以三维有限元模型分析短节段腰椎椎弓根螺钉系统固定后螺钉应力的分布

背景:作者未查及生理负荷状态或接近生理负荷状态下下腰椎非融合状态时螺钉应力分布的文献报道.目的:建立L3-5节段二维有限元模型,观察前路L4/5椎弓根螺钉内固定后的应力特点.设计、时间及地点:三维有限元模型的生物力学分析,于2008-01/06在南方医科大学珠汀医院骨科实验室完成.材料:采集1名32岁男性青年自愿者的正常腰椎螺旋CT层厚0.625 mm的连续水平扫描图像.方法:将CT扫描所得的数据以Dicom格式转入计算机,借助Mimics 11.1软件,建立L3～5节段的几何模型.将几何模型转入Simpleware2.1软件,同时将椎弓根螺钉系统以STL格式转入Simpleware软件进行匹配,模拟L4/5椎间椎弓根螺钉内固定,从而建立有限元模型,导入Abaqus 6.51进行分析,在L3上表面施加500 N压力模拟轴向压缩、再施加15 N·m的力矩模拟腰椎前屈、后伸、侧届和旋转等各种生理载荷,观察不同载荷下螺钉的应力分布.主要观察指标:椎弓根螺钉在轴向压缩、前屈、后伸、侧屈和旋转等各种生理载荷下的应力云图和峰值.结果:椎弓根螺钉在下办螺钉钉尾部应力集中明显;在各种加载运动模式中,下方螺钉钉尾部应力值在轴向压缩载荷下最小,在旋转时最大.结论:在模拟正常腰椎活动情况下,仅予以腰椎椎弓根螺钉系统固定情况下,螺钉疲劳断裂的部位易发生在下方螺钉钉尾部,融合相应节段可减少因螺钉应力集中引起的螺钉疲劳断裂.

Stress distribution of lumbar pedicle screws following short-segment fixation based on three-dimensional finite element model