骨质疏松症已经成为了中老年人中的常见病,骨质疏松的患病率随着年龄的增长也在逐渐增加。而由于人们对骨量流失认识的不足以及并不是所有城市的医院都具备齐全的医疗诊断设备,骨质疏松患者往往会错过预防和治疗的最佳时期。所以研究特定骨质疏松时期椎体的受力及骨质疏松椎体对内固定系统的应力分布,对指导临床实践具有较大的实际意义。本论文基于三维有限元方法对正常骨量模型和骨质疏松模型展开研究,利用三维有限元的方法分析正常骨密度、骨质疏松胸椎模型,为进一步研究经椎弓根后路固定的螺钉生物力学稳定性建立可靠有效的参考,并且能够为以后椎弓根螺钉的设计提供参考。本实验研究的是,在已经建立好的两种不同骨量模型中以同一种置钉方式对其进行固定,探讨中等程度的骨量流失对胸椎后路经椎弓根螺钉的内固定系统生物力学稳定性的影响。分析椎体、椎间盘、内固定器械的应力分布以及椎体在螺钉拔出时的应力变化,为临床椎弓根螺钉的使用提供参考。本次研究的主要研究工作包括:(1)本课题重建了四种模型,分别是:(A)正常胸椎T7-T9节段;(B)骨质疏松性胸椎T7-T9节段;(C)正常骨量模型植入经椎弓根固定的内固定系统;(D)中等程度的骨质疏松模型植入经椎弓根固定的内固定系统。(2)对模型进行力学实验,分别选择参考点和选择模型中T7的上表面,将该表面耦合到参考点,然后在实验中四种模型的参考点处添加150N的力模拟人体上半身的体重,并且根据右手螺旋定则对模型添加5Nm运动扭矩,来模拟椎体前屈、后伸、左右侧弯、左右中心轴向旋转六种运动状态,分别计算得出模型的应力分布,运动最大位移和最大运动角度。本实验的每个模型都建立了超过870000个单元和超过190000个节点,通过与国内外文献报道中的有限元模型及实体实验数据对比,验证了重建模型的有效性。(3)以三维有限元的方法对正常人体骨骼和骨质疏松骨骼进行受力分析,并分别对其模拟植入椎弓根内固定系统,比较两类模型在位移、运动角度、最大受力及骨质疏松骨骼较正常骨骼与内固定螺钉的把持应力的大小变化。其中模型A和模型C为对照组,模型B和模型D为实验组。比较正常模型和骨质疏松模型的六种运动状态可知,骨质疏松模型的最大位移均较正常模型的最大位移有了大于20%的提高,其中变化幅度最大的是后伸运动状态下,骨质疏松模型比正常胸椎模型的最大位移提高了58.46%。模型D比模型C的最大位移变化量在右侧弯运动状态下最小,变化率为14.24%,另外,前屈后伸的运动位移变化率要明显高于左右中心旋转的位移变化率。比较正常骨密度的两种模型可知,植入内固定系统的运动位移下降幅度在58.07%~83.37%,说明植入内固定对椎体模型有了一个明显的固定作用。比较四个模型的最大应力,骨质疏松模型的最大应力在前屈、后伸、左侧弯和右中心旋转四个运动状态下应力有了不同程度的升高,而比较两个植入内固定的模型,骨质疏松椎体植入内固定的模型在除了右侧弯和前屈运动状态下,其余四种运动状态下的最大应力均有了小幅度升高,其中应力变化率变化最不明显为后伸运动状态下,最大运动应力提高了4.07%。对于中等程度的骨质疏松型患者,较正常患者来说,应力及位移有了一个很大变化,随着骨量的丢失,椎体对螺钉把持力下降。本实验分析的椎弓根钉拔出时椎体和椎弓根钉的应力分布,也证明了骨密度的大小与椎弓根钉拔出力的大小具有很明显的关系,椎弓根钉棒内固定系统植入之前应该对患者进行骨密度测量以决定是否适合植入内固定系统的必要性。拔出应力实验结果表明,受到外力使螺钉松动时,螺钉尾部应力最强,应力从螺钉尾端向螺钉椎体与椎弓根螺钉尾部结合处会首先有断裂的风险。