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。     

脊柱中胸段（T 6~8）经肋椎单元固定系统有限元分析

目的　建立T6～8椎体病灶清除植骨+后路经肋椎单元固定系统三维有限元模型,分析系统所受应力对其进行改进。 方法　获得1例男性（身高172 cm,体质量71 kg,39岁）T7椎体结核病患进行螺旋CT扫描,将所得数据导入计算机,通过Mimics13.0软件和Ansys11.0有限元软件建立T6～8后路病灶清除植骨+经肋椎单元固定系统三维有限元模型,并在在椎体上表面施加500 N压力和10Nm的力矩模拟腰椎前屈、后伸、侧屈3种生理载荷,观察不同载荷下固定器械的应力分布,并对其进行比较。 结果　在前屈和后伸运动状态下,螺钉尾部是应力最为集中的部位,上位螺钉大于下位螺钉,对于纵连棒,上端总是大于下端,且下端应力为零;侧弯位,螺钉尾部应力均较前屈和后伸位减小;纵连棒上下端应力相当。同一部位三种运动状态下比较,螺钉尾部总是后伸位大于前屈位,侧弯位最小;纵连棒E,F点,总是前屈大于后伸,侧弯最小;侧弯位纵连棒末端最小。 结论　T6～8运动节段后路椎间植骨经肋椎单元内固定的病人在做前屈和后伸运动时上位螺钉尾部及纵连棒的上端最容易发生疲劳性断裂。     

三维有限元分析脊柱中胸段(T6-8)结核经肋椎单元植入物固定的应力变化

背景：目前关于T₆-T₇-T₈经肋椎单元固定缺乏相关生物力学模型,另外关于临床断钉断棒、骨融合质量差和邻近节段退变的原因及合理解释,也无基础研究参数支持。 目的：建立T_6-8结核病灶清除植骨、后路经肋椎单元固定系统三维有限元模型,分析其所受应力并对其进行改进。 方法：获取1例男性(身高172 cm,体质量71 kg,年龄39岁)T₇椎体结核病患进行螺旋CT扫描,将所得数据导入计算机,通过Mimics 13.0软件和Ansys 11.0有限元软件建立T_6-8后路病灶清除植骨、经肋椎单元固定系统三维有限元模型,并在椎体上表面施加500 N压力和10 N•m的力矩模拟脊柱前屈、后伸、侧屈3种生理载荷,观察不同载荷下固定器械的应力分布,并对其进行比较。 结果与结论：在前屈和后伸运动状态下,螺钉尾部是应力最为集中的部位,上位螺钉大于中、下位螺钉;对于连接棒,中部总是小于下端,且中部应力为零;侧弯位,上、中位螺钉尾部应力相当,连接棒单侧应力相当。同一部位在3种运动状态下比较,连接棒中段在侧弯运动下应力增大,下位螺钉末端在3种运动状态下应力相当。提示T_6-8运动节段后路椎间植骨、经肋椎单元内固定的结核患者在做前屈、后伸、侧弯这3种运动时,上位螺钉尾部较中、下位螺钉更容易发生疲劳性断裂;在做前屈、后伸运动时连接棒下端和在做侧弯运动时连接棒中段更容易发生疲劳性断裂。 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：     

