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腰骶椎带锁轴向融合固定器有限元分析

易新  
【摘要】:目的: 1.建立正常成人L1~S1三维有限元模型,并验证模型的有效性。 2.在已建立的有效腰骶椎三维有限元模型基础上,模拟腰骶椎带锁轴向融合器置入术,在此基础上分析不同载荷条件下带锁轴向内固定融合器的应力分布及位移,为研制腰骶椎带锁轴向融合器提供需要改进的目标和评价参考指标。 方法: 利用逆向工程软件Mimics10.01,Geomagic11.0, Solidworks2011等软件在CT扫描的基础上建立正常成人的腰骶椎(L1~S1)有限元模型并验证其有效性,然后在Solidworks2011下建立腰骶椎带锁轴向融合器的几何模型,并模拟手术过程将腰骶椎带锁轴向融合器装配到有效的腰骶椎模型中,对其进行网格模型划分,建立起装配有带锁轴向融合器的腰骶椎有限元网格模型,根据腰骶椎和内固定的材料属性,对模型进行赋值导入Solid works2011中得到最终有限元模型。对模型施加载荷:生理状态载荷:轴向压缩(1500N)、屈曲(25N·m)和扭转(15N·m)预载荷;极限状态载荷:轴向压缩(10000N)、屈曲(91N·m)和扭转(88N·m)预载荷。对模型进行前屈、后伸、侧弯、旋转载荷运动,在Hypermesh10.0软件下完成上述工况下腰骶椎带锁轴向融合器内部应力分布和位移计算,在ANSYS Workbench14.0软件下显示有限元分析结果,并计算上述工况下腰骶椎带锁轴向融合器内部应力分布和运动位移,评价其生物力学性能。 结果: 1.建立了正常成人的腰骶椎(L1~S1)三维有限元模型与文献报道结果一致,腰骶椎模型单元数272822个,节点数418414个;装配带锁轴向融合内固定器的腰骶椎模型单元数638111个,节点数965063个。 2.各运动载荷下腰骶椎带锁轴向融合器各部分的应力分布: 在模拟受压的不同的工况下,所研制的轴向带锁轴向内固定融合器中,中轴螺钉融合器与椎弓根交锁钉应力分布不同,中轴螺钉融合器应力明显高于椎弓根交锁钉,腰骶椎带锁轴向内固定融合器各部分在垂直压缩载荷状态下所受的应力远小于在屈曲、扭转等状态时所受的应力。在生理载荷下,腰骶椎带锁轴向融合器各部分的应力远远小于内固定器抗压强度,能够提供足够的强度以保证其在腰骶椎生理负荷状态下均不会遭到破坏;但在极限负荷下,垂直压缩+前屈+旋转及垂直压缩+右屈+左旋工况下超过内固定最大抗压强度,最大应力出现在植骨孔周围。 3.各运动状态下腰骶椎带锁轴向融合器各部分的位移大小分布: 在模拟受压的不同的工况下,所研制的腰骶椎带锁轴向融合器的位移大小分布不同:生理载荷下,位移很小,能够提供足够的强度以保证其在腰骶椎生理负荷状态下稳定性。在极限负荷下,垂直压缩+前屈+右旋工况下最大位移出现在L5椎弓根交锁钉,位移为2.9004mm。 全文结论: 1、建立了有效正常成人腰骶椎(L1~S1)三维有限元模型。 2、在生理载荷下,腰骶椎带锁轴向内固定器能够提供足够的强度,保证稳定性和提高植骨融合率。 3、在极限载荷下,垂直压缩+前屈+旋转工况,最大应力超过螺钉屈服强度,在设计中需要改进工艺及加强植骨孔薄弱环节。


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