腰背肌功能锻炼计算机模拟研究

腰背肌功能锻炼计算机模拟研究 河南中医学?硕士学位论文腰背肌功能锻炼计算机模拟研究 姓名:范克杰 申请学位级别:硕士 专业:中医骨伤科学 指导教师:郭艳幸 20080430 硕士学位论文原创性声明 本人所呈交的硕士学位论文，是在导师郭艳幸主任医师和曹向阳主任医师的指导下，独立进行科学研究工作所取得的成果。除文中已特别加以注明引用的内容外，论文中不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并致谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 特此声明。 论文作者(签名):范充丕、 ,, 弘铲坼月, , 硕士学位论文使用授权声明 本人已完全了解河南中医学院有关保留、使用硕士学位论文的相关规定，同意学校保留或向国家有关部门、机构送交本学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权河南中医学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本论文(注:保密论文在解密后适用本授权声明)。 特此声明。论支作者(签名)(落充峦。 导师(签名):白籼事 ,吁年配月夕口日 加谚年,月孑, ,？ 中文摘要 中文摘要研究目的: 本研究拟通过在建立的腰椎运动节段三维可视化生物力学模型上，借助脊柱横截面积肌力计算法，求出正常解剖状态下腰椎受力数值，模拟腰背肌锻炼时腰,、,节段前屈,,。、后伸,。、左右侧屈各,。的运动状态，对四种工况条件下腰,、,椎体及腰椎间盘髓核的应力、椎体及椎间盘髓核位移的变化数据进行搜集、整理，比较腰椎运动节段在不同应力下的相关参数变化，为粳背肌锻炼作用机理提供理论依据，并最终指导腰部疾患的康复及治疗。对象与方法:,(原始数据采集 收集若干正常人脊柱腰段腰,、,活动节段相关,,断层连续扫描数据，并以,,;,,格式存储在软盘上备用。,(建模 利用收集的,,数据，借助相关计算机三维建模软件,,,,,,及，,,,,，初步建立腰,、,节段的几何模型，再利用横截面积肌力计算法求出正常人体腰大肌、腰方肌、竖脊肌，腹直肌、腹内外斜肌及腹横肌群、前后纵韧带的横截面积的平均值及中心距，并将得出的力矩结果等价换算为作用于模型上加载节点的力。对建立的几何模型各部分赋予力学参数，最终建立腰,、,节段的生物力学有限元模型。,(力学 在建立的模型上模拟腰背肌锻炼时腰,、,节段前屈,,,、后伸,,、左右侧屈各,,的力学负荷，对四种工况条件下腰,、,椎体及腰椎问盘髓核的应力、椎体及椎间盘髓核位移的变化数据进行搜集、整理，比较腰椎运动节段在不同应力下的相关参数变化。结果:,(成功建立了正常人体脊柱腰,、,活动节段的生物力学有限元模型。包括椎体、终板、椎间盘组织、关节突关节、韧带。其中单元数为,,,,,个，节点数为,,,,,个。,(成功进行了前屈,,。、后伸,。、左右侧屈各,。的工况加载，数据分析结果表明，不同工况条件下，腰段脊柱内部相关部位都处于高应力状态。腰,、,节段在四种工况条件下各椎体的平均应力值大于其椎间盘髓核平均应力值，椎体及髓 腰背肌功能锻炼计算机模拟研究核的应力值由腰,到腰,逐渐增大，前屈位髓核内压明显大于后伸位。在前屈,,。、后伸,。两种工况条件下，椎体承载后的变形能力小于其椎间盘的变形能力。研究结论: 腰,、,节段在腰背肌功能锻炼时腰椎前屈,,。、后伸,。、左右侧屈各,。四种工况条件下，椎体及髓核内部的应力值由腰,到腰,逐渐增大，前屈位髓核内压明显大于后伸位;腰背肌锻炼时后伸位比前屈位更符合生物力学要求。