腰椎单双侧椎弓根螺钉固定后的有限元分析比较

 目的  建立两节段L3、L5三维有限元模型,并分别行L3、L5两节段单双侧椎弓根螺钉固定,用三维有限元法分析固定后螺钉的应力分布特点。方法  收集人正常 L3、L5 节段的 CT 扫描数据,利用Scan IP等软件建立人正常 L3、L5 三维有限元模型(INT),并在此基础上分别建立L3、L5单侧椎弓根螺钉内固定模型(unilateral pedicle screws,UPS)及双侧椎弓根螺钉内固定模型(bilateral pedicle screws,BPS)。 并于L3 上表面施加 500 N 预载荷,再施加 8 N·m 的力矩模拟腰椎前屈、后伸、侧屈及旋转等生理活动,观察不同工况下两种模型中椎弓根螺钉应力分布情况。结果  由应力分布图可知,两种模型椎弓根螺钉所受应力主要集中在椎弓根螺钉根部、钉棒连接处;相比于上下螺钉,中间椎弓根螺钉基本不受应力;下位椎弓根螺钉承受较高应力。在各个工况下,单侧椎弓根螺钉内固定组最大应力值都高于双侧椎弓根螺钉内固定组。结论  模拟邻近两节段内固定后正常生理活动时,下位椎弓根螺钉钉棒连接处承受较大应力,易发生断裂,且单侧置椎弓根钉相比于双侧置椎弓根钉,在各个状态下内固定承受更大应力,发生内固定断裂失败等风险较大。     

两种不同经椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段椎体压缩骨折的生物力学研究

目的：运用有限元分析的方法,探讨两种不同椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段椎体压缩骨折的应力情况,为临床选择有效的内固定方法提供理论依据。方法：选取一无慢性腰背痛及胸腰椎外伤史的青年志愿者,利用CT扫描的Dicom数据图像和simpleware5．0软件建立T12L2椎体三维模型,模拟L1椎体骨折,并分别模拟后路短节段椎弓根钉固定（PF）和联合伤椎置钉固定两种治疗方法,将两种模型分别导入Abaqus6．9有限元分析软件,加载750N压力,模拟人胸腰部正常生理压缩状态下,比较两种模型在不同生理活动下两种方法固定后椎体结构和内固定器械的应力分布情况。结果：两组固定模式各种载荷下的应力均集中在螺钉根部。伤椎置6钉固定组螺钉应力较跨节段4钉固定组小（P〈0．05）。结论：在压缩状态下,短节段固定组的应力明显增加,与伤椎置钉组螺钉相比具有统计学差异;而连接棒的应力没有明显改变,二者相比没有统计学差异。因此短节段固定组可能会进一步导致内固定的失效。     

TLIF单双侧椎弓根螺钉固定融合前后的有限元分析

目的 探索经椎间孔腰椎椎间融合术(TLIF)单双侧椎弓根螺钉固定方式在椎间植骨融合前后存在的差异.方法 基于正常人L3~5节段的CT扫描数据建立人正常L3~5三维有限元模型(INT )和 TLIF手术模型 ,并在此基础上构建椎间融合前单侧和双侧椎弓根螺钉固定模型(M1和M2) ,以及椎间融合后单侧和双侧椎弓根螺钉固定模型(M3和M4).在设定的加载和边界条件下 ,模拟腰椎前屈、后伸、侧屈及旋转运动 ,并记录L4~5节段角位移和内植物应力分布情况.结果 单侧和双侧椎弓根螺钉固定模型在融合前均较完整状态减少了节段的活动度 ,双侧固定减少幅度更大 ,而融合后这种差异明显缩小.融合前单侧固定的钉棒系统Von Mises应力峰值明显高于双侧固定 ,而融合之后二者应力峰值趋于一致.结论 融合后单侧固定可以提供和双侧固定一致的节段稳定性 ,T L IF手术应用单侧椎弓根螺钉固定的远期临床效果与双侧固定相似.     

