半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维矫形有限元模拟分析

背景：对于半脊椎切除后长、短节段和前、后路固定矫形的选择,主要根据医生的临床经验。国内外对于半脊椎所致先天性脊柱侧凸的建模和研究尚未见报道。 目的：运用有限元法模拟半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维矫形,分析半脊椎切除后不同固定方式的矫形效果和生物力学特点。 方法：通过有限元软件,利用基于CT图像建立的个体化半脊椎所致先天性脊柱侧凸三维有限元模型,仿真模拟半脊椎切除、前路或后路螺钉固定三维矫形技术,输出选择前路或后路固定矫形,以及不同节段固定的矫形结果。 结果与结论：顺利完成了模拟操作,半脊椎切除后,后路固定矫形效果好于前路固定矫形,特别是对后凸角的矫正,矫正率均大于50%;后路短节段固定矫形与长节段固定矫形在对脊柱侧后凸矫形效果上相差不大,差异值小于5°。针对该患者的个体化有限元模拟试验表明,在半脊椎切除后,后路短节段固定矫形为较好的治疗方案,能减少固定节段,并可获得满意的矫正率。     

Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型及胸椎钉道导靶3D模型的建立

背景：有研究表明后路矫形内固定及前路矫形内固定对于治疗成人特发性脊柱侧凸均可获得良好的临床效果,但哪一种方法对于Lenke3型成人特发性脊柱侧凸临床效果更佳,椎弓根螺钉发生断裂的风险更小,同时远期疗效更可靠尚无报道。目的：利用有限元分析软件建立Lenke3型成人特发性脊柱侧凸有限元模型,同时建立胸椎钉道导靶3D模型,为其生物力学分析及科学置钉提供科学依据。方法：将1例28岁Lenke3型成人特发性脊柱侧凸志愿者从T₁至骶骨的CT图像以Dicom格式导入Mimics 16.0软件中,通过几何清理建立完整的脊柱侧凸三维模型,于椎体模型上利用Mimics 16.0软件中设计模块建立胸椎钉道导靶。将三维模型点云格式导入Geomagic Studio 11.0软件中,对模型进行一系列图像处理,最后将三维模型导入ANSYS 14.0有限元分软件中建立具有生物性能的有限元模型。结果与结论：成功建立了完整的Lenke3型成人特发性脊柱侧凸三维有限元模型,包括四面体单元440 975个和杆单元 580个,共计441 555个单元,1 077 318个节点。成功建立了12个胸椎的钉道导靶模型包括四面体单元4 682个,7 390个节点,试验建立了外形逼真的Lenke3型成人特发性脊柱侧凸三维有限元模型及其胸椎钉道导靶模型。结果证实,建立的Lenke3型成人特发性脊柱侧凸三维有限元模型,为进一步的生物力学实验提供科学依据,胸椎钉道导靶模型的建立为胸椎椎弓根螺钉置钉提供一种新的科学方法。  中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

三维数字化手术设计在青少年特发性脊柱侧凸个性化手术中应用

目的　探讨青少年特发性脊柱侧凸数字化虚拟手术设计系统建立的方法及其在临床应用中的价值。 方法 选取1例青少年特发性脊柱侧凸患者,经16排螺旋CT扫描获取影像数据。采用Mimics 16.01软件对脊柱侧凸影像数据进行三维重建,并对三维重建模型进行数字化三维测量及置钉手术模拟。测量固定内植物的长度、横径及方向,模拟手术经过并在临床应用中使用术前模拟数据。 结果 重建出青少年特发性脊柱侧凸的三维数字化虚拟可视模型,配准虚拟螺钉和椎弓根-肋骨复合体的位置,使虚拟螺钉不穿透椎弓根内侧皮质及椎体前缘,设定完整的手术方案。利用术前规划方案进行手术,手术置钉效果满意,无螺钉穿透椎体前缘皮质和椎管皮质。 结论 验证了特发性脊柱侧凸手术术前三维数字化手术设计并制定手术方案,可以显著提高手术成功率。     