本实验结论为临床研究腰背肌功能锻炼时腰段脊柱内部的生物力学变化提供了理论 依据，为探讨腰背部疾患的的病因、病机和预防、康复治疗提供了较为客观的实验依据。关键词腰背肌功能锻炼; 有限元; 计算机模拟; 脊柱活动节段; 生物力学模型 英文摘要,,, ,,,,,,;, ,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,, ,,,;,,, ,,,,;,,,,, ,,, ,,, ,,(,,,,,,,,,,;, ,,, ,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,;,,,) ,,,,;,,, ,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,;,,,, ,, ,, ,,,,,,, ,, ,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,;,,,,;,, ,,,,,，,,, ,,,,, ,,;,,,,,, ,,,, ,,,, ,,,,,, ,,,;,,,,,,,,睿纾簦?;,,;,,,,,,, ,,,,,,，,,,,,,,, ,,,,, 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由于腰背部骨骼、肌肉、韧带、血管、神经分布的复杂性，常常给该类疾病的诊断和治疗带来困难。该类疾病的病因可以是先天性的，如脊柱先天性畸形、椎管狭窄等;也可以为后天性的，如脊柱退行性病变、骨质增生等。临床上常从脊柱结构、病变的性质分为四大类。可致腰背部疾患的结构异常有:腰椎问盘突出、退行性病变、骨质增生、椎管狭窄、脊椎滑脱、骨折、蛛网膜炎、纤维织炎等。(由炎症所致的腰背痛有:强直性脊柱炎、炎症性(结核性)脊柱炎、类风湿性关节炎等。可以引起腰背痛的代谢性疾病有:骨质疏松、甲状旁腺功能亢进、假性痛风、畸形性关节炎等。另外，肿瘤也可以引起腰背 痛。 目前，对于腰背部疾患的治疗，分为手术与非手术治疗两种。专家认为大多数的腰背部疾息是因为姿势不良，不正确地使用肌肉或软组织损伤引起的。因此，一般采用非手术治疗，如理疗、药物治疗、功能锻炼等。外科手术是治疗腰背部疼痛的最后办法，只有当病情严重到影响病人生活，其他治疗方法无效，以及引起严重伤残时，才考虑使用。 腰背部肌肉是维持腰椎稳定性的重要结构之一，加强项腰背部肌肉的锻炼，有助于维持及增强腰椎的稳定性，从而延缓腰椎劳损退变的进程，可以有效地预防急慢性腰部损伤和腰痛的发生。这对于曾经有过急慢性腰肌损伤、腰肌筋膜炎、腰肌劳损或者腰椎间盘突出症，而目前处于缓解期的病人，防止病情的复发尤其重要。由于腰腿痛而卧床休息或者佩带腰围治疗的人，腰部不活动，不受力，长此以往可以引起腰肌的废用性萎缩和无力，因此，更应当加强腰背肌的功能锻炼。 目前学术界对于腰背肌功能锻炼的生物力学基础理论研究存在不足，对于腰背肌几种锻炼方法的优劣及机理也没有深入的研究，不能根据患者个体情况引导其科学锻炼，患者在锻炼过程中也很盲目，这些都限制着该法的进一步拓展及最终疗效，有时甚至会引起相反作用，给患者及医生带来痛苦。 对人类腰椎力学性质的研究手段较多，总的来说，可分为实验生物力学和理 腰背肌功能锻炼计算机模拟研究论生物力学。实验生物力学的研究有三种代用模型:动物模型，物理模型和尸体模型。每种模型都是人体腰椎的近似，但都存在一定的局限性。