椎弓根皮质劈裂经伤椎置钉内固定的生物力学研究

目的 探讨椎弓根皮质劈裂对椎体骨折内固定稳定性生物力学的影响,通过生物力学测试对椎弓根皮质劈裂后不同伤椎置钉方式的螺钉内固定稳定性进行评价.方法 取新鲜小牛胸腰段（T11～L3）标本36具,随机分为4组,分别为A、B、C、D组.A组为椎弓根皮质完整组,B、C、D组均为椎弓根皮质破裂组.4组标本于L1椎体上制作单椎体压缩骨折模型,然后对B、C、D3组T12胸椎任意一侧椎弓根行外侧1/4切除,作为椎体压缩骨折合并椎弓根皮质劈裂模型.A、B组均为四钉组,C组为经与劈裂椎弓根同侧的伤椎椎弓根置入一钉组（5钉组）;D组为经伤椎置入两钉组（6钉组）.各组标本行相应螺钉固定,然后在HY-3080微机控制电子万能材料试验机上以500N的载荷对4组标本均进行10000次疲劳试验,分别测量疲劳试验后4组标本的轴向压缩刚度、T12椎体椎弓根劈裂侧螺钉拔出力的大小及4个方向的活动范围,比较4组的差异.结果 与B组比较,A、C、D3组的模型刚度和最大拔出力均高于B组（P＜0.05）;B组模型在屈伸、侧弯4个方向的运动范围（ROM）均明显高于A、C、D3组（P＜0.05）.C、D两组模型刚度大于A组（P＜0.05）;C、D两组模型在屈伸、侧弯4个方向的运动范围（ROM）及螺钉最大拔出力均低于A组（P＜0.05）.C组各个检测指标与D组比较差异均无统计学意义（P＞0.05）.结论 椎弓根劈裂将严重影响椎体骨折内固定的稳定性,经伤椎置钉可以明显提高劈裂椎弓根内固定的稳定性.     

伤椎椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段椎体压缩骨折的三维有限元分析

目的：构建脊柱胸腰椎单纯压缩性骨折的三维有限元模型,探讨伤椎椎弓根螺钉内固定治疗胸腰段椎体压缩骨折的应力情况,为临床选择有效的内固定方法提供理论依据。方法：选取一无慢性腰背痛及胸腰椎外伤史的青年志愿者,利用CT扫描的Dicom数据图像和Simpleware5．0软件建立T12-L2椎体三维模型,模拟L1椎体骨折,并分别模拟联合伤椎置钉固定（有横连和无横连）两种治疗方法,将两种模型分别导2kAbaqus6．9有限元分析软件,加载750N压力,ION·m扭矩载荷。结果：在轴向压缩状态下,腰椎骨折内固定后的应力分布发生变化,钉棒系统成主要应力集中部位。钉棒系统有无横连差异无统计学意义（P〉0．05）。在扭转状态下,横连系统的应力主要集中在连接杆上,而无横连的应力主要集中在钉棒系统下段螺钉上,钉棒系统有无横连差异有统计学意义（P〈O．05）。在屈曲状态下,应力主要集中在钉棒系统下段螺钉上,钉棒系统有无横连差异有统计学意义（P〈0．05）。结论：有横连的六螺钉椎弓根螺钉系统置入可以优化内固定的载荷,减少断钉率。     

基于有限元的椎弓根螺钉结合两种材质椎间融合器治疗腰椎滑脱症的生物力学特性研究

目的 通过有限元分析方法评估椎弓根螺钉结合两种材质椎间融合器在治疗腰椎滑脱症中的生物力学性能。方法 选取健康男性志愿者1名,使用螺旋CT扫描脊柱L4～L5节段,采用Mimics和Geomagic软件对CT图像进行三维模型重构并导入有限元分析软件ANSYS 12.0建立正常L4～L5节段三维有限元模型（INT）。在此基础上,模拟两种材质融合器结合椎弓根钉固定的模型,双侧椎弓根螺钉+Ti(钛)椎间融合器（M1）,双侧椎弓根螺钉+ PEEK(聚醚醚酮)椎间融合器（M2）。对模型施加400N预载荷,运动附加力为6 N·m,定义模型约束和载荷条件后,在腰椎前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转六种工况下计算L4～L5节段角位移及椎弓根螺钉和融合器所受应力。结果 M1,M2在各种工况的角位移均小于INT。应力实验中,M1融合器应力峰值在各种工况下均高于M2。后伸位时,M1与M2的螺钉及椎间融合器的应力峰值较其他工况小。结论 椎弓根内固定可以提供融合节段足够的稳定性。对于融合节段在椎弓根钉提供相同稳定性的条件下,PEEK材质融合器应力峰值均较Ti材质融合器小,PEEK材质融合器发生沉降及移位的可能性低于Ti材质融合器,所以其融合率相对较高。后伸位时所受应力较小,由此推测后伸位为较稳定的位置。     

