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研究生： 趙逸民
Chao, I-Min
論文名稱： 以有限元素法分析腰薦椎解離性滑脫後 對脊椎生物力學之影響
Finite Element Analysis of Spinal Biomechanics after Spondylolytic Spondylolisthesis
指導教授： 胡宣德
Hu, Hsuan-Teh
共同指導教授: 黃國淵
Huang, Kuo-Yuan
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年： 2011
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 80
中文關鍵詞： 椎弓解離 、滑脫 、腰薦角 、有限元素
外文關鍵詞： spondylolysis, lumbosacral angle, finite element method
相關次數： 點閱：74  下載：2 
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    • 脊椎，是支撐身體軀幹的重要構造，人體有七節頸椎、十二節胸椎、五節腰椎、五節薦椎以及尾椎骨。上下兩節脊椎之間左右兩側有小面關節相連，當這些構造因為先天形成不良或受傷而斷裂時，可能會使得上下兩節的脊椎分離，如果左右兩側都有斷裂，產生椎弓解離，此時病患的活動性會降低，再者，椎體會因重力作用而往前滑出，即是醫學上所稱的「脊椎滑脫症」，最常發生的位置是在第五腰椎與第一薦椎之間，其次則是第四、第五腰椎之間。
    本文使用MSC.Patran和ABAQUS等有限元素軟體，分析腰椎第五節和薦椎之間椎間盤滑脫的情形，依照椎弓解離、一級滑脫和二級滑脫的情形，搭配不同的腰薦角(LSA=30o、LSA=40o 和LSA=50o)和四種人體運動方式(伸展、彎曲、側彎和扭轉)進行分析討論，探討在各種情形下的椎間盤應力、應變能和椎間相對轉角，希望在脊椎病變治療上針對不同病人有更正確的治療方向，以利醫學研究。

    本研究團隊建立有限元素模型的方法：電腦斷層掃描取得DICOM檔，由醫學影像軟體3D-Doctor處理成STL檔，再交由MSC.Patran有限元素軟體建立實體模型，最後由ABAQUS有限元素軟體求解。

    Spine, is an important structure in our bodys, the body has seven cervical vertebra,twelve thoracic vertebra, five lumbar, five sacral vertebra and tail vertebrae. Between two vertebra ,there are facet joints, when the formation of these structures because of congenital bad fracture or injury may make spodylolysis, if the facet joints are broken, resulting in dissociation arch at this time will reduce the patient's moving range.Furthermore, the vertebral body due to gravity, will slide forward, which is medicallycalled "spondylolisthesis", the most frequent location is in the fifth lumbar .
    This paper uses MSC.Patran and ABAQUS finite element software, analysis the disc between fifth and fourth spine, with different Lumbosacral angle (LSA = 30o, LSA = 40o and LSA = 50o) and four human movement (extension,flexion, lateral bending and torsion) for analysis and discussion to explore the disc in a variety of situations of stress, strain energy and the relative intervertebral angle, hope to find a more correct treatment direction.