寰枢椎不稳后路椎弓根螺钉固定的三维有限元分析

目的:建立寰枢椎后路椎弓根螺钉固定系统三维有限元模型,分析寰枢椎后路椎弓根螺钉固定的稳定性。方法:1例寰枢椎不稳标本行后路椎弓根螺钉系统固定,采用螺旋CT扫描,通过工作站将扫描获得的图像导入计算机中,利用ANSYS8.0软件建立寰枢椎不稳三维有限元模型。给予模型加载不同边界条件,模拟寰枢椎的不同运动,分析寰枢椎不稳采用后路椎弓根螺钉固定的稳定性。结果:寰枢椎不稳采用后路椎弓根螺钉系统固定在不同运动状态下应力主要集中在枢椎椎弓根螺钉的根部。前屈运动时,椎弓根螺钉根部的应力为0.350×109Pa,前屈角度为0.7°;后伸运动时,椎弓根螺钉根部的应力为0.427×109Pa,后伸角度为1.2°;侧弯运动时,椎弓根螺钉根部的应力为0.295×109Pa,侧弯角度为0.3°;旋转运动时,椎弓根螺钉根部的应力0.635×109Pa,旋转角度为0.8°。结论:寰枢椎不稳采用后路椎弓根螺钉系统固定具有良好的术后即时稳定性。     

徒手胸椎椎弓根螺钉技术在特发性脊柱侧凸中的临床应用

[摘要]目的 探讨徒手胸椎椎弓根螺钉技术治疗特发性脊柱侧凸的方法、安全性及疗效。方法 对18例特发性脊柱侧凸患者采用全脊柱椎弓根螺钉技术行脊柱侧凸矫形术，通过徒手置钉技术、器械矫形原理对侧凸进行矫形。结果 共置入衍射172枚胸椎椎弓根螺钉，经术后CT检查，除13枚胸椎螺钉通过横突肋骨复合体进入椎体，8枚螺钉穿破椎弓根内侧壁进入椎体外，其余151枚胸椎椎弓根螺钉完全通过椎弓根进入椎体，术前平均冠状位胸主弯Cobb角为（72.80±7.98）°，术后平均Cobb角为（20.85 ±7.25）°，畸形矫正率为71.4%，均未发生神经、血管并发症。结论 徒手胸椎椎弓根螺钉技术治疗特发性脊柱侧凸是一种安全、可靠的置钉方法，值得推广。     

腰椎单侧与双侧内固定后的生物力学特征比较

文题释义： 椎弓根螺钉内固定：主要应用于脊柱退变性疾病,可以在术后维持脊柱的稳定性,促进骨质的融合。对于存在脊柱不稳或者是脊柱骨折的患者,椎弓根钉内固定可以起到复位、维持脊柱稳定性的作用。对于存在脊柱侧弯畸形或者是后凸畸形的患者可以进行矫形。 应力分析：分析机械部件内的应力值和应力分布的方法,在此文中利用该方法分析不同螺钉固定方法对腰椎应力的影响。 背景：椎弓根螺钉固定椎体是目前临床治疗腰椎退行性疾病的主要手段,从生物力学的角度可以很好地评价椎弓根固定系统稳定性,利用有限元分析法进行椎弓根螺钉固定椎体的应力分析成为越来越多研究者的选择。 目的：从生物力学角度分析单侧及双侧椎弓根螺钉固定时人体腰椎弯曲运动时的应力、位移变化,为实际临床应用提供理论借鉴。 方法：基于志愿者腰椎CT数据建立腰椎三维模型,与志愿者签署了知情同意书,且得到医院伦理委员会批准。利用Abaqus软件模拟实际腰椎受力情况,对单侧及双侧椎弓根螺钉固定时腰椎的弯曲运动进行有限元分析,观察2种固定方式下腰椎椎体、椎间盘、椎弓根钉的受力大小和位移情况。 结果与结论：①双侧固定下左侧螺钉受力为22.2 MPa,右侧螺钉受力为21.14 MPa,远远小于单侧固定时螺钉所受应力79.19 MPa;椎间盘在单侧固定下应力值比双侧固定时大87%;椎体在双侧固定时,要比单侧固定所受应力小72%;②从位移情况来看,双侧固定时,螺钉、椎间盘与椎体的位移要比单侧固定分别小53%,55%以及62%;③因此从力学角度分析,双侧椎弓根螺钉固定时受力小,要比单侧固定对人体更加友好,更有利于患者的恢复。 ORCID: 0000-0002-4813-066X(陆向东) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