下颈椎前路椎弓根螺钉置入的实验研究

目的 探讨下颈椎前路椎弓根螺钉置入技术的可行性.方法 取18具成人尸体正常颈椎标本,剔除其周围软组织至清楚显露椎体前壁.CT扫描后,用Mimics软件重建三维模型,并测量C3～C7个体化置钉参数,包括进钉点(即椎弓根中轴线在椎体前壁投影点)、置钉方向(螺钉在横断面和矢状面上的倾斜角度)以及螺钉长度.严格按照测量结果,直视下置入椎弓根螺钉.术后作CT扫描,评价置钉效果.结果 进针点:C3、C4位于置钉椎弓根对侧,正中矢状面旁2～3 mm,距上终板6～7 mm;C5～ C7与置钉椎弓根同侧,其中C5位于正中矢状面旁1～2 mm,距上终板7.0～7.5 mm,C6、C7则为4～5 mm和7.5 ～8.5 mm.置钉方向:理想角度在C3、C4为外倾角46°～47°,头倾角-11°～-7°;在C5外倾角约48°,头倾角接近0°;C6、C7为36°～40°和8～13°.螺钉长度:可选择28、30、32 mm,其直径为3.5 mm.本组共置钉144枚.术后CT示,全部螺钉均经椎体前方置入椎弓根内抵达侧块.其中,有16枚胀破椎弓根外侧皮质,3枚穿破外侧皮质(均发生在C3、C4节段).结论 下颈椎前路椎弓根螺钉置入技术是可行的.     

经伤椎置钉对椎弓根皮质劈裂合并椎体骨折的生物力学稳定性的影响

目的 探讨椎弓根皮质劈裂对椎体骨折内固定生物力学稳定性的影响,评价椎弓根皮质劈裂后不同骨折椎体置钉方式对椎体生物力学稳定性的影响。方法 取新鲜成年绵羊胸腰椎脊柱标本(T13~L3)36具,采用随机数字表法分为4组,分别为A、B、C、D组,每组9具。采用Chiba法在4组标本的L1椎体建立压缩性骨折模型。4组均采用在骨折椎体上下临近椎体置入4个椎弓根螺钉内固定;在此基础上,C组经骨折椎体置入1个椎弓根螺钉,D组经骨折椎体置入2个椎弓根螺钉。内固定后切除B、C、D组T14椎体左侧椎弓根外侧1/4,建立椎体压缩性骨折合并椎弓根皮质劈裂模型。以(300±105)N的载荷对4组模型进行10 000次循环加压,比较4组模型的轴向压缩刚度、T14椎体椎弓根劈裂侧螺钉拔出力及4个方向的活动范围。结果 A、C、D组的轴向压缩刚度和最大螺钉拔出力均显著大于B组(P均=0.000),B组模型在屈伸、侧弯4个方向的运动范围均显著高于A、C、D组(P均=0.000),C、D组的轴向压缩刚度、最大螺钉拔出力均显著大于A组(P均=0.000),C、D组在屈伸、侧弯4个方向的运动范围均显著低于A组(P=0.002,P=0.005),C组各个检测指标与D组比较,差异均无统计学意义(P均>0.05)。结论 椎弓根皮质劈裂影响椎体骨折内固定的稳定性,经骨折椎体置入螺钉内固定能提高劈裂椎弓根内固定的稳定性。     

