有限元法在椎弓根钉强度的生物力学研究中的应用-AltairUniversity.PDFVIP

Altair 2014 技术大会论文集 有限元法在椎弓根钉强度的生物力学研究中的应用 Application of Finite element analysis in biomechanics study of pedicle screw strength 田山 都承斐 项嫔 王丽珍* 樊瑜波 (北京 100191) 摘 要：腰椎后路融合术被广泛用于临床治疗脊柱外科疾患，如退变、创伤、畸形等。为验 证融合系统中椎弓根钉的固定强度 ，常需要应用力学试验机进行椎弓根钉的轴向拔出实验。 本文介绍了应用HyperMesh 软件，建立三维有限元模型，对椎弓根钉轴向拔出的过程进行 模拟的方法。通过模拟可得出轴向拔出力-位移曲线，并与体外力学实验结果相对照以验证 仿真实验的结果。在椎弓根钉强度的优化研究中，以仿真实验代替尸体标本体外实验，可以 节约研究成本及时间，并且容易控制单一变量，更经济有效地完成优化。 关键词：椎弓根钉 腰椎 有限元 强度 Abstract ：Posterior lumbar fusion and pedicle screw fixation was widely applied in the treatment of degenerative, traumatic, and timorous diseases of spine. Vitro pull-out experiment is applied to find the fixation strength of pedicle screw. The author established 3D finite element model to evaluate the pull-out process of pedicle screw through HyperMesh, and obtained the load-displacement curve in pull-out process. In the optimize of fixing strength of pedicle screw, application of simulation instead of vitro experiment could save time and money, and make it easy to create only one variable at the same time. Keywords ： pedicle screw , lumbar spine, finite element, HyperMesh, strength 1 概述 脊椎后路融合器系统是一种应用广泛的固定受损脊椎的方法，常用于临床手术中治疗退 变、创伤、畸形等脊椎外伤疾病[2]。椎弓根钉在该系统中起到将融合器和椎弓及椎体牢固 固定的重要作用[3]。目前已有很多应用尸体标本的离体轴向拔出试验被用来评价椎弓根钉 的固定效果[4]，是评价特定型号椎弓根钉固定效果的有效手段。但离体实验受限于样本数 - 1- Altair 2014 技术大会论文集 量，且难以避免样本间的个体性差异，在需要较大数量对照实验的椎弓根钉优化研究中的使 用受到限制。使用有限元拔出仿真实验代替离体实验，可以省去实验中的样本费用，且各算 例间不存在样本不同造成的个体性差异，更适合于对照性的优化研究。 本文应用HyperWorks 系列软件，建立有限元模型进行椎弓根钉的仿真轴向拔出实验。 在椎弓根钉拔出实验中，本文应用HyperWorks 系列有限元仿真软件，建立了模拟腰椎椎弓 根的三维骨质模型及椎弓根钉模型，离散为同尺寸的四面体单元。依据骨质的生物力学性质 设置材料属性，采用准静态过程，通过模拟整个拔出过程中骨质材料的破坏，得出拔出过程 力-位移曲线。经验证，本文依据仿真实验得出的拔出力-位移曲线，可以较好地吻合体外拔 出实验的结果。本文提出的仿真方法，对于提高椎弓根钉优化研究的效率，有重要的积极意 义。 2 有限元模型的建立 本文的椎弓根钉三维模型依据W05L2524 型产品的实测尺寸建立，外径6mm，螺纹有效 长度 35mm。椎弓根处骨质模型的尺寸参考健康男性CT 扫描图像中显示的腰椎椎弓根选取， 采用10mm×10