DOI: https://doi.org/10.20535/S0021347020060059
Открытый доступ Открытый доступ  Ограниченный доступ Доступ по подписке
Формирование сетки и граничные условия

Инверсная модель поясничного отдела позвоночника человека, основанная на изображении КТ и анализе методом конечных элементов

П. Гао

Аннотация


Для точного анализа наиболее уязвимых точек перелома нормальных поясничных позвонков человека при вертикальном положении, ходьбе и повороте влево-вправо, компьютерная томография (КТ) использовалась для сканирования участка от верхнего края поясничного позвонка L1 (первый позвонок) до нижнего края поясничного позвонка L5. После считывания изображений КТ с помощью программного обеспечения Mimics, проведен пороговый анализ, сегментация области, и полное заполнение. Сформированная 3D модель была реконструирована с помощью модуля FEA (анализ методом конечных элементов, Finite Element Analysis) программного продукта Mimics, и использовалась трехмерная модель поясничного отдела с межпозвоночным диском, созданная прикладной программой UG. Полученная модель импортировалась в систему ANSYS Workbench для исследования методом конечных элементов. Полученные результаты показали, что, когда тело в вертикальном положении, смещение тела позвонка больше, чем смещение суставного отростка. Смещение переднего края верхней поверхности диска было наибольшим и составило 0,161 мм. Эквивалентное напряжение сосредоточено на суставном отростке и остистом отростке, а напряжение на нижнем суставном отростке L4 является наибольшим (15,073 МПа), указывая на то, что относительная ошибка между результатом анализа методом конечных элементов (КЭА) и результатом теоретического расчета невелика, что свидетельствует о правильности и допустимости этого метода.

Ключевые слова


изображение КТ; компьютерная томография; инверсное моделирование; анализ методом конечных элементов; КЭА

Полный текст:

PDF

Литература


Y. Tao et al., “Biomechanical characteristics of lumbar vertebra fixation based on finite element analysis,” Chinese J. Tissue Eng. Res., vol. 20, no. 13, pp. 1932–1938, 2016, doi: https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-4344.2016.13.015.

V. Argesanu et al., “Highlighting the maxillofacial trauma influence on posture by FEA modeling simulation,” in 2016 IEEE 14th International Symposium on Intelligent Systems and Informatics (SISY), 2016, pp. 129–134, doi: https://doi.org/10.1109/SISY.2016.7601484.

H. Li, F. Li, N. Liu, P. Li, “Risk prediction of femoral head necrosis: A finite element analysis based on fracture mechanics,” Int. J. Comput. Methods, vol. 17, no. 06, p. 1950019, 2020, doi: https://doi.org/10.1142/S0219876219500191.

H. M. Xu, S. L. Pu, Y. G. Jiang, X. Y. Li, P. Dong, “Establishment and preliminary application of a laryngomalacia larynx three-dimension model,” Lin chuang er bi yan hou tou jing wai ke za zhi = J. Clin. Otorhinolaryngol. head, neck Surg., vol. 32, no. 12, pp. 891–894, 2018, doi: https://doi.org/10.13201/j.issn.1001-1781.2018.12.003.

H. Chen, Y. Sun, Q. Zhang, Y. Hu, Y. Sun, “Deformation analysis of lumbar spine based on mechanics of materials and finite element method,” in 2017 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), 2017, vol. 2018-Janua, pp. 1358–1362, doi: https://doi.org/10.1109/ROBIO.2017.8324606.

И. А. Сушко, “Визуализация распределений поверхностных проводимостей томографического сечения методом зон проводимости,” Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, vol. 56, no. 7, pp. 60–68, 2013, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347013070078.

H. Luo, G. Liu, J. Fu, C. Yu, “Vibration Response Analysis of the Lumbar Spine based on High-speed Train Crew,” in 2017 IEEE 7th Annual International Conference on CYBER Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER), 2017, pp. 220–224, doi: https://doi.org/10.1109/CYBER.2017.8446591.

J. P. Gjolaj, S. Elmasry, S. Asfour, F. Travascio, F. J. Eismont, “Implications of decompressive surgical procedures for lumbar spine stenosis on the biomechanics of the adjacent segment: a finite element analysis,” Spine J., vol. 15, no. 10, pp. S96–S97, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.spinee.2015.07.039.