腰椎间融合后路非对称与对称固定螺钉应力的有限元比较

背景：经椎间孔腰椎间融合非对称固定的生物力学稳定性研究,发现固定效果与双侧椎弓根螺钉接近,可满足临床应用所需生物力学要求。经关节突椎弓根螺钉参与经椎间孔腰椎间融合非对称固定的螺钉力学安全性又会怎样呢？ 目的：建立L₄-₅功能节段左侧经椎间孔腰椎间融合后,分别予以同侧椎弓根螺钉+对侧经关节突椎弓根螺钉、同侧椎弓根螺钉+对侧经椎板关节突螺钉及双侧椎弓根螺钉固定的三维有限元模型,施加相同的载荷,分析不同运动状态下螺钉应力分布特点,比较3种螺钉应力状况。 方法：对一成人正常L₄-₅椎节段标本、椎间融合器、椎弓根螺钉和皮质骨螺钉进行64排螺旋CT 扫描,通过Mimics11.1建立左侧经椎间孔腰椎间融合后3种内固定组合(同侧椎弓根螺钉+ 对侧经椎板关节突螺钉、同侧椎弓根螺钉+对侧经关节突椎弓根螺钉及双侧椎弓根螺钉固定)的几何模型,利用Simpleware3.1软件分别建立三维有限元模型,模拟500 N\6 Nm载荷下前屈、后伸、左\右侧弯、左\右侧旋等6种运动状态,用Abaqus6.8软件进行螺钉应力变化和分布特点分析。 结果与结论：由于经椎间孔腰椎间融合入路切除了左侧关节突,造成内植物应力分布不对称,对弹性模量大的内固定器械—椎弓根螺钉应力影响最大,尤其是在左旋运动时。在不对称组合内固定中,由于关节突关节螺钉的使用,使对侧椎弓根螺钉应力相应增加,以左旋运动时尤为明显,但关节突关节螺钉断裂的危险性增高不明显。提示为降低螺钉断裂的风险,经椎间孔腰椎间融合后路3种组合内固定均应严格限制旋转运动,尤其是关节突切除侧的旋转运动。     

胸腰椎骨折有限元后路矫形复位椎弓根螺钉内固定方案优选分析

目的:采用有限元分析的方法对脊柱胸腰椎骨折术后的不同内固定方式进行优选分析,获得数据分析结果,继而验证临床治疗方案的有效性,具有高度的拟真性和可重复性.方法:采用健康志愿者胸腰椎CT平扫获得的数据,在计算机内采用MINICS软件进行有限元模型重建.使用几何修剪法获得脊柱胸腰椎骨折模型及复位模型,按照临床常用的后路矫形复位内固定方案装配上后路椎弓根螺钉系统.分别对不同运动状态进行生物力学分析,优选出最佳方案.结果:3种不同内固定状态下椎弓根螺钉系统上的应力云图及位移云图均得分析,其中后路经伤椎椎弓根螺钉固定的六钉两棒固定法具有明显的优势(P＜0.05).结论:有限元分析方法优选脊柱外科最佳手术方案已经成为目前数字化医学的发展方向之一,为临床诊疗提供充分的数据支持,为个体化设计及手术方案的制定提供了充足的证据.     

