后路椎间植骨内固定融合术有限元分析研究

论文摘要

腰椎作为与躯干骨盆的唯一联系,其承受的负荷量在脊柱中居首位,负荷自上向下逐渐增大,同时腰椎的生理活动范围较其他节段大,资料显示腰椎退行性疾病也不少见于该处,因此研究下腰椎活动节段力学模型有较大的临床价值。目前存在的有关脊柱生物力学研究方法有数种,被广泛应用的方法主要有四种：动物实验,物理实验,体外（尸体）实验及计算机模拟实验,这些实验均为人体体外实验方法。其中,计算机模拟实验,如有限元模型可根据生物力学机制的一些特殊变化,可重复模拟实验或改变部分参数反映变化后的情况,这是其他实验方法难以做到的。本论文进行了小牛腰椎的动物实验及有限元模型计算机模拟实验。比较了几种不同的建模方法。应用三维有限元方法建立下腰椎活动节段力学模型,分析直立时椎体不同姿势的应力分布。因为脊柱的集合结构复杂,单纯的有限元软件在模拟椎体外形效果不是很理性,采用CAD软件建立腰4-5的实体模型,将其引入为Ansys8.0软件并划分单元,运用了线性计算,利用CAD软件建模方便和ANSYS计算功能强大的优势,所得结构较为合理,几何外形和材料特性均满意,所得结果与实验检验结果基本吻合。本研究还对腰4-5进行了后路椎间植骨内固定融合术的手术加固模拟,分析了在不同荷载下,加固后的腰椎、植入骨、腰间盘以及内固定器械的应力分布。本研究以500N轴向载荷和10Nm弯曲载荷为例给出了相关力学特性。本研究还对几种建模方法进行了比较。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 腰椎生物力学的国内外研究现状
• 1.3 有限单元法在骨科生物力学的应用现状
• 1.4 腰椎有限元的研究意义
• 1.5 论文的研究目的和主要工作
• 第二章 小牛腰椎生物力学实验
• 2.1 小牛腰椎力学实验方法
• 2.1.1 小牛标本的制备
• 2.1.2 腰椎生物力学加压测试
• 2.1.3 统计分析
• 2.2 实验结果及结论
• 2.3 本生物力学实验科学性说明
• 2.4 腰椎各部分受力机理
• 2.4.1 腰椎的椎体
• 2.4.2 腰椎的髓核
• 2.4.3 腰椎的椎间盘
• 2.4.4 腰椎的椎弓根和关节突
• 2.4.5 腰椎的韧带
• 2.4.6 腰椎手术的植骨材料
• 第三章 有限单元法及腰椎建模方法
• 3.1 有限元法及通用有限元软件
• 3.1.1 有限元法的发展历史
• 3.1.2 有限元法的基本思想
• 3.1.3 有限单元法分析问题的步骤
• 3.2 通用有限元分析软件
• 3.3 ANSYS软件简介
• 3.3.1 ANSYS软件的特点
• 3.3.2 ANSYS软件的组成
• 3.3.3 用ANSYS软件求解问题的步骤
• 3.4 腰椎建模方法
• 3.4.1 基于MRI扫描技术自动建模方法
• 3.4.2 基于CT扫描技术自动建模方法
• 3.4.3 基于CT扫描技术手动建模方法
• 第四章 腰椎力学模型及有限元建模
• 4.1 正常腰4-5活动节段的CAD作图建模处理
• 4.2 腰椎建模过程
• 4.3 滑脱及内固定模型建模处理
• 4.4 模型导入与网格划分
• 4.4.1 腰椎椎体的完整模型
• 4.4.2 内固定植骨模型
• 4.5 有限元力学模型建立
• 4.6 模型的单元选择
• 4.7 模型分析需解决的问题
• 第五章 腰椎模型数值计算及结果分析
• 5.1 腰椎体结构本构关系
• 5.2 完整模型和PLIF模型的计算过程
• 5.3 数值计算结果
• 5.3.1 完整模型和PLIF模型的应变分析
• 5.3.2 PLIF法螺钉的应力分布
• 5.4 两种模型最大应力
• 5.5 PLIF法椎体位移和螺钉位移
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文研究的主要结论
• 6.2 研究的前景与展望
• 参考文献
• 致谢