采用力学模型进行研究，无疑具有明显的优点，脊柱的结构形状、性质、载荷及边界条件等均可用数学式概括，并能发现其中任意一个参数以观察其对整个结构的影响，从而解释脊柱在生理及病理过程中的力学变化。但适用于经典力学分析的数学工具却无法适用于复杂骨骼系统。研究结果表明，用有限元法建立的模型不仅能较好的模拟复杂的力学系统，而且更重要是可获得全域性的信息【”。 有限元法自,,年代引入脊柱生物力学领域以来,,,，国内外学者在这方面做了大量的研究，脊柱三维模型的建立，使脊柱生物力学与计算机广泛的联系在一起，为脊柱疾病相关领域的研究提供了方便。国内毕胜、李义凯、赵卫东等【,,,】把有限元法引入到脊柱推拿方面的研究，在学术领域已引起关注。目前借助三维有限元模型对脊柱牵引及不同力学载荷下的小关节应力值变化等相关领域，利用计算生物力学实验方法对其作用机制及相关生物力学基础进行研究，取得了可喜成绩，推动了相关骨科基础研究,,暹】。然而，利用三维有限元法对腰背肌功能锻炼的作用机理及相关生物力学的基础研究，国内外文献很少报道。 本研究拟通过在建立的腰椎运动节段三维可视化生物力学模型上，借助脊柱横截面积肌力计算法，求出正常解剖状态下腰椎受力数值，模拟腰背肌锻炼时腰,、,节段前屈,,。、后伸,。、左右侧屈各,。的运动状态，对不同应力状态下腰椎及腰椎间盘髓核的应力、椎体及椎间盘髓核位移的变化数据进行搜集、整理，比较腰椎运动节段在不同应力下的相关参数变化，为腰背肌功能锻炼提供理论依据，并最终指导腰部疾患的康复及治疗。 我们广泛查阅及网络检索自,,,,年以来的国内外相关文献资料，检出相关文献,,余篇，类似本课题的研究报道很少，涉及腰背肌功能锻炼有限元方面的研究未见，因此本课题选题及有一定的新颖性。本研究也为后续研究辅助腰背肌功能锻炼诊疗设备治疗腰背部疾患奠定了理论基础。 对象与方法 对象与方法,实验原理及相关研究进展,(,三维有限元法的基本原理 骨科生物力学测试技术包括两个方面:实验生物力学测试技术及计算生物力学测试技术。有限元法属计算生物力学测试技术的范畴， 传统的电测法和光测法属实验生物力学测试技术。“有限元”(,,,,,, ,,,,,,,)这一概念早在,,世纪,,年代就已提出，,,年代初曾将这种方法用于结构设计，即所谓结构分析的矩阵方法。随着计算机技术的飞速发展，目前该方法已进入工程技术的所有领域。有限元法是数值计算中的一种离散化方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用。其基本原理是将一个由无限个质点构成并且有无限个自由度的连续体划分成有限个小单元体(,,,,,,,,)所组成的集合体。单元之间以节点(,,,,,)相连。单元之间的相互作用力通过节点传递，称节点力。每个单元的物质特性及节点的载荷、边界条件明确后，通过节点位移与节点力之间的关系式计算出每个单元的刚度矩阵(,,,,,,,,, ,,,,,,)。若干个单元的刚度矩阵集合成构件的总刚度矩阵，并通过数学形式表达出来。有限元的求解必须依靠以下已知条件:节点数目、各节点坐标、单元数目和形状、材料的力学性能:弹性模量和泊松比、边界条件、外部节点的载荷。与以往的数值计算方法比较，有限元法能用不同形态，不同大小和不同类型的单元划分任意载荷，能模拟由不同材料组成的复合结构，而且计算过程已形成一定程序。有限元法作为一种计算方法，所得的解收敛于模型的精确解。其结果依赖于单元数目、类型及分析中做的假设。而计算机技术的进步及功能完善的专用软件的问世，为确保模型的精确性奠定了基础。 本课题模型在腰背肌功能锻炼时腰部姿势的改变引起腰椎体、椎间盘、椎体附件及周围软组织的受力变化是一个三维空间结构问题，腰段脊柱及周围软组织互相之间存在密切联系，其几何形状与力学性质呈现复杂多元化，如过多的将之简化，必然会影响模型的科学性，从而导致计算结果的不真实。