    Our research team has created the model of all spines by using MSC.Patran and ABAQUS.

    目錄 I 表目錄 III 圖目錄 V 第一章 1 緒論 1-1 前言 1 1-2 研究動機與目的 2 1-3 有限元素法(Finite Element Method) 2 1-4 FEM在醫學工程上之應用 3 第二章 4 脊椎 2-1 脊椎的結構 4 2-2 脊椎組成 5 2-3 有限元素參數 23 第三章 24 腰椎病變 3-1 病變種類 24 3-2 治療方式 29 第四章 32 電腦輔助建立腰椎有限元素模型 4-1 前言 32 4-2 醫學影像軟體 33 4-3 建立有限元素模型 34 4-4 建模 35 4-4-1 網格篩選 36 4-4-2 建立各種元素 37 4-4-3 材料性質 40 4-4-4 組成元素 42 4-4-5 邊界條件及負載方式 43 第五章 50 收斂性分析及驗證 5-1 收斂性分析 50 5-2 模型驗證 50 5-3 模型確立 52 第六章 57 分析結果 6-1 分析方向 57 6-2 椎間盤應力 58 6-3 應變能 63 6-4 椎間相對轉角 66 第七章 74 結論 7-1 結論 74 7-2 未來展望 75 參考文獻 76 表目錄 表 2.1 各文獻所採用的皮質骨材料參數 10 表 2.2 各文獻所採用的海綿骨材料參數 10 表 2.3 各文獻所採用的後骨材料參數 11 表 2.4 各文獻所採用的髓核材料參數 13 表 2.5 各文獻所採用的纖維環材料參數 14 表 2.6 TAUT REGION起點與終點 17 表 2.7 TAUT REGION起點與終點 17 表 2.8 各個韌帶應力應變曲線使用參數 19 表 2.9 各個韌帶應力應變曲線使用參數 19 表 2.10各個韌帶之Etaut (MPa) 20 表 2.11各個韌帶之ε 21 表 2.12本研究各個韌帶使用參數 21 表 3.1 LSA=30°左右時之病人滑脫情形 27 表 3.2 LSA=45°以上時之病人滑脫情形 28 表 3.3 LSA=30°附近(25°~35°)時與椎間角度之關係情形 28 表 4.1本研究所有材料性質 41 表 4.2各部份元素及斷面性質 42 表 4.3元素介紹 43 表 4.4單位系統 47 表 5.1 彎曲時，各模型之von Mesis應力 51 表 5.2 伸展時，各模型之von Mesis應力 51 表 5.3 側彎時，各模型之von Mesis應力 51 表 5.4 扭轉時，各模型之von Mesis應力 52 表 5.5 LSA=30度之正常模型 52 表 5.6 LSA=50度之正常模型 52 表 5.7 模型列表 53 表 6.1代號對照表 58 圖目錄 圖 2.1人體脊椎結構圖 5 圖 2.2 腰椎運動肢段的矢面狀示意圖 6 圖 2.3 脊椎骨斷面圖 8 圖 2.4 端板、軟骨板及椎間盤 9 圖 2.5 椎間盤的組織結構圖 12 圖 2.6 纖維環的纖維方向示意圖 14 圖 2.7 脊椎各韌帶位置示意圖 18 圖 2.8 韌帶的應力-應變曲線 16 圖 2.9 透過方程式(1.2)所得之適合曲線(ISL、ALL) 20 圖 2.10 本研究各個韌帶應力應變曲線 22 圖 2.11 不同應變能函數之模擬與實驗數據之比較 23 圖 3.1 Meyerding method 滑脫等級 27 圖 4.1有限元素分析前處理流程圖 33 圖 4.2 3D-Doctor使用步驟 34 圖 4.3 MSC.Patran前處理步驟 35 圖 4.4 腰椎及薦椎實體模型 36 圖 4.5 藉由bar element進行MOM 37 圖 4.6 椎體實體元素 37 圖 4.7 椎體周邊各種韌帶 38 圖 4.8 椎間盤構造及其組成元素 39 圖 4.9 腰、薦椎有限元素模型 40 圖 4.10腰薦角之定義 44 圖 4.11邊界條件示意圖 44 圖 4.12伸展和彎曲的負載方式 45 圖 4.13側彎和扭轉的負載方式 46 圖 4.14 Preload施加在L4上端板 47 圖 4.15脊椎端板轉角方向定義 48 圖 4.16彎曲或伸展動作椎間相對轉角計算方式(θ2-θ1為轉角) 49 圖 4.17側彎動作椎間相對轉角計算方式(θ2-θ1為轉角) 49 圖 5.1 LSA=30o之四個模型 60 圖 5.2 LSA=40o之四個模型 54 圖 5.2 LSA=50o之四個模型 55 圖 6.1 LSA=30o-Normal-應力 59 圖 6.2 LSA=30o-Lysis-應力 59 圖 6.3 LSA=30o-Gr.1-應力 59 圖 6.4 LSA=30o-Gr.2-應力 59 圖 6.5 LSA=40o-Normal-應力 59 圖 6.6 LSA=40o-Lysis-應力 59 圖 6.7 LSA=40o-Gr.1-應力 60 圖 6.8 LSA=40o-Gr.2-應力 60 圖 6.9 