является ли модель представителем реальной моделируемой ситуации. Строго говоря, конечно-элементная модель должна быть рассчитана с использованием точно таких же граничных условий и нагрузок, как и при исследовании на трупе, а затем результаты должны быть сравнены для проверки обоснованности модели, и должны быть проверены с использованием как можно большего количества различных методов нагружения для обеспечения достоверности.
Учитывая ограничения исследования и имеющееся время, данное исследование не проводилось совместно с кадаверными экспериментами, а основывалось исключительно на данных литературы. В данной работе модель была нагружена в сагиттальной, корональной и горизонтальной плоскостях нагрузкой 1,5 Нм для создания моментов в соответствующих сагиттальной, корональной и аксиальной плоскостях для моделирования передне-заднего сгибания и разгибания, бокового изгиба и вращения в обоих направлениях в соответствии с правилом правой спирали. Ответ модели сравнивался с данными экспериментальных результатов (данные из литературы для конечно-элементной модели и модели ex vivo в ответ на приложенные нагрузки), данные ответа этой модели совпали с данными в литературе, и модель была признана валидной. Это говорит о том, что дальнейшие исследования шейного отдела позвоночника могут быть проведены с использованием этих моделей.
Однако результаты проверки модели показывают, что существует некоторое отклонение между данными, полученными с помощью модели, разработанной в данной работе, и данными, полученными другими исследователями. Возможные причины отклонений: (1) различная экспериментальная аппаратура и методы; (2) различные источники данных, использованные в экспериментах, такие как возраст, пол, этническая принадлежность, морфология и т.д., могут влиять на результаты; (3) поскольку структура и свойства материала шейного отдела позвоночника очень сложны, некоторое упрощение конечно-элементной модели неизбежно; (4) исследователи конечно-элементных моделей внесли некоторые изменения в методы упрощения, выбор свойств материала, качество зацепления и качество решения. (4) Различия в методе упрощения модели, выборе свойств материала, качестве зацепления, выборе метода решения и так далее также могут привести к различиям в результатах.
3.5. Контроль других параметров при создании конечно-элементной модели шейного отдела позвоночника
До сих пор, за исключением небольшого количества полноразмерных конечно-элементных моделей шейного отдела позвоночника, созданных в Китае для китайского типа тела, большинство данных моделей собраны в соответствии с 50-м процентильным типом тела человека в Европе и США, в то время как разница между китайским и европейским и американским типами тела относительно велика, в данной работе данные сканируются и собираются в соответствии с требованиями китайского 50-го процентильного типа тела. Согласно GB, 10000-88, 50-й процентиль размеров тела китайцев составляет 168 см в высоту и 59 кг в весе, что было установлено в 1988 году, до завершения второго крупномасштабного национального измерения размеров тела взрослых. За последние два десятилетия физические качества китайцев значительно улучшились, и для того, чтобы отобранные данные были как можно ближе к 50-му процентилю размеров тела китайцев в настоящее время, в качестве основы для отбора данных используется среднее значение 50-го процентиля китайцев и 50-го процентиля иностранцев. Это позволяет полной модели шейного отдела позвоночника, разработанной в данной работе, более точно отражать форму тела китайцев.
Андерсон и др. предположили, что точность конечно-элементных исследований зависит от трех ключевых факторов: подтверждения, проверки чувствительности и валидации [25]. Подтверждение включает в себя оценку точности значений, и при современном использовании большого количества программного обеспечения подтверждение в основном заключается в эффекте зацепления. Чувствительность модели является ключевым шагом в построении достоверной модели и в основном связана с определением входных параметров, таких как материал модели. Валидация модели включает в себя сравнение экспериментальных данных при тех же или аналогичных условиях с данными модели для подтверждения того, что результаты модели соответствуют реальной моделируемой ситуации [22, 26].
В то время как определение свойств материала и валидация модели обсуждались ранее, подтверждающий фактор, т.е. сетка, имеет решающее значение для конечно-элементных исследований. Вандер, Слотен и Вандер, Перре показали, что плохое качество сеток может привести к отклонениям в 7-100% в результатах расчетов напряжений [27]. Поэтому разумный метод зацепления для различных моделей, позволяющий контролировать качество ячеек сетки, является чрезвычайно важной задачей в процессе конечно-элементного моделирования. В настоящее время основными методами зацепления являются автоматическое тетраэдральное зацепление, автоматическое гексаэдральное зацепление на основе растра и зацепление с отображением. Метод тетраэдрального зацепления используется для прокладки точек в выбранной области и последующего соединения их в тетраэдр, который в настоящее время является одним из самых популярных методов зацепления твердых тел. Однако при триангуляции сетки трудно контролировать форму генерируемых ячеек, а точность расчета сетки относительно низкая. Метод автоматического гексаэдрального зацепления на основе сетки начинается с покрытия целевой области набором несовпадающих сеток одинаковых или разных размеров, сохраняя сетки, которые полностью или частично попадают в целевую область, удаляя сетки, которые полностью попадают за пределы целевой области, затем корректируя, обрезая и повторно декомпозируя сетки, пересекающие границы объекта, чтобы сделать их более точными для целевой области, и, наконец, выполняя корректировку внутренних и граничных сеток на уровне сетки. Затем внутренние и граничные растры разрезаются на уровне растров для получения конечно-элементной сетки всей целевой области. Этот метод автоматизирует генерацию сетки и является очень быстрым, но качество граничных ячеек низкое, а получаемые ячейки имеют одинаковый размер, что затрудняет контроль плотности сетки. Метод построения сетки с отображением является одновременно структурированным и неструктурированным методом построения сетки. Он используется для отображения физической области, подлежащей расчленению, в пространство параметров для формирования регулярной области параметров с помощью соответствующей функции отображения, затем регулярная область параметров зацепляется для расчленения, и, наконец, сетка области параметров обратно отображается в физическое пространство для получения конечно-элементной сетки физической области. Этот метод имеет простой алгоритм, быстрое вычисление, хорошее качество ячеек, контролируемую плотность ячеек, и может генерировать как структурированные, так и неструктурированные сетки. Однако, когда поверхность трехмерного твердого тела представляет собой очень сложную поверхность свободной формы, точность аппроксимации метода невысока, ручное разбиение затруднено, а создание сетки занимает много времени. Вычислительная точность растровых гексаэдральных сеток и картографических сеток сравнима, а вычислительная точность тетраэдральных сеток низкая [28]. Поскольку поверхность трехмерного массивного шейного отдела позвоночника представляет собой относительно сложную поверхность свободной формы, и поскольку данное исследование в основном касается изменений в подвижности и распределении напряжений в модели после ламинэктомии, в данной работе используется метод тетраэдрального зацепления.