借助三维有限元法建立的模型不仅能较好的模拟复杂的力学系统，而且更重要的是可获得全域性的信息，所以，我们考虑选择此法来研究腰背肌功能锻炼时前屈、后伸、左右侧屈的功能状态下相关力学负荷的情况，以更全面探讨腰段脊柱病变的力学因素。,(,相关研究进展 有限元法自,,年代引入脊柱生物力学领域以来,,】，国内外学者在这方面做了大量的研究，脊柱三维模型的建立，使脊柱生物力学与计算机广泛的联系在一起，为脊柱疾病相关领域的研究提供了方便。,,,,年,,,,,,,,,,,,,】和,,,,,,,,…等首 腰背肌功能锻炼计算机模拟研究次将有限元法用于骨的应力分析。,,,,年,,,和,,,等率先将其用于脊柱生物力学研究，主要来揭示损伤机理及评估椎间盘的材料特性,心,。自,,,,年,,,,,;,,,,,,,首次报告椎间盘有限元模型以来，这一方法在脊柱生物力学中的应用开始受到重视。腰椎有限元模型分二维和三维模型两类，二维有限元模型是轴对称模型，它虽然具有能近似描述前部结构的形态、网格划分容易、精密度高等优点，比较适合应用于腰椎前部结构轴向压缩的加载研究，但由于二维模型在结构形态等方面做了过多的简化，未考虑后部结构的作用，因而不能较好的反应人体腰椎应力分布情况;三维模型是在,,,,年由,,,,,,,等首次报告的，但它也有明显不足之处，比如该模型将髓核与纤维环作为同一种材料来考虑。,,,,年,,,,,,,对此模型作了适当改进，对髓核与纤维环给出了不同的材料参数，但由于单元划分少，模型仍相当粗糙。,,,,年,,,,,和,,,,,,,建立的模型首次计入了后部结构，特别是小关节的作用，但只研究了单个椎体的力学性质。,,,,年,,,,，”】建立的腰椎活动节段的有限元模型，将髓核视为可压缩的流体，使模型的精确度有了很大的提高。国内学者 在此基础上不断完善，,,,,年毕胜、李义凯、赵卫东等【,叫把有限元法引入到脊柱推拿方面的研究，在学术领域已引起关注。目前借助三维有限元模型对脊柱牵引及不同力学载荷下的小关节应力值变化等相关领域，利用计算生物力学实验方法对其作用机制及相关生物力学基础进行研究，取得了可喜成绩，推动了相关骨科基础研究,,,】。然而，利用三维有限元法对腰背肌功能锻炼的作用机理及相关生物力学的基础研究，国内外文献很少报道。,模型的建立,(,患者的选择及模型的建立 收集一名体重为,,,,的男性健康志愿者腰,、,节段的,,薄层扫描数据，,线检查排除病变、畸形及损伤情况，螺旋,,对健康志愿者从腰,椎体上缘至腰,椎体下缘进行连续断层扫描，从工作站拷贝相关数据，以,,;,,,(,格式存储在光盘上。在计算机上，把数据直接导入,,,,,,,(,三维建模软件，并经,,,,,有限元软件进行网格划分，参照表,所示文献中脊柱各材料的ρР问 保保浮浚 秤枘,透鞑糠植牧舷喙亓ρ 粜裕 ?】等搜 础?翟硕 诙蔚挠邢拊 逋 衲,?(图,(,);收集,,名健康成人腰,、,节段,,扫描数 ,,岁，平均,,岁。借助计算机软件在受据，其中男,名，女,名，年龄,,— 测者,,片上测量其腰大肌、腰方肌、竖脊肌，腹直肌、腹内外斜肌及腹横肌群横截面积的平均值及中心距，并通过等价换算求出力矩值。见表,。,(,模型的构成 本实验建立的有限元模型单元数为,,,,,个，节点数为,,,,,个。包括椎体、终板、椎间盘组织、关节突关节、韧带等脊柱结构单位。纤维和韧带假设只承受 (,( 对象与方法张力，椎间盘的纤维环看成复合结构，松质骨和椎间盘定义为多孔弹性材料，而皮质骨、后部结构、纤维环和韧带定义为线性弹性材料，后部的一对间隙成分代表两个小关节。