寰枢椎后路柔性固定的生物力学研究

目的分析细棒、PEEK棒固定对寰枢关节稳定性的影响。方法采用6具新鲜成人枕骨(occipital bone,Oc)~颈椎C4节段进行测试,模拟以下手术及固定状态:①完整状态;②损伤状态:枢椎齿状突II型骨折;③坚强固定:寰枢椎均采用普通椎弓根螺钉固定,直径3.5 mm钛棒连接;④PEEK棒:直径3.5 mm的PEEK棒连接;⑤细棒:直径2.0 mm钛棒连接。采用重复测量实验设计,在完整、损伤和不同的固定状态下,通过脊柱试验机对标本分别施加1.5 N·m的前屈/后伸、左/右侧弯和左/右轴向旋转的纯力偶矩。采用Optotrak三维运动测量系统连续采集标本运动,分析寰枢椎之间角度运动范围和中性区。结果采用直径3.5 mm的钛棒,2.0 mm的细棒以及3.5 mm的PEEK棒固定后,在前屈、后伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的运动范围(P<0.05)。直径3.5 mm和2.0 mm的棒固定后的运动范围,在各个方向上无显著性差异。PEEK棒固定的运动范围仅在侧弯方向上大于坚强固定(P=0.005),其他方向无显著性差异。3种固定方式在屈伸、侧弯和旋转方向上均显著减小了固定节段的中性区(P<0.05)。各种固定方式之间相比较,无显著性差异(P>0.05)。结论在寰枢关节采用直径2.0 mm的细棒固定,与坚强固定的稳定性相当。采用直径3.5 mm的PEEK棒固定,在前屈、后伸、旋转方向上与坚强固定的稳定性相当,在侧弯方向上弱于坚强固定。     

伴椎动脉高跨的Ⅱ型齿状突骨折后路寰枢椎固定术的有限元分析

研究伴枢椎单侧椎动脉高跨的Ⅱ型齿状突骨折采用两种组合后路寰枢椎内固定术式治疗的生物力学特性,分析上颈椎的稳定性和内固定植入椎板螺钉、椎弓根螺钉和C2pars螺钉的应力分布情况。基于人体颈椎Ⅱ型齿状突骨折的CT图像数据,结合有限元前处理软件,依据临床手术方案,建立上颈椎两种组合后路寰枢椎内固定模型:一种是单侧枢椎椎板螺钉(C2TL)+寰枢椎椎弓根螺钉(C1PS、C2PS)固定(C1PS-C2TL+PS模型),另一种是单侧C2pars螺钉+寰枢椎椎弓根螺钉固定(C1PS-C2pars+PS模型),分析两种固定模型在屈伸、侧弯和旋转工况下的关节活动度和内固定植入器械的应力分布情况。结果表明,伴椎动脉高跨Ⅱ型齿状突骨折在后路寰枢椎两种固定术式中,C1PS-C2TL+PS模型在屈伸、侧弯和旋转工况下寰枢关节的关节活动度比骨折模型分别减小92.71%、91.28%、95.89%,C1PS-C2pars+PS模型分别减小89.50%、94.77%、92.72%,表明椎体固定节段的刚度都显著提高。此外,C1PS-C2pars+PS模型在前屈和后伸运动时,枢椎螺钉的根部和连接棒下部出现明显的应力集中,最大应力值分别为179.9和167.6MPa,比C1PS-C2TL+PS模型分别增大55.1和52.2MPa。C2pars螺钉在不同工况下最大应力值的变化幅度比较显著,最大值为前屈工况的123.7MPa,比C2TL最大应力值增大21.4MPa。伴椎动脉高跨的Ⅱ型齿状突骨折采用C1PS-C2TL+PS和C1PS-C2pars+PS两种固定术式,均能有效地提高寰枢椎的刚度,前者在屈伸和旋转时具有更好的稳定性,C1PS-C2TL+PS内固定术式在结构和应力分布上更加合理,结果可为伴椎动脉高跨Ⅱ型齿状突骨折内固定术式的研究提供一定的理论依据。     

经口咽前路寰枢椎复位钢板螺钉固定强度的生物力学评价

目的对经口咽前路寰枢椎复位内固定钢板(transoralpharyngeal atlantoaxial reduction plate,TARP)进行固定螺钉拔出力实验,评估TARP系统枢椎前路椎弓根和关节突下螺钉固定的生物力学强度。方法 6例C1、C2椎体新鲜标本左右双侧均行螺钉固定,寰椎螺钉固定于侧块,枢椎螺钉分别采用椎体、前路椎弓根及关节突下固定,在生物力学实验机上通过传感器测定TARP系统寰椎和枢椎固定螺钉的最大拔出力、钉道长度,并进行统计学分析。结果寰椎(546.45±85.07)N与枢椎前路椎弓根螺钉(593.14±97.77)N的最大拔出力之间无显著性差异,枢椎前路椎弓根螺钉拔出力明显强于枢椎椎体和关节突下螺钉,枢椎关节突下螺钉(469.94±73.32)N拔出力明显强于枢椎椎体螺钉(395.15±75.07)N。结论 TARP系统枢椎螺钉固定采用前路椎弓根及关节突下固定优于枢椎椎体固定,固定安全可靠。     

