不同载荷下腰1椎体内应力分布规律的有限元分析

目的:观察腰1(L1)椎体在不同载荷作用下椎体内应力分布情况,探讨其应力分布规律及临床意义.方法:选取1例27岁健康男性志愿者,以层厚1 mm进行T12～L2脊柱节段CT扫描,将原始数据存盘.运用3D软件、Auto CAD系统及ANSYS 6.0有限元软件建立正常人体胸腰段(T12～L2)运动节段的三维有限元模型.在T12椎体上表面施加不同等级的压力(400N、600N、800N、1000N、1200N),模拟脊柱的轴向压缩载荷;在T12椎体上表面施加不同等级压力(400N、600N、800N、1000N、1200N)的同时再施30N·m的弯矩,模拟脊柱的屈曲压缩载荷.将连接L1椎体上下终板凹面最低点的连线7等份,在此基础上将T1椎体中的松质骨划分为7个具有统计节点的层面,每个统计层面划分成9个统计区(椎体前部A1、A2和A3区,椎体中部M1、M2和M3区,椎体后部P1、P2和P3区).测量L1椎体松质骨中间3个层面9个统计区的平均应力值,将9个统计区划分成6个组,分别为Ⅰ组A1、A2、A3,Ⅱ组M1、M2、M3,Ⅲ组P1、P2、P3,Ⅳ组A1、M1、P1Ⅴ组A2、M2、P2,Ⅵ组A3、M3、P3.比较同一等级载荷下9个统计区的应力分布情况,并对6个组内的松质骨应力值进行两两配对t检验,分析L1椎体内不同载荷作用下应力分布情况.结果:轴向加载时同一等级载荷下,Ⅲ组内P2松质骨平均应力值与P1、P3比较,Ⅳ组内P1与A1、M1比较,Ⅴ组内P2与A2、M2比较,Ⅵ组内P3与A3、M3比较,差异均有统计学意义(P＜0.05);而Ⅰ组、Ⅱ组内的数据经两两比较均无统计学差异(P＞0.05);椎体后部P区(P1,P2,P3)的应力值与M区、A区比较最大,其中P2区应力最大.屈曲加载时同一等级载荷下,Ⅰ组内A2与A1、A3比较,Ⅱ组内M2与M1、M3比较,Ⅲ组内P2与P1、P3比较,Ⅳ组内A1与M1、P1比较,Ⅴ组内A2与M2、P2比较,Ⅵ组内A3与M3、P3比较,差异均有统计学意义(P＜0.05);Ⅰ组内A1与A3比较,Ⅱ组内M1与M3比较,Ⅲ组内P1与P3比较,Ⅳ组内M1与P1比较,均无统计学差异(P＞0.05);椎体前部A区(A1,A2,A3)的应力值与M区、P区比较最大,A2区应力最大.结论:L1椎体在不同载荷作用下,松质骨内存在着应力分布的集中趋势;轴向加载时应力集中的部位靠近椎体后缘中央,屈曲加载时应力集中的部位靠近椎体前缘中央.

Finite element analysis on the stress distribution in the lumbar 1 vertebral boby under different loadings