腰椎L4 双侧9 种对称角度椎弓根螺钉固定应力分析
本小节将探索腰椎L4 双侧椎弓根螺钉固定的9 种不同轨迹（图4.84），6 种活动自由度，即前屈、后伸、左旋、右旋、左侧屈、右侧屈，共54 种情况的应力分析。
L4 椎体下端固定，在椎体上表面施加均匀分布的压应力400N，模拟椎骨在中立位的负载情况。同时椎体上施加20N·m 的力矩，模拟前屈后伸等6 种活动，如图5.109 所示。其中80%（16N·m）施加在椎体上表面，20%（4N·m）施加在关节面上。如图5.109 所示，在每个螺钉头部施加50N 的力模拟螺钉受力，其中前屈时左右螺钉上的力方向向上，后伸时螺钉上的力向下，左旋时螺钉上的力向右，右旋时螺钉上的力向左，左侧屈时左边螺钉上的力向下，右边螺钉上的力向上，右侧屈时与左侧屈相反。
图5.109 螺钉椎体受力图
进入Workbench 后，导入在第4章第7 节利用SOLIDWORKS 软件处理好的L4 椎弓根螺钉后路固定模型→材料赋值，如表5.9 所示→设置接触（均为Bonded 接触）→划分网格，以构建L4 螺钉内固定有限元模型，步骤详见第5章第2 节和第5章第5 节，此处不再赘述。
表5.9 腰L4 后路经椎弓根螺钉内固定材料属性
然后，设置边界条件→求解→获得应力分布结果。本小节主要以中立位螺钉内固定系统为例。
【操作步骤】
1.施加固定约束
右击Mechanical流程树的“Static Structural”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Fixed Support”按钮，并使用选择面按钮选中要固定的L4 椎体下表面。再在参数设置表的“Geometry”单击“Apply”按钮，固定L4 椎体下表面，如图5.110 所示。
2.模拟自重
右击Mechanical流程树的“Static Structural”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Force”按钮，并使用选择面按钮选中L4 椎体上表面。再在参数设置表的“Geometry”单击“Apply”按钮（图5.103）。然后设置“Define By”项为“Components”，并在“Z Component”中输入“-400”，以模拟自重，如图5.110 所示。
3.设置前屈运动下L4 椎体上表面的力矩
右击Mechanical流程树的“Static Structural”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Moment”按钮，并使用选择面按钮选中L4 椎体上表面。再在参数设置表的“Geometry”单击“Apply”按钮。然后设置“Define By”项为“Components”，并在“X Component”中输入“16”（单位为N·m），以模拟前屈时施加在L4 椎体的力矩，如图5.110 所示。
4.设置前屈运动下关节面上的力矩
右击Mechanical流程树的“Static Structural”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Moment”按钮，并使用选择面按钮选中关节面。再在参数设置表的“Geometry”单击“Apply”按钮。然后设置“Define By”项为“Components”，并在“X Component”中输入“4”（单位为N·m），以模拟前屈时施加在关节面的力矩，如图5.110 所示。
5.设置前屈运动下螺钉上的受力
右击Mechanical流程树的“Static Structural”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Force”按钮，并使用选择面按钮分别选中左、右两侧螺钉头部的面。再在参数设置表的“Geometry”单击“Apply”按钮。然后设置“Define By”项为“Components”，并在“Z Component”中输入“50”（单位为N），以设置左、右两侧螺钉头前屈时受向上的50N 的力，如图5.110 所示。
图5.110 前屈边界条件设置
6.应力分析
首先在使用选择体按钮选中螺钉，右击流程树的“Solution”项，在弹出的菜单中选择“Insert”→“Stress”→“Equivalent（von-Mises）”按钮，插入螺钉应力分析。用同样的方法插入椎骨应力。
最后，单击工具栏的“Solve”按钮，计算结果，并记录螺钉和椎骨上的最大应力。
类似地，修改力矩设置，模拟其他体态运动：L4 椎体上表面（16N·m）和关节面（4N·m）的力矩数值始终不变，只是方向改变；每个螺钉上的力大小均为50N，后伸时螺钉上的力向下，左、右旋时螺钉上的力分别向右、左，左侧屈时左边螺钉上的力向下，右边螺钉上的力向上，右侧屈时相反。分析椎骨和螺钉上的最大应力，实验结果如表5.10所示。不同螺钉轨迹下的椎体最大应力如图5.111 所示，不同体态下的椎体最大应力如图5.112 所示。
表5.10 腰L4 后路经椎弓根螺钉内固定椎骨和螺钉最大应力（单位：Mpa）
续表
图5.111 不同螺钉轨迹下的椎骨最大应力
图5.112 不同体态下的椎骨最大应力
由结果可知，螺钉向外5°比螺钉向内5°的椎骨最大应力小，螺钉向下5°比螺钉向上5°的椎骨最大应力小；后伸时的椎骨最大应力大于前屈，左侧屈时椎骨最大应力大于右侧屈，左旋右旋应力大小差别不大；9 种螺钉轨迹中，原始的中立位椎骨L4O体态的最大应力之和最小（实验结果可因中立位螺钉位置不同而存在细微差异）。