Z. Zhang, Y. Li, Z. Liao, W. Liu, “Research progress and prospect of applications of finite element method in lumbar spine biomechanics,” Sheng wu yi xue gong cheng xue za zhi = J. Biomed. Eng. = Shengwu yixue gongchengxue zazhi, vol. 33, no. 6, pp. 1196–1202, 2016, uri: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29715419/.

Q. H. Zhang, E. C. Teo, “Finite element application in implant research for treatment of lumbar degenerative disc disease,” Med. Eng. Phys., vol. 30, no. 10, pp. 1246–1256, 2008, doi: https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2008.07.012.

C. Yaldiz et al., “Comparison of the rigid rod system with modular plate with the finite element analysis in short-segment posterior stabilization in the lower lumbar region,” Turkish Neurosurg., vol. 27, no. 4, pp. 610–616, 2017, doi: https://doi.org/10.5137/1019-5149.JTN.16203-15.1.

E. Punarselvam, P. Suresh, “Investigation on human lumbar spine MRI image using finite element method and soft computing techniques,” Clust. Comput., vol. 22, no. 6, pp. 13591–13607, 2019, doi: https://doi.org/10.1007/s10586-018-2019-0.

D. S. Shin, K. Lee, D. Kim, “Biomechanical study of lumbar spine with dynamic stabilization device using finite element method,” CAD Comput. Aided Des., vol. 39, no. 7, pp. 559–567, 2007, doi: https://doi.org/10.1016/j.cad.2007.03.005.

М. В. Кононов, О. А. Нагуляк, А. В. Нетреба, А. А. Судаков, “Реконструкция в ЯМР методом псевдоинверсии матрицы сигналов,” Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, vol. 51, no. 10, pp. 21–25, 2008, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347008100038.

Y. Guo, G. Song, “Ergonomic seat design based on high-speed rail random vibration environment effects on human lumbar,” Zhongguo Jixie Gongcheng/China Mech. Eng., vol. 26, no. 3, pp. 389–393, 2015, doi: https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2015.03.018.

A. Tsouknidas, K. Anagnostidis, G. Maliaris, N. Michailidis, “Fracture risk in the femoral hip region: A finite element analysis supported experimental approach,” J. Biomech., vol. 45, no. 11, pp. 1959–1964, 2012, doi: https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2012.05.011.

J. M. Liu et al., “The effect of screw tunnels on the biomechanical stability of vertebral body after pedicle screws removal: a finite element analysis,” Int. Orthop., vol. 41, no. 6, pp. 1183–1187, 2017, doi: https://doi.org/10.1007/s00264-017-3453-y.

K. Li, J. Zhang, J. Jiang, S. Ma, “Lumbar spinal finite element analysis in a gravity environment,” in Eighth International Conference on Digital Image Processing (ICDIP 2016), 2016, vol. 10033, p. 100334H, doi: https://doi.org/10.1117/12.2244610.

М. В. Кононов, О. А. Нагуляк, А. В. Нетреба, “Влияние распределения рентгеновского излучения в приемной системе на качество реконструкции в проекционной томографии,” Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, vol. 51, no. 3, pp. 63–66, 2008, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347008030084.

X. Wang et al., “Prediction of new clinical vertebral fractures in elderly men using finite element analysis of CT scans,” J. Bone Miner. Res., vol. 27, no. 4, pp. 808–816, 2012, doi: https://doi.org/10.1002/jbmr.1539.

D. H. Pahr, P. K. Zysset, “Finite element-based mechanical assessment of bone quality on the basis of in vivo images,” Curr. Osteoporos. Reports, vol. 14, no. 6, pp. 374–385, 2016, doi: https://doi.org/10.1007/s11914-016-0335-y.


Метрики статей

Загрузка метрик ...

Metrics powered by PLOS ALM





© Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника, 2004–2020
При копировании активная ссылка на материал обязательна
ISSN 2307-6011 (Online), ISSN 0021-3470 (Print)
т./ф. +38044 204-82-31, 204-90-41
Условия использования сайта