寰椎骨折前路复位内固定钢板置钉参数研究

目的　明确寰椎骨折前路复位内固定钢板寰椎侧块置钉可行性及置钉技术参数。 方法　用Mimics软件,对40例被检查者的CT数据进行三维重建,解剖测量,并模拟置入寰椎侧块螺钉,测量并获得置钉的技术参数。 结果　椎动脉孔内侧壁距离中线23.2 mm。寰椎后弓与寰椎侧块移行处内侧壁距离中线距离13.2 mm。寰椎侧块上位螺钉置钉点距离上关节面前缘6.2 mm,距离寰椎中线20.0 mm。上位螺钉长21.5 mm,于矢状面上成角范围向上1.5°～向下11.6°。寰椎侧块下位螺钉置钉点距离下关节面前缘8.9 mm,长15.2 mm,最大下倾角为20.7°,距离椎动脉孔内侧壁1.9 mm。距中线17.6~23.2 mm的侧块为JeRP钢板侧块螺钉置入的相对安全区域。 结论　寰椎侧块置入上下位螺钉具备可行性。置钉点及钉道方向必须根据患者术前的三维CT数据做最终的决定。上位螺钉置钉角度应宁下勿上,下位螺钉置钉角度应宁内勿外。     

重度骨质疏松条件下后路枢椎三种内固定方式的有限元分析

目的　通过有限元分析重度骨质疏松（Severe osteoporosis,SOP）条件下后路枢椎不同植钉方式在上颈椎中的生物力学特性。 方法　对1例健康成年男性进行上颈椎CT扫描,获得图像。结合有限元前处理软件,设置材料属性模拟出SOP的寰枢椎（C1~C2）失稳模型,依据手术方案建立后路寰椎双侧椎弓根螺钉（B-C1PS）+枢椎3种不同植钉方式固定：枢椎双侧椎弓根螺钉（B-C2PS,模型A）;枢椎双侧椎板螺钉(B-C2TL,模型B);B-C2PS联合B-C2TL（模型C）。分析3种模型屈伸、侧弯和轴向旋转工况下的C1~C2关节活动度、C1位移以及C2螺钉应力分布情况。 结果 在SOP的C1~C2失稳有限元模型上,模型C在不同工况下C1~C2关节活动度和C1位移最小。C2联合固定时螺钉受到的最大应力较单一固定小：模型C枢椎椎板钉在各个工况下最大应力值小于模型B,模型C枢椎椎弓根螺钉在各个工况下最大应力值小于模型A。模型C应力主要集中于C2PS根部及寰枢椎椎弓根螺钉与钉棒连接处。 结论 在SOP条件下采取模型C内固定方式较模型A、B稳定性更好。枢椎螺钉受到的应力产生分散,枢椎螺钉更加不容易产生术后疲劳性松动脱出。     

一种新型寰枢椎后路动态固定系统的稳定性研究

目的 　评价新型寰枢椎后路动态固定系统的稳定性。 方法　8具较新鲜的成人枕颈标本（C0~4）,随机分成4组：①完整状态组（A组）、②寰枢椎不稳状态组（B组）、③寰枢椎后路动态固定状态组（C组）和④寰枢椎后路椎弓根螺钉固定状态组（D组）。测量在1.50 Nm的力矩下,寰枢关节前屈/后伸,左/右侧弯和左/右旋转等6种运动方式下的运动范围（ROM）及稳定性指数（Sf值）,进行统计学分析。 结果　C组与A组的各方向ROM比较,差异无统计学意义（P>0.05）;而C组与D组的各方向ROM比较,差异有统计学意义（P<0.001）。C组与B组和D组的屈伸、侧屈和旋转的稳定性指数（Sf值）比较,差异有统计学意义（P<0.05）;C组的屈伸、侧屈和旋转的Sf值最接近完整状态组（A组）,差异无统计学意义（P>0.05）。 结论　寰枢椎后路动态固定在重建寰枢关节稳定性上有独特优势,既可维持寰枢椎的活动性,又可达到坚强固定的稳定性,为寰枢椎后路固定提供一种新的选择。     