3.6. Недостатки конечно-элементной модели, построенной в данном исследовании
Хотя метод конечных элементов теоретически применим к любой сложной структуре, в исследовании биомеханики шейного отдела позвоночника остается еще много нерешенных проблем. Хотя модель шейного отдела позвоночника, разработанная в данной работе, была подтверждена сравнением, это не означает, что ее можно использовать для изучения всех проблем, связанных с биомеханикой шейного отдела позвоночника. Модель имеет следующие недостатки: во-первых, костная структура и межпозвоночный диск моделируются с помощью изотропных линейных материалов. В действительности и кость, и межпозвоночные диски являются анизотропными вязкоупругими материалами. Во-вторых, модель включает только костные структуры, межпозвоночные диски и связки, и в ней отсутствует симуляция мышц. Однако мышцы являются важными активными системами в системе стабилизации шейного отдела позвоночника и играют очень важную роль в поддержании стабильности шейного отдела позвоночника. В-третьих, синовиальные суставы в данном исследовании моделировались только контактными элементами, но не суставным хрящом и синовиальной жидкостью соответственно. Модель уменьшает связки до нескольких отдельных проволочных узлов, так что контакт между связками во время движения игнорируется. В-четвертых, проверка модели основана на статических или квазистатических экспериментах, в то время как реакция модели на динамические эксперименты, такие как столкновения головы и движения шейного хлыста, не рассматривается. Поэтому в следующей исследовательской работе необходимо улучшить моделирование синовиальных суставов и связок, увеличить моделирование мышц и использовать больше экспериментальных данных для проверки модели, чтобы повысить надежность модели.
Конечно-элементная модель способна отразить механические свойства организма в конкретный момент и в конкретной точке. Однако сам организм является тканево-активным и имеет процесс роста, созревания и спада; некоторые поврежденные ткани обладают способностью восстанавливаться и формироваться самостоятельно. Модель конечных элементов, разработанная в данном исследовании, все еще бессильна в плане биологической адаптации. Механические свойства тела позвонка, связок, дисков и других тканей чрезвычайно сложны, что затрудняет получение адекватных и надежных измерений, а данные, полученные в экспериментах ex vivo, могут отличаться от физиологической ситуации, поэтому определение свойств материала конечно-элементной модели шейного отдела позвоночника в данном исследовании требует дальнейшего уточнения. Анизотропия, неоднородность и нелинейность материала тканей шейного отдела позвоночника затрудняют определение его собственных структурных связей; хотя разделение клеток, выбор узлов, нагрузки и граничные условия являются в некоторой степени искусственными, построенная в данном исследовании модель еще не полностью отражает реальные биомеханические свойства шейного отдела позвоночника человека. Таким образом, настоящая конечно-элементная модель шейного отдела позвоночника имеет некоторые ограничения и нуждается в дальнейшем совершенствовании и сравнении с экспериментальными результатами для дальнейшей проверки.
4. Заключение
Создание модели шейного отдела позвоночника является необходимым условием для проведения биомеханических исследований шейного отдела позвоночника. В данной работе была разработана конечно-элементная модель шейного отдела позвоночника, содержащая все основные связки шейного отдела позвоночника (шейные 2-7), на основе данных компьютерной томографии 50-го процентиля здоровых взрослых мужчин-добровольцев из Китая. В модели используются 8-узловые оболочечные блоки, 10-узловые тетраэдрические твердые блоки и 2-узловые линейные блоки с натяжением только для кортикальной кости, отменной кости и связок шейного отдела позвоночника соответственно. Достоверность модели шейного отдела позвоночника была проверена с использованием данных предыдущих конечно-элементных моделей и экспериментов ex vivo, и результаты показали, что модель обладает хорошей биодостоверностью и может быть использована для дальнейших исследований. Моделирование мягких тканей, таких как мышцы, моделирование свойств материалов и широкая применимость модели требуют дальнейшего уточнения при изучении конечно-элементного моделирования шейного отдела позвоночника.