术中锥束CT辅助下脊柱侧凸畸形椎弓根螺钉置入的精确性及安全性

目的评估术中锥束CT辅助下脊柱侧凸畸形矫形椎弓根置钉的精确性和安全性。方法收集2014年3月至2017年3月在我院行手术治疗的28例脊柱侧凸畸形患者,术中行锥束CT扫描观察椎弓根螺钉位置和椎弓根破坏情况,术后复查传统CT评价螺钉植入的精确性及安全性。结果 28例脊柱侧凸畸形患者均顺利完成手术,共置入椎弓根螺钉总数为402枚;根据Gertzbein-Robbins分级:0级377枚,1级13枚,2级8枚,3级4枚,4级0枚;术中根据锥束CT扫描图像进行位置修正的螺钉共64枚,术后无患者出现神经及血管损伤症状。结论术中锥束CT扫描能够提高脊柱侧凸畸形矫形手术中的椎弓根置钉的精确性,减少术中神经损伤等并发症的发生。     

两种内固定物置入增强前路椎间融合后腰椎即刻稳定性的差异

背景:腰椎前路自锁定椎间融合器SynFix-LR与前路钢板和后路椎弓根螺钉比较,其操作更简单、创伤更少,而且其前方0切迹设计降低了血管损伤的风险。如果前路椎间融合后以SynFix-LR固定与后路椎弓根螺钉固定在生物力学上相似,那么在避免后路手术入路的情况下就可以达到同样的脊柱稳定的效果。目的:比较前路椎间融合后以前路自锁定椎间融合器固定和后路椎弓根螺钉固定后腰椎即刻稳定性的差异。方法:选用15具新鲜小牛腰椎标本,模拟临床建立前路椎间融合后SynFix-LR固定模型和后路椎弓根螺钉内固定模型,在脊柱三维运动测试机上测试两种内固定模型生物力学特性上差异。结果与结论:行单纯前路椎间融合后,腰椎的稳定性比完整标本有明显的下降。以SynFix-LR固定和后路椎弓根螺钉固定都能有效地增加腰椎前路椎间融合的初始稳定性,而且两种固定增加脊柱稳定性的效果之间在统计学上没有显著性区别,因此认为SynFix-LR是较理想的前路椎间融合固定器械,可以在一定范围内用于临床。     

以三维有限元分析两种方法L4/5椎间融合后的螺钉应力

背景：作者未查及使用三维有限元方法分析椎弓根螺钉内固定并自体髂骨植骨或椎间融合器植骨后螺钉应力情况的相关报道。 目的：在L₄~L₅节段有限元模型上建立椎弓根螺钉内固定并椎间双枚椎间融合器置入和椎弓根螺钉内固定并椎间自体髂骨植骨的模型,分析两种不同方法植骨后螺钉的应力分布情况。 方法：选择1名健康男性,年龄20岁,借助CT扫描和有限元软件,建立L₄~L₅节段的三维有限元模型。在验证有效的模型上建立后路椎弓根钉棒系统内固定+双枚椎间融合器植骨模型(模型A)和后路椎弓根钉棒系统内固定+椎间自体髂骨植骨有限元模型(模型B),然后在各模型上分别施加载荷,观察螺钉应力分布情况。 结果与结论：建立两种不同后路内固定并植骨融合术式三维有限元模型,在不同载荷情况下,发现模型B螺钉应力值均大于模型A,且差异具有显著性意义(P < 0.05),差值最大部位为螺钉尾部。结果提示后路椎弓根钉棒系统内固定+椎间自体髂骨植骨后更容易出现椎弓根螺钉断裂情况。     

TLIF后路不同的内固定方式生物力学特性的比较分析

目的　比较3种不同后路经腰椎间孔椎间融合（transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF）内固定方式的生物力学特性。 方法　建立正常L3~5有限元模型,在验证其有效性基础上模拟3种不同TLIF后路内固定方式即：单侧或双侧椎弓根螺钉内固定组（Model A和Model B）、单侧+对侧关节突螺钉固定组Model C。分别比较其在生理活动范围（Range of the motion, ROM）下模型的稳定性以及内植物的应力差异。 结果　对所有重构模型,在融合节段（L4~5）的ROM均显著下降,其中以Model B下降最多,屈伸活动减少达18.2%;内植物最大应力出现在Model C,左侧弯时达234.9 MPa;Model B的cage最大应力最小。 结论　后路双侧椎弓根螺钉固定能获得最佳稳定性,且能降低cage下沉及移位的风险;单侧+对侧关节突螺钉亦能提供较好良好的稳定。     