胸腰椎经椎弓根内固定置钉位置不佳原因分析

目的分析胸腰椎经椎弓根内固定置钉位置不佳穿破骨壁的原因。方法对行椎弓根螺钉内固定手术术中探察、X线监测发现置钉位置不佳者18例,按穿破骨壁部位不同分析原因。结果18例患者中外侧壁穿破7例,内侧壁穿破3例,下侧壁穿破3例,穿破椎体前壁1例,进入上方椎间隙4例。结论脊柱先天畸形、退变、骨折、腰椎滑脱或脊柱侧凸等病变导致椎弓根局部解剖变异或不易辨认,术者未注意个体化、穿刺精度不高以及对经椎弓根穿刺时脊柱生物力学变化理解不够是置钉位置不佳的主要原因。     

经椎间孔腰椎椎间融合术后椎体应变分布特点研究

目的 分析经椎间孔腰椎椎间融合术(TLIF)双侧椎弓根螺钉内固定后的节段稳定性和椎体应变分布特点.方法 选用10份小牛脊柱(L3 ～6)标本进行生物力学测试,于L4椎体两侧粘贴电阻应变片.在屈伸、侧弯、旋转方向对标本施加5.0Nm的纯力矩,记录完整模型和TLIF手术固定模型前屈及侧弯运动下的应变数据,同时记录固定节段三维运动数值.结果 固定状态较完整状态显著减少了固定节段的活动范围(P＜0.01).在完整状态和固定状态下,侧弯运动时的椎体前柱皮质应变分布显著高于前屈状态(P＜0.01);在前屈和侧弯运动中,椎弓根螺钉固定后应变较完整状态显著减少43.20％和47.20％ (P＜0.05).在固定状态下,椎体右侧应变分布在前屈运动中高于椎体左侧应变分布(P＜0.05).结论 椎弓根螺钉固定可以实现TLIF模型的即刻稳定性,椎体前柱皮质骨应变分布受内固定影响发生明显改变.     

Pedicle screw fixation with kyphoplasty decreases the fracture risk of the treated and adjacent non-treated vertebral bodies: a finite element analysis

Adjacent vertebral fractures are common in patients with osteoporotic vertebral compression fractures (OVCFs) after kyphoplasty. This finite element study was to examine whether short segment pedicle screw fixation (PSF) with kyphoplasty may decrease the fracture risk of the treated and adjacent non-treated vertebrae after kyphoplasty for OVCFs. By simulating cement augmentation with or without short segment pedicle screw fixation (PSF), two tridimensional, anatomically detailed finite element models of the T10–L2 functional spinal junction were developed. The insertion of pedicle screws into the intact vertebra apparently decreased the stress distribution of the treated vertebra in vertical compression and other load situations. The stress distribution in the bone structures of the intact vertebra adjacent to the intact-screwed vertebra was much less than that in the one adjacent to the treated vertebra. The insertion of pedicle screws into the intact vertebra greatly decreased the maximum displacement of the cortical bones and cancellous bones of the vertebrae. Our results indicated that short segment PSF with kyphoplasty may decrease the fracture risk of the treated and adjacent non-treated vertebrae in the management of OVCFs.     

A finite element analysis of the pelvic reconstruction using fibular transplantation fixed with four different rod-screw systems after typeⅠresection

Background The pelvis often needs to be reconstructed after bone tumor resection. A major challenge here for the orthopedic surgeons is to choose a method that gives the best performance which depends upon its biomechanical properties. In this study, a 3-dimensional finite element analysis （FEA） was used to analyze the biomechanical properties of reconstructed pelvis using fibula transplant fixed by four commonly used rod-screw systems.
Methods A total pelvic finite-element model including the lumbar-sacral spine and proximal femur was constructed based on the geometry of CT image from a healthy volunteer. Three-dimensional finite element models of different implants including fibula, rod and screw were simulated using ways of solid modeling. Then various reconstructed finite element models were assembled with different finite element implant model and type Ⅰ resected pelvic finite element model. The load of 500 N was imposed vertically onto the superior surface of L3 vertebral body, and the pelvis was fixed in bilateral leg standing positions. FEA was performed to account for the stress distribution on the bones and implants. The pelvis displacement of the different rod-screw fixation methods and the maximum equivalent stress （max EQV） on all nodes and element were figured out to evaluate the advantages and disadvantages of different reconstructive methods.
Results Stress concentration in the fibula transplant was extremely high in the reconstructed pelvis, but could be substantially decreased by internal fixation, which partially transferred the stress from the fibula to the rod-screw systems. High stress concentration was also found in the implants, especially in the connection sites between screw arid rod. Among the four methods of fixation, a double rod system with L5-S1 pedicle and ilium screws （L5-S1 HR） produced the best performance： least stress concentrations and least total displacement.
Conclusion According to the stability and stress concentration, the method of L5-S1 HR fixation     

