● 摘要
摘 要
随着生活、生产方式的改变，尤其是电脑、汽车的普及，人们久坐不动，增加了脊椎负载的时间，加快了脊椎病的发生。腰椎间盘退化是脊柱病中常见的形式，症状表现为髓核脱水、间盘高度降低、纤维环撕裂，髓核脱出。它常常引起下腰痛、腰背痛，并且呈现年轻化的趋势，严重威胁着人们的健康。研究腰椎间盘的力学性质及损伤过程，对于预防脊椎病的发生具有重要的意义。
本文采用有限元仿真的方法研究椎间盘的生物力学特性。首先在逆向工程软件（Mimics）和三维重建软件（Solidworks）中分别重建了椎骨和腰椎间盘几何模型，然后在Abaqus软件中生成腰4-腰5节段有限元模型。建立的有限元模型中包括松质骨、皮质骨、后部结构、小关节、韧带、软骨终板、髓核、纤维环纤维和纤维环基质；对其中的软骨终板、髓核、纤维环基质及松质骨赋予多孔弹性属性，即认为它们是包含固体骨架和孔隙流体的两相物质，并且同时考虑了与应变相关的渗透系数和渗透压等生理参数。研究该模型在静载荷和振动载荷下的力学响应。
连续介质力学选取宏观上无限小、微观上无限大的物质点作为研究对象，通过引入与应变场、应力场、温度场等类似的连续变量场-损伤场来表征微缺陷的力学作用。本文在纤维环基质中每个单元的积分点处引入损伤变量d，当d为0时表示无损伤。在最大载荷步时求出该积分点的第一拉伸主应力，通过疲劳曲线（N-S曲线）求出对应的疲劳寿命N，通过N求出该积分点处的损伤值，运用Miner原则计算损伤累积值，当达到预定的损伤阈值就减小弹性模量，认为发生退变。使用Fortran语言编写用户材料子程序（UMAT）来实现。
结果显示小关节分担了椎间盘的载荷，但其空间位置不对称又容易引起自身退变。髓核以孔隙压力为主，纤维环以有效应力为主。髓核中有效应力对振动载荷不敏感，孔隙压力在动静载荷下变化趋势不同。纤维环基质中孔隙压力、有效应力在振动载荷下都表现出与静载不同的趋势。孔隙中液体的流入流出对椎间盘退变有重要影响。损伤首先出现在后部正中处，然后沿环向扩散，主要分布于右半边缘。本研究有助于认识椎间盘退变的特点，对其损伤的预防和治疗具有引导作用。
关键词：腰椎，椎间盘，损伤过程，连续损伤理论，有限元
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