植入椎弓根螺钉固定系统的腰骶椎结构静动态特性分析

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1、分类号：TH122密级：公开UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文植入椎弓根螺钉固定系统的腰骶椎结构静动态特性分析论文作者：武晓丹学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：机械工程指导教师：范顺成职称：教授资助基金项目：天津市应用基础与前沿技术研究计划资助项目(13JCYBJC41200)DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringAnalysisofstati

2、canddynamiccharacteristicsoflumbosacralvertebraewithpediclescrewfixationsystembyWuXiaodanSupervisor:Prof.FanShunchengMarch2017ThisworksupportedbytheTianjinResearchProgramofApplicationFoundationandAdvancedTechnology.No.13JCYBJC41200.摘要椎体内固定系统普遍应用于治疗脊柱

3、畸形、外伤和退变等脊柱类疾病，然而此方法存在术后邻近节段退变和椎弓根螺钉易断裂等问题，因此对腰骶椎和内固定系统的生物力学研究具有重要意义。目前对内固定后腰骶椎模型的研究主要集中在静态分析方面，动态方面的分析较为欠缺，而通过对人体脊柱进行动态分析可以得到在振动情况下脊柱的动态特性，这有利于钉棒系统的改进，对退变性脊柱疾病的防治和康复尤为重要。本文基于CT图像，利用Mimics、SolidWorks及ABAQUS软件建立正常腰骶椎和内固定后的腰骶椎有限元模型；然后对两种模型进行静态及动态分析。系统研

4、究模型的静态和动态性能。1、通过静态分析得到：内固定系统承担了一部分腰骶椎上所受的载荷；下部钉棒较上部钉棒承载要大；内固定系统使得腰骶椎的整体活动范围减小。2、提出对已有内固定系统的改进意见，在设计内固定系统连接棒时，将连接棒上部采用较小的刚度，下部采用较大的刚度，使得内固定系统减轻了腰骶椎上所受载荷，且减小了对腰骶椎活动范围的限制，使邻近节段发生退变的概率大大减小。3、通过模态分析得到内固定前后腰骶椎的前10阶固有频率，为避免发生共振，应尽可能的避免在外界环境的振动频率与腰骶椎的固有频率相接近

5、的区域活动。这样更有利于退变性疾病患者的康复。4、通过谐响应分析得出在外界激励下代表性节点的幅频特性曲线。可知在11～13Hz频率范围，每一节点固定后腰骶椎模型的最大振幅均变小，得出经内固定后的腰骶椎对外界振动的敏感性明显减弱，说明内固定系统可以对腰骶椎起到一定的保护作用。本文通过对正常腰骶椎模型和内固定后腰骶椎模型进行静态与动态特性分析，得到内固定系统及其在振动环境下对脊柱的影响，为钉棒系统的改进与完善提供了可参考的理论依据，从而对退变性脊柱疾病的治疗和康复提供具有可靠性的技术支持。关键词：腰

6、骶椎；有限元分析；内固定系统；生物力学；动力学IABSTRACTThevertebralfixationsystemiswidelyusedintheclinicaltreatmentofspinaldeformity,traumaanddegenerativediseasessuchasspinaldisease,however,therearesomeproblemssuchasadjacentsegmentdegenerationandpediclescrewbreakageafterop

7、eration,soitissignificanttostudythebiomechanicsoflumbosacralvertebraeandinternalfixationsystem.Thecurrentresearchoninternalfixationoflumbosacralvertebralmodelmainlyfocusesonstaticanalysis,lackofdynamicperformanceanalysis,throughthedynamicanalysisofth

8、ehumanspine,dynamiccharacteristicsofthespinecanbeobtainedintheconditionofvibration,whichisconducivetotheimprovementofscrewrodsystem,thisisparticularlyimportantforthepreventionandrehabilitationofdegenerativespinaldiseases.ThispaperbasedontheCTimages,t