腰骶椎三維有限元建模及三種內(nèi)固定方式生物力學(xué)分析.pdf

1、目的：
　　 建立并驗(yàn)證腰骶椎三維有限元模型,分析三種內(nèi)固定方式的生物力學(xué)特點(diǎn),為臨床選擇內(nèi)固定方式提供理論依據(jù)。
　　 方法：
　　 選取一健康成年男性CT掃描圖像,導(dǎo)入simpleware軟件建立腰骶椎三維有限元模型。重建L4-S1脊柱,包括骨性結(jié)構(gòu)、椎間盤(pán)以及腰骶椎相關(guān)韌帶。使用ansys有限元分析軟件,設(shè)定L4以上負(fù)載為500N、1000N、1500N、2000N,模擬人體中立位時(shí)的工況;對(duì)L4施加15N

2、-m的力矩,分別模擬人體前屈、后伸、右彎,右旋的情況。計(jì)算模型的應(yīng)力位移曲線和平均剛度驗(yàn)證模型。將內(nèi)固定系統(tǒng)通過(guò)CAD軟件重建出相應(yīng)模型,植入模擬后路減壓、L5S1椎間植骨融合的腰骶椎模型,建立椎弓根釘棒內(nèi)固定、經(jīng)椎弓根椎體間內(nèi)固定、椎弓根螺釘輔以空心釘軸向固定有限元模型。通過(guò)有限元分析方法在三種模型上實(shí)現(xiàn)軸向加壓、前屈、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)加載。觀察三種固定方式最大位移值、內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力分布特點(diǎn),并比較椎弓根釘應(yīng)力值。
　　 結(jié)果：

3、r>　　 所構(gòu)建的腰骶椎三維有限元模型共包括661,303個(gè)實(shí)體單元,總計(jì)共143,543個(gè)結(jié)點(diǎn)。本模型應(yīng)力位移曲線及平均剛度值與以往實(shí)驗(yàn)研究接近。在垂直加壓、前屈、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)四種工況下模型最大位移變化方面,采用椎弓根釘系統(tǒng)輔助空心釘進(jìn)行內(nèi)固定較無(wú)內(nèi)固定模型分別減小53.8％、81.6％、87.8％、99.8％,較椎弓根釘棒系統(tǒng)內(nèi)固定模型分別減小31.0％、22.1％、85.3％、38.5％,較經(jīng)椎弓根椎體間內(nèi)固定分別減小21.9％、

4、2.0％、13.0％、20.5％;經(jīng)椎弓根椎體間內(nèi)固定較無(wú)內(nèi)固定模型分別減小39.1％、81.3％、86.0％、75.4％,較椎弓根釘棒系統(tǒng)內(nèi)固定模型分別減小9.1％、20.5％、83.1％、22.7％;椎弓根釘棒系統(tǒng)內(nèi)固定較無(wú)內(nèi)固定模型分別減小33.0％、76.4％、17.2％、68.2％。應(yīng)力集中部位主要在椎弓根釘棒交界處,椎弓根釘輔助空心釘內(nèi)固定在四種工況下應(yīng)力值均較單純椎弓根釘系統(tǒng)內(nèi)固定顯著為小(P＜0.05),在側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)工況

5、應(yīng)力值與經(jīng)椎弓根椎體間內(nèi)固定比較也有明顯差異(P＜0.05),而垂直加壓和前屈工況兩者無(wú)明顯差異(P＞0.05);經(jīng)椎弓根椎體間內(nèi)固定在旋轉(zhuǎn)和側(cè)彎工況應(yīng)力值明顯小于椎弓根釘棒系統(tǒng)內(nèi)固定(P＜0.05),垂直加壓和前屈工況兩者無(wú)明顯區(qū)別(P＞0.05)。
　　 結(jié)論：
　　 所建立的腰骶椎三維有限元模型可用于進(jìn)一步裝配內(nèi)固定研究,椎弓根螺釘輔以空心釘軸向固定在各個(gè)工況均穩(wěn)定,有利于患者早期康復(fù)鍛煉和恢復(fù)日常工作、生活,有利