胸腰段脊柱骨折经伤椎椎弓根钉固定治疗体会

目的总结胸腰段脊柱骨折经伤椎椎弓根钉固定的临床效果。方法从2008年2月～2011年2月共对60例胸腰段脊柱骨折患者行后路手术治疗,年龄20～72岁,平均39.6岁,男51例,女9例。其中跨伤椎固定38例,经伤椎固定置钉22例。结果本组所有患者均获得随访,随访时间12～36个月,平均20个月。通过对两种手术方法术前术后的伤椎椎体前缘与后缘高度比值和矢状位后凸Cobb角比较,显示经伤椎椎弓根钉固定后,椎体高度恢复和矫正后凸畸形效果好于跨伤椎组(P<0.01)。经伤椎组无内固定松动断裂现象,跨伤椎组发生断钉1例,松动1例。结论胸腰段脊柱骨折行后路椎弓根钉固定是一种有效治疗方法,经伤椎椎弓根钉固定较跨伤椎椎弓根钉固定有较好的复位和固定效果。     

Study of Bone-screw Surface Fixation in Lumbar Dynamic Stabilization

Background:We aimed to use the animal model of dynamic fixation to examine the interaction of the pedicle screw surface with surrounding bone,and determine whether pedicle screws achieve good mechanica...     

腰椎后路单节段椎弓根螺钉内固定的三维有限元分析

目的 建立腰34节段的后路经椎弓根螺钉内固定的有限元模型,评估固定前后系统的应力变化,探讨后路内固定对腰椎和内固定器械的力学影响.方法 利用Pro/E三维建模软件模拟脊柱后路的钉棒内固定系统,MIMICS软件模拟手术实际操作,建立后路经椎弓根螺钉固定前后的腰3-4节段三维实体,导入有限元软件ABAQUS中建立三维有限元模型.采用腰4椎体做收敛性分析,建立5种不同网格划分数目的 腰4模型进行验证.分析椎体和螺钉系统在0.5 mPa轴向压力下的力学变化.结果 在均布压力下,腰4模型位移为0.00125815 mm,与基准位移的误差只有0.8167%,模型收敛性好.在轴向压力作用下,固定后的椎体、椎间盘和内固定的应力发生明显变化,椎间盘的应力集中部位由后外侧转向前外侧,固定椎体产生的应力明显减小,应力遮挡效应明显.螺钉根部的上下方,存在着明显的应力集中,且上一椎体固定的螺钉要比下一椎体的螺钉承受应力大.结论 利用计算机辅助系统和有限元分析结合的方法 ,可以模拟腰3-4节段后路椎弓根内固定手术,较直观地观察脊柱后路固定前后系统的力学变化.     

椎体间融合器的单节段植入对腰椎多节段椎弓根固定装置中螺钉应力的影响

 【目的】 通过体外生物力学实验评价椎体间融合器（cage）的单节段植入对腰椎多节段固定装置中椎弓根钉应力的影响。【方法】10具牛新鲜尸体腰骶椎标本L2-S1用于实验。经后方行L3-L4、L4-L5和L5-L6椎板和椎间盘部分切除，用椎弓根钉和一对碳纤维cage行以下3种三节段固定：①无cage植入；②L4-L5cage植入；③L5-L6 cage植入。每组分别行载荷量为600N的轴向压缩试验，记录各节段椎弓根钉的折曲应变量，并加以比较。【结果】在无cage植入组中，L3和L6椎弓根钉的折曲应变量显著高于L4和L5；在L4-L5 cage植入组中，L4和L5椎弓根钉的折曲应变量显著低于L3和L6；在L5-L6cage植入组中，L5和L6椎弓根钉的折曲应变量显著低于L3和L4。【结论】多节段椎弓根固定结构可导致上下两端椎弓根钉的应力增大；Cage的植入可降低上下相邻椎弓根钉的应力，但使相邻以远的椎弓根钉的应力增大。