LSA=50o-Normal-應力 60 圖 6.10 LSA=50o-Lysis-應力 60 圖 6.11 LSA=50o-Gr.1-應力 60 圖 6.12 LSA=50o-Gr.2-應力 60 圖 6.13 EXT-IVD-45-應力 61 圖 6.14 EXT-IVD-5S-應力 61 圖 6.15 FLX-IVD-45-應力 62 圖 6.16 FLX-IVD-5S-應力 62 圖 6.17 LB-IVD-45-應力 62 圖 6.18 LB-IVD-5S-應力 62 圖 6.19 ROT-IVD-45-應力 62 圖 6.20 ROT-IVD-5S-應力 62 圖 6.21 EXT-IVD-45 應變能 64 圖 6.22 EXT-IVD-5S 應變能 64 圖 6.23 FLX-IVD-45 應變能 64 圖 6.24 FLX-IVD-5S 應變能 64 圖 6.25 LB-IVD-45 應變能 64 圖 6.26 LB-IVD-5S 應變能 64 圖 6.27 ROT-IVD-45 應變能 64 圖 6.28 ROT-IVD-5S 應變能 64 圖 6.29 LSA=30o-EXT 應變能 65 圖 6.30 LSA=30o-FLX 應變能 65 圖 6.31 LSA=30o-LB 應變能 65 圖 6.32 LSA=30o-ROT 應變能 65 圖 6.33 LSA=40o-EXT 應變能 65 圖 6.34 LSA=40o-FLX 應變能 65 圖 6.35 LSA=40o-LB 應變能 65 圖 6.36 LSA=40o-ROT 應變能 65 圖 6.37 LSA=50o-EXT 應變能 66 圖 6.38 LSA=50o-FLX 應變能 66 圖 6.39 LSA=50o-LB 應變能 66 圖 6.40 LSA=50o-ROT 應變能 66 圖 6.41 LSA=30o-Normal 應變能 66 圖 6.42 LSA=30o-Lysis 應變能 66 圖 6.43 LSA=30o-Gr.1 應變能 66 圖 6.44 LSA=30o-Gr.2 應變能 66 圖 6.45 LSA=40o-Normal 應變能 67 圖 6.46 LSA=40o-Lysis 應變能 67 圖 6.47 LSA=40o-Gr.1 應變能 67 圖 6.48 LSA=40o-Gr.2 應變能 67 圖 6.49 LSA=50o-Normal 應變能 67 圖 6.50 LSA=50o-Lysis 應變能 67 圖 6.51 LSA=50o-Gr.1 應變能 67 圖 6.52 LSA=50o-Gr.2 應變能 67 圖 6.53 EXT-IVD-45-椎間相對轉角 69 圖 6.54 EXT-IVD-5S-椎間相對轉角 69 圖 6.55 FLX-IVD-45-椎間相對轉角 69 圖 6.56 FLX-IVD-5S-椎間相對轉角 69 圖 6.57 LB-IVD-45-椎間相對轉角 69 圖 6.58 LB-IVD-5S-椎間相對轉角 69 圖 6.59 ROT-IVD-45-椎間相對轉角 69 圖 6.60 ROT-IVD-5S-椎間相對轉角 69 圖 6.61 LSA=30o-EXT-椎間相對轉角 70 圖 6.62 LSA=30o-FLX-椎間相對轉角 70 圖 6.63 LSA=30o-LB-椎間相對轉角 70 圖 6.64 LSA=30o-ROT-椎間相對轉角 70 圖 6.65 LSA=40o-EXT-椎間相對轉角 70 圖 6.66 LSA=40o-FLX-椎間相對轉角 70 圖 6.67 LSA=40o-LB-椎間相對轉角 70 圖 6.68 LSA=40o-ROT-椎間相對轉角 70 圖 6.69 LSA=50o-EXT-椎間相對轉角 71 圖 6.70 LSA=50o-FLX-椎間相對轉角 71 圖 6.71 LSA=50o-LB-椎間相對轉角 71 圖 6.72 LSA=50o-ROT-椎間相對轉角 71 圖 6.73 LSA=30o-Normal-椎間相對轉角 71 圖 6.74 LSA=30o-Lysis-椎間相對轉角 71 圖 6.75 LSA=30o-Gr.1-椎間相對轉角 72 圖 6.76 LSA=30o-Gr.2-椎間相對轉角 72 圖 6.77 LSA=40o-Normal-椎間相對轉角 72 圖 6.78 LSA=40o-Lysis-椎間相對轉角 72 圖 6.79 LSA=40o-Gr.1-椎間相對轉角 72 圖 6.80 LSA=40o-Gr.2-椎間相對轉角 72 圖 6.81 LSA=50o-Normal-椎間相對轉角 72 圖 6.82 LSA=50o-Lysis-椎間相對轉角 72 圖 6.83 LSA=50o-Gr.1-椎間相對轉角 73 圖 6.84 LSA=50o-Gr.2-椎間相對轉角 73

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