基于Solidedge建立人体脊柱的机械简化模型

摘 要：真实的人体脊柱模型是一个多曲面的不规则实体，采用传统的三维建模软件建立脊柱的三维模型显得相当困难，且无法保证其准确度。本文在保持脊柱各部分结构之间的相对连接关系的前提下，将脊柱的椎骨、椎间盘等组成部位看成一个个的机械零件，利用solidedge建立人体脊柱的机械简化模型。

关键词：三维建模 脊柱 机械简化模型

0引言

脊柱作为人体骨骼的重要部分，起着"承上启下"的作用，它支撑着头部，又连接着人体的盆骨，是整个人体的中轴支柱，因此其结构特征和作用显得极其重要[53]。脊柱主要具有支撑体重、传递载荷、运动、保护及造血等功能[54]。脊柱主要由椎骨、椎间盘、小关节、关节囊等组成。随着脊柱疾病的日益年轻化及严重化，脊柱疾病的研究显得十分必要，通过查阅文献可知，采用有限元法，研究脊柱力学特性，是可行的。建立完整的脊柱模型是有限元法的前提，但脊柱的结构及外形相对复杂， 要获得准确的有限元模型比较困难，由于脊柱在结构及各部位之间的相对运动关系都与机械零部件有相似之处，因此，本文根据人体脊柱的数据，将脊柱的各个部位简化成一个个机械零件，利用Solid edge软件，建立脊柱的机械简化模型。

1脊柱的解剖结构特征

脊柱处于人体背部中间位置，主要由7块颈椎、12块胸椎、5块腰椎、5节融合骶椎和3-4节融合的尾椎以及连接各椎骨的椎间盘、处于椎骨后方的小关节、关节囊、韧带和肌肉组织等组成。

1.1椎骨的结构特征

人体脊柱主要由颈椎段、胸椎段、腰椎段和骶椎段组成。脊柱的每块椎骨组成是一致的，都是由一块椎体和一块椎弓组成的，椎弓通过椎弓根与椎体连接在一起，椎弓根部分一般比较细，椎体和椎弓之间形成的孔为椎孔，脊柱从上之下的每一个锥孔依次连接，形成椎管，保护着脊髓。

1.2小关节的结构特征

脊柱的每两块椎骨之间通过上面椎骨的下关节突和下面椎骨的上关节突连接起来，构成处于椎体后部的关节囊关节，临床上又名小关节。

1.3椎间盘的结构特征

除了小关节之外，椎间盘也是连接相邻椎体不可或缺的结构，椎间盘位于上下椎骨的椎体之间，正常人体一般有24块椎间盘，高度约占人体脊柱总高度的30%。由上下软骨终板、纤维环和中间的髓核构成，软骨终板通常由透明软骨构成，厚度小于1mm；纤维环由胶原纤维构成的25个同心环状结构组成；

1.4关节囊的结构特征

关节囊是指生长在小关节周围的结缔组织，由外面的纤维层和里面的滑膜层组成，纤维层由结缔组织构成，坚硬而不乏韧性，具有良好的延伸性，滑膜层能够分泌一定的滑夜，对关节运动起着一定的作用，可以减小摩擦，减低小关节的损伤率。

1.5肋骨的结构特征

肋骨作为人体整个胸腔的构架，起着保护肝脏、心脏及肺部等重要器官的作用。正常人体共有12对肋骨，左右对称。肋骨后端与胸椎骨连在一起，前端借助软骨与胸骨长在一起的第1-7根肋骨称为真肋；第8-12根肋骨叫做假肋，其中第8-10根肋骨借肋软骨与上一根肋骨的软骨相连，形成肋弓，第11、12根肋骨前端游离，又称浮肋。

2 Solid edge软件介绍

Solid Edge是美国EDS公司的中端CAD-PDM产品，具有强大的功能模块和广泛的适用范围，是目前最优秀的三维机械设计软件之一。其卓越的性能、优异的实体和曲面造型功能、专业化的设计环境和有口皆碑的易学易用性，赢得了业界广泛的赞誉。Solid Edge功能强大，方便易用，物美价廉，可以说是中小企业进行计算机三维机械设计的首选。Solid Edge主要功能模块包括：零件设计、装配设计、钣金设计、焊接设计、工程制图、管道与线缆设计、干涉分析及测量工具、运动模拟、 虚拟现实、机构运动仿真、数据转换、INSIGHT PDM、二次开发接口、CREAT 3D（二维转三维）、工程设计手册、网络、特征识别等。因此，本文选用Solid Edge建立脊柱的机械简化模型。

3脊柱机械简化模型的建立

根据上述部分的真实结构，保持各个结构之间的连接关系和相对位置，查阅成年男性脊柱腰骶段外形结构数据，将椎骨、椎间盘、关节囊和肋骨简化，表1为成年男性脊柱结构参数。在Solid edge软件界面下，图1为椎间盘及关节囊的机械简化模型、图2为肋骨与椎骨的机械简化模型，且保持了肋骨与椎骨之间的连接关系，由于人体脊柱不同节段结构几乎相同，考虑到工作量及电脑性能，本文建立了脊柱部分结构的简化模型。图3为本文建立的脊柱部分结构的机械简化模型。

表1为成年男性脊柱腰骶段结构参数

图1 椎间盘及关节囊的机械简化模型

图2 椎肋骨及椎骨的机械简化模型

图3 脊柱部分结构的机械简化模型

参考文献：

[1]赵迪.成人退变性脊柱侧凸有限元模型的建立及后路三维矫形生物力学研究[博士论文].湖南，中南大学，2010

[2]Hooper.Orthopaedics（第2版）.天津：天津科技翻译出版公司，200

[3]王金堂，马爱群，吕毅.骨科手册（第1版）.北京：科学出版社，2008

作者简介：黄文婷（1990-），女，江西科技学院，机械工程学院，硕士，助教。研究方向：机械设计及理论