基于有限元素分析的不同频率下,研究腰椎的宏观和微动态特征
Baojian Zhang1, Rui Xue2, Jingchen Yuan1
1Shanxi Provincial Traditional Chinese Medicine Hospital (Shanxi Provincial Institute of Traditional Chinese Medicine), Taiyuan, Shanxi, 030000, China.
Scientific reports
|November 5, 2025
概括
全身振动会导致脊髓退行. 这项研究模拟了腰椎对不同频率的反应,发现微骨结构经历的压力明显更高,特别是在共振频率附近.
科学领域:
- 生物力学 生物力学
- 职业健康 职业健康 职业健康
- 脊柱力学 脊柱力学 脊柱力学
背景情况:
- 全身振动 (WBV) 是一种已知的职业危险,导致脊柱退化.
- 由WBV引起的脊髓损伤的精确生物机械机制尚未完全理解.
- 研究腰椎对振动的多层次反应对于了解损伤机制至关重要.
研究的目的:
- 研究不同频率负载对腰椎宏观和微观动态机械性能的影响.
- 在振动负荷下建立和分析腰椎多尺度计算模型.
- 在不同的激发频率下,量化腰椎结构内的应力分布和放大.
主要方法:
- 开发了腰椎的宏观和微观规模的计算模型.
- 使用基于圣维南原理的边界移位方法,在各种频率上应用了正弦激发力.
- 进行了模式和过渡动态分析,以评估结构性反应.
主要成果:
- 腰椎的第一个轴向基本频率被确定为10.27赫兹.
- 脊椎体 (L1-L3) 显示出不同的应激反应幅度,其中L1显示出最大的幅度.
- 微骨单元中的应力振幅是宏骨单元的2.38至17.33倍,增加了近共振频率.
结论:
- 腰椎内的微骨结构在振动负荷下承受明显更高的应力度.
- 随着激发频率接近自然共振频率,骨单位的压力放大是最明显的.
- 了解这些多层次的压力动态对于预测和减轻WBV诱导的脊柱损伤至关重要.