寰枢椎后路二种内固定技术的三维稳定性评价

目的:对比寰枢椎椎弓根螺钉固定系统与枢椎椎弓根螺钉联合寰椎椎板钩固定系统的生物力学稳定性,为临床应用提供实验依据。方法:新鲜颈椎标本6例,损伤齿突基底部,建立寰枢椎失稳模型,在脊柱三维运动实验机上先测量失稳寰枢椎的三维运动范围,再在失稳模型上对每具标本进行两种内固定:C1椎弓根螺钉 C2椎弓根螺钉的钉棒内固定系统,C1椎板钩 C2椎弓根螺钉的钉棒钩内固定系统,测量二种不同固定方法的寰枢椎三维运动范围,比较两种状态下的寰枢椎稳定状况。结果:C1椎弓根螺钉 C2椎弓根螺钉的钉棒内固定与C1椎板钩 C2椎弓根螺钉的前屈、后伸、左右侧屈无显著性差异,左右旋转C1椎弓根螺钉组优于C1椎板钩组。结论:两种寰枢固定方法:C1椎弓根螺钉 C2椎弓根螺钉固定系统在抗左右旋转方面较C1椎板钩 C2椎弓根螺钉固定系统的稳定性优越,临床上应优先选择C1、C2椎弓根螺钉固定方法,当C1椎弓根过于细小时可选用C1椎板钩 C2椎弓根螺钉的固定技术。     

伤椎椎弓根置钉治疗胸腰椎压缩性骨折的三维有限元分析

背景：有文献报道伤椎置钉技术较传统4钉跨阶段固定具有更强的牢固性,可有效避免内固定的松动断裂,但其生物力学机制研究尚显不足。 目的：构建脊柱胸腰椎单纯压缩性骨折的三维有限元模型,探讨伤椎附加椎弓根螺钉置入治疗胸腰椎压缩性骨折的生物力学效应。 方法：将一T12椎体压缩性骨折患者脊柱胸腰段超薄CT扫描数据输入Mimics软件中,构建T12椎体压缩性骨折的有限元模型,在此模型基础上模拟伤椎置6钉和跨节段4钉内固定,对两个模型分别施加垂直压缩、前屈、后伸、左屈及右旋载荷。 结果与结论：两组固定模式各种载荷下的应力均集中在螺钉根部,在垂直载荷下,螺钉的应力最小,右旋和左屈载荷下的应力最大;在垂直压缩、前屈、后伸、左侧弯及右旋运动下,上位螺钉较下位螺钉应力大(P < 0.05)。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)。两组T11椎体最大位移无差别。表明伤椎附加椎弓根螺钉置入可以优化内固定的载荷,减少断钉率。     