,(,相关边界条件 把以上求得的腰背肌的肌力值及力矩值加载在模型相应节点，为研究方便，我们假设腰,椎体底部固定于,,轴平面上，并对模型在前屈及左右侧屈时实施,,,牛顿的轴向压缩负荷，对模型进行加载节点的选择上，避开了实际载荷加载的节点，减少了人为误差，使得到的数据更准确。,力学载荷的加载方法,(,肌力的加载方法 脊柱腰段的前屈、后伸、旋转、侧屈等功能是周围各肌群互相协调作用的结果。因为本研究重点是观察腰背肌的作用，所以我们重点考虑腰大肌、腰方肌、竖脊肌、腹部肌群等对脊柱的影响，对产生腰段脊柱各向活动的因素作了适当的简化。根据图,所示，腰段脊柱前屈主要是腹直肌、腰大肌以及部分腹内、外斜肌肌纤维收缩。而竖脊肌、腰方肌受牵拉作用产生的。后伸运动时，竖脊肌、腰方肌收缩，腹直肌、腰大肌及部分腹内、外斜肌牵拉。左侧屈运动是左侧腰肌群和腹肌群收缩，右侧受牵拉共同作用的结果。我们采用横截面积肌力计算法，通过在成人,,片上测量上述各肌肉横截面积及中心矩，得到各肌肉肌力及肌力矩的数值(见表,)，通过力矩等价换算公式如下:,,,,,,,，,,,,,,,，,,,,,,,,,,,。 (附注:,卜,,为实体测量计算得到的肌力值和中心矩，,,为模型上力的加载点与各椎体后缘中心点的位移值)。依据公式,,,入,，式中的,,为肌肉力，入为肌力系数，,为生理横断面，我国学者程国庆指出，国入的肌力系数范围是,,,,,,;,,【,,】。以上公式可得出实际加载于模型的各肌肉力。加载示意图分别见图,、,、,、,。,(,体重的加载方法 根据,,,,,,研究结果，头、颈、上肢重约为实际体重的,,(,,，在,,,,椎间盘以上躯干重约为体重的,,,,,,,。本模型以体重,,,,成人为，根据等价换算后可知,,椎体, ,(,,,，,,，,椎间盘,,(,,,，,,椎体,,,。 腰背肌功能锻炼计算机模拟研究 结 果,腰,、,椎体及椎间盘髓核的应力变化 前屈,,。、后伸,。、左右侧屈各,。的,,, ,,,,,应力云图分别见附录一所示图,、图,,、图,,、图,,，加载后椎体及椎间盘的位移矢量云图分别见图,,、图,,、图,,、图,,，加载后腰,、,椎间盘内部的,,,, ,,,,,应力云图分别见图,,、图,,、图,,、图,,。加载后腰,、,椎间盘髓核内部应力变化数据统计表如表,所示。 表,腰,、,椎体、髓核在不同工况下的平均应力值 (,,,) 把以上测得的,,椎体、,,,,椎间盘髓核、,,椎体在前屈,,。、后伸,。、左右侧屈各,。四种工况条件下的平均应力值输入统计学软件,,,,,,(,中，各组间均数比较用单因素方差分析后继以多样本均数之间差异的显著性检验(,检验)，给定显著水平;,,,(,,，结果:,,、,,椎体在四种工况条件下差异具有显著性(,,,(,,):在前屈,,。、后伸,。时，无显著性差异(胗,(,,);乙椎体、,，。椎间盘、,。椎体在左右侧屈各,。工况条件下，无显著性差异(,,,,(,,)。 从表,中我们可以看到，腰,、,椎体在前屈,,。、后伸,。位各椎体平均应力值大于其椎间盘髓核平均应力值。椎体及髓核的应力值由腰,到腰,逐渐增大。前屈位髓核内压大于后伸位，约是后伸位的,(,,倍。前屈位两椎体的平均应力值是髓核的,(,倍，后伸位椎体的平均应力值是髓核的,(,倍，侧屈位是,(,倍。由表可见，前屈位及后伸位椎体、椎间盘的平均应力值较大，而侧屈位差异不显著。应力曲线图见简图,。,腰,、,椎体及椎间盘髓核前后缘的位移变化 在研究腰,、,椎体及椎间盘髓核的平均应力值时，我们选择了前屈、后伸、两种工况下每个椎体的前缘、后缘各,个节点的应力值，髓核采用代.