基于有限元分析腰椎内固定的生物力学特征

BACKGROUND: Posterior lamina resection often causes loss of spinal stability, so screw rod internal fixation technology is needed to maintain the stability of lumbar spine. Finite element analysis can be used to simulate the stress distribution of the spine and internal fixation system after spinal surgery. OBJECTIVE: To build three-dimensional finite element model of spinal L1 to L3, analyze the spinal stability and stress distribution after the total laminectomy and insertion of bilateral pedicle screw using finite element method. METHODS: L1-L3 CT data could be collected from an adult healthy male volunteer. Mimics14.01, 3-matic(V6.0) and Ansys 15.0 could be used to set up the intact lumbar spine finite element model of L1-L3 (group A), the L1-L3 finite element model after L2 total laminectomy (group B), and the finite element model of L2 total laminectomy and insertion of bilateral pedicle screw (group C). We used software to simulate flexion, extension, lateral bending and axial rotation, and three kinds of models received finite element analysis. RESULTS AND CONCLUSION: (1) Based on the maximum of Von Mises under different motion states, the maximum stress was significantly lower in group A than in group B (P < 0.05). The maximum stress was significantly lower in group B than in group C (P < 0.05). (2) Based on the total deformation under different motion states, the total deformation was significantly lower in group A than in group B (P < 0.05). The total deformation was significantly lower in group C than in groups A and B (P < 0.05). (3) After the total laminectomy, vertebral body stress increased, especially in the lamina, pedicle and joints. The range of motion of the vertebral body increased, which influenced the stability of the vertebral body. Internal fixation could decrease range of motion. Stress concentrated on the screw. Stress on the vertebral plate and pedicle decreased. The stability of vertebral body increased. Excessive stress concentrated on screw system will increase the risk of screw breakage.      

Comparison of cage application modality in posterior lumbar interbody fusion with posterior instrumentation—A finite element study

BackgroundPosterior lumbar interbody fusion (PLIF) cages have achieved satisfactory fusion results, but cases of cage migration or mechanical failure were repeatedly reported. Therefore, we conducted a finite element study to determine the impact of cage applications including number, positioning, and adding posterior instrumentation (PI).MethodsA finite element model of the lumbar spine was generated from Computer Tomography scans and was validated. Partial laminectomy, diskectomy with partial facetectomy, and single or double-cage insertion were simulated onto the model, with or without posterior pedicle screws instrumentation. The maximal von Mises stresses between different loading conditions were compared between modalities to evaluate the risks of migration or mechanical failure.ResultsPosterior instrumentation decreases at least half the distortion stress of cage–endplate interface and facet joints, and diminishes the differences between the stresses of inserting one or two cages. Based on one cage insertion, adding posterior instrumentation provides more efficient stability than an additional cage. Furthermore, an obliquely inserted cage with posterior instrumentation produced lower stress than a cage inserted on one side due to better structural symmetry. Conclusively, one oblique anterior cage and bilateral posterior pedicle screws reconstructed the tripod system as the intact disc and facet joints, and provided similar stability as two cages did.     

新型关节突钉板系统联合单侧椎弓根螺钉固定的生物力学研究

目的研究经椎间孔入路椎体间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)结合新型关节突钉板系统(articular process fixation system,APFS)的腰椎稳定性。方法在已验证的有限元模型L3～S1完整节段(模型A)上,模拟TLIF手术,建立双侧椎弓根螺钉固定TLIF模型(模型B)、右单侧椎弓根螺钉固定TLIF模型(模型C)、APFS联合右侧椎弓根螺钉固定TLIF模型(模型D)。观察不同工况下腰椎模型的活动度(range of motion,ROM)以及椎弓根螺钉、APFS、椎间融合器应力分布情况。结果不同工况下,模型B、C、D整体ROM相当,均小于生理状态模型。模型D与模型B、C相比,右侧椎弓根螺钉及椎间融合器最大压应力在不同工况下最小或介于模型B、C之间。模型D在前屈状态下APFS及右侧椎弓根螺钉应力峰值均最大。结论 APFS联合对侧椎弓根螺钉固定可作为腰椎TLIF手术的一种新型固定方式。     