中上胸椎皮质骨通道螺钉固定的生物力学有限元仿真研究

目的比较研究经皮质骨通道(cortical bone trajectory,CBT)螺钉系统和传统椎弓根螺钉系统在中上胸椎内固定中的生物力学性能。方法通过正常人T7～8节段CT扫描获取断层图像,利用Mimics软件重建人体T7～8三维模型,再通过FreeForm模型优化和ANSYS软件前处理功能建立中上胸椎有限元模型,并在此基础上分别建立椎间盘切除后CBT螺钉和椎弓根螺钉固定模型,对两组模型分别施加5 N·m前屈、后伸、侧弯和旋转载荷,比较分析椎体及植入物在不同工况下的位移及应力峰值。结果各载荷条件下,CBT螺钉组最大位移较椎弓根螺钉组偏低,CBT螺钉组活动度小于椎弓根螺钉组。两组模型的整体应力水平接近,CBT螺钉组偏低于椎弓根螺钉组。前屈、后伸及旋转载荷下,椎弓根螺钉组椎体的最大应力较CBT螺钉组分别降低31%、17%和18%;侧弯载荷下,CBT螺钉组椎体应力相对椎弓根螺钉组降低20%。前屈及旋转载荷下,椎弓根螺钉组椎体的最大应力小于CBT螺钉组,降低幅度分别为2%和11%;后伸及侧弯载荷下,CBT螺钉组椎体最大应力小于椎弓根螺钉组,降低幅度为11%和1%。结论 CBT螺钉在结构稳定性上优于传统椎弓根螺钉,整体应力分布上接近于椎弓根螺钉,但在椎体应力分布方面稍有逊色。研究结果为中上胸椎椎弓根螺钉固定失效后采用CBT螺钉固定的临床应用提供理论基础。     

腰椎行椎间孔入路椎间融合术固定的有限元分析

目的 利用有限元方法分析经单侧椎间孔入路腰椎间融合术治疗腰椎退行性病变的临床可行性。方法 基于正常人L3~5节段的CT扫描数据,利用Mimics、Pro/E、ANSYS软件分别建立L3~5正常生理状态有限元模型、L4/5左单侧椎弓根螺钉内固定加椎间融合器模型(单侧TLIF)、L4/5双侧椎弓根螺钉内固定加椎间融合器模型(双侧TLIF)。在L3上表面施加500 N的人体重力和10 N?m力矩,模拟人体直立、前屈、后伸、左侧弯和右旋5种生理活动,观察不同工况时椎体、椎间盘、螺钉及融合器上变形及应力分布情况,比较两种固定方法力学性能上的差异。结果 各种工况下单侧TLIF、双侧TLIF的L3~5节段变形量均较生理状态模型减少,单侧TLIF、双侧TLIF模型均在后伸运动时融合器的应力达到最大值,且单侧TLIF模型椎弓根螺钉上的应力峰值在各种工况中均明显高于双侧TLIF,后伸工况时应力峰值达到463.39 MPa。结论 单侧TLIF可作为腰椎退变性疾病的一种固定方法,但应力峰值均明显高于双侧TLIF模型,故系统稳定性差于双侧TLIF模型,提示患者在康复过程中应减少后伸运动,以免发生手术失效或螺钉断裂。     

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.      

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。     

腰椎椎弓根轴心线与椎板外缘夹角的测量及其临床意义

目的　测量腰椎的椎弓根轴心线与椎板外缘所成的夹角,探讨其临床意义。　方法　采用计算机和人工相结合的方法,测量100例成人志愿者和15具成人尸体腰椎标本的椎弓根轴心线与椎板外缘夹角。　结果　志愿者的X线片上所测夹角L1~5分别为90.7°±3.0°,92.8°±3.0°,94.6°±2.3°,96.6°±2.6°,100.5°±3.2°;各组间均有显著差异（P<0.05）;性别间无显著差异（P>0.05）;在尸体标本上所测夹角分别为89.8°±3.3°,91.9°±2.7°,93.8°±2.4°,95.1°±2.4°,99.2°±3.6°,各组间均有显著差异（P<0.05）;左右侧无显著差异（P>0.05）。X线片上与尸体标本上测量的L1、L2、L3的角度无显著差异（P>0.05）,而L4、L5的角度有显著差异（P<0.05）。　结论　手术时将椎弓根螺钉按椎弓根轴心线与椎板外缘所成的夹角置入,可以提高螺钉置入的准确性。     

两种植骨方式治疗L1椎体爆裂骨折的有限元研究

目的　建立L1椎体爆裂骨折的有限元模型,分析比较经椎弓根椎体内植骨和经椎管椎体内植骨的应力分布。 方法　通过CT扫描、Mimics三维重建、ANSYS前处理等方法建立胸腰段T12~L2有限元模型,据此建立L1椎体爆裂骨折后经椎弓根椎体内植骨和经椎管椎体内植骨加椎弓根钉棒后