新型腰椎—椎弓根动态内固定系统的建模与有限元分析

目的: 1.建立有效的L4～L5三维有限元模型。 2.在已建立的腰椎三维有限元模型基础上,模拟新型腰椎-椎弓根动态内固定系统置入术,运用三维有限元法分析动态内固定系统的生物力学性能。 方法: 在CT扫描的基础上利用逆向工程软件Mimics,Solidworks,PATRAN建立了正常人的腰椎(L4～L5)有限元模型,验证其有效性;然后在Solidworks下建立新型腰椎-椎弓根动态内固定系统的几何模型,并对腰椎模型模拟手术过程装配新型腰椎-椎弓根动态内固定系统;将装配新型腰椎-椎弓根动态内固定系统的腰椎几何模型导入到PATRAN下,进行网格划分,建立有限元网格模型,根据CT的灰度值和内固定的材料属性对模型进行赋值导入PATRAN中得到最终有限元模型,对模型施加500N的轴向压缩及15N·m力矩的预载荷,使模型产生前屈、后伸、侧弯、旋转运动,在NASTRAN软件下完成四种工况下新型腰椎-椎弓根动态内固定系统内部应力分布及大小情况的计算及分析,在Hyperview软件下显示有限元分析的结果;并计算四种工况下运动转角度及位移,与所建立的正常人腰椎有限元模型结果进行比较分析,评价其生物力学性能。 结果: 1.建立了正常人的腰椎(L4～L5)三维有限元模型与文献报道无差别,装配新型腰椎-椎弓根动态内固定系统的腰椎三维有限元模型,其运动转角度及位移与该正常人腰椎的结果有一定的差异。 2.在模拟受压的不同的工况下,所研制的新型腰椎-椎弓根动态内固定系统的螺钉及连接棒的应力分布不同,连接棒应力明显高于螺钉,旋转时钉棒应力明显要高于其他工况。四种工况下套筒均受到应力,其中侧弯时凹侧套筒中央部应力明显高于凸侧。 结论: 1.建立了正常人腰椎(L4～L5)有效三维有限元模型。 2.新型腰椎-椎弓根动态内固定系统具有一定的活动范围,连接棒能提供一定的支撑力,通过树脂套筒可以分担载荷,避免了连接棒的应力疲劳,新型腰椎-椎弓根动态内固定系统具有较好的生物力学特性。