下颈椎三节段全椎板切除与侧块螺钉内固定三维有限元模型的建立

背景：随着颈椎后路手术技术的日益完善,侧块螺钉内固定技术已被广泛应用于颈椎的重建稳定性手术之中。然而,当前对于侧块螺钉内固定系统重建颈椎稳定性的有限元研究却很少。 目的：建立精细下颈椎(C3-C7)及三节段全椎板切除后应用侧块螺钉内固定重建的三维有限元模型,对重建后的下颈椎及内固定进行生物力学分析。 方法：采集1例30岁正常女性志愿者行全颈椎CT,得到Dicom数据集。应用Mimics 10.01、Geomagic Studio12.0、Solidworks2012、HyperMesh10.1、Abaqus 6.12软件建立下颈椎(C3-C7)完整模型、全椎板切除模型以及侧块螺钉内固定系统重建模型。分析重建模型在前屈、后伸、侧弯和旋转运动状态下的应力变化情况。 结果与结论：所建下颈椎有限元模型结构精细,外形逼真,共包含503 911个四面体单元,93 390个节点,并通过有效性验证。在软件中完成模拟手术过程,最终得到侧块螺钉内固定重建模型。侧块螺钉内固定系统对全椎板切除模型具有良好的稳定性,重建后颈椎的活动度远低于完整模型,且后伸时侧块螺钉内固定系统的应力最为集中。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

椎弓根置钉固定联合填充材料修复腰椎骨折

背景：传统的跨节段椎弓根螺钉内固定会引发后凸畸形和丢失矫正角度等并发症,而伤椎椎弓根置钉固定改善了传统后路置钉技术的不足,联合填充材料治疗腰椎骨折取得较为理想的恢复效果。 目的：探讨椎弓根置钉联合填充材料在腰椎骨折治疗中的临床应用价值。 方法：回顾性分析椎弓根置钉联合填充材料修复腰椎骨折患者的临床资料,分别实施椎弓根置钉联合植骨/骨水泥进行修复。观察患者术后伤椎椎体前后缘高度比值及后凸Cobb角变化情况,并进行随访比较。 结果与结论：椎弓根置钉联合填充材料具有很多优点,在治疗腰椎骨折上取得了不错的效果,但随着更广泛的应用也呈现出一些问题及争论,临床医生应更加重视手术适应证的选择、围手术期和远期并发症的防治,以及术后骨质疏松症的治疗。伤椎椎弓根置钉固定技术联合磷酸钙骨水泥有广阔的应用前景,能够维护脊柱复位效果,值得在腰椎骨折的临床治疗中大力推广。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程      

棘突间融合装置联合椎体间融合对下腰椎稳定性影响的三维有限元研究

目的探讨棘突间融合装置联合椎体间融合时对下腰椎稳定性的影响。方法在健康成年男性L4-5节段CT扫描图像的基础上,利用软件Simpleware4.2、GeomagicStudio10.0及Abaqus10.0建立L4-5有限元模型(INTACT)。验证模型有效性后建立单侧椎弓根螺钉固定联合椎间融合(UPS)、双侧椎弓根螺钉/钛棒固定联合椎间融合(BPS)和棘突间融合装置固定联合椎间融合(ISF)三种手术模型。对各模型实加500N预载荷的同时以2N.m为间隔,自2N.m开始逐级累加至最大10N.m,观测其应力分布、相邻节段的角位移。结果各工况下三种手术组的角位移(ROM)均较INTACT组明显减小,减小的程度BPS最高,而ISF除右侧弯方向上均高于UPS;三种手术组范氏应力云图显示,BPS组与ISF组相似,UPS组存在较高的应力集中,范式应力峰值无论在椎间融合器还是在内固定器械上由大到小依次均为:UPS>ISF>BPS。结论 ISF联合椎间融合能够为下腰椎脊柱重建提供适度且足够的稳定性,因而可以为下腰椎退行性疾病的治疗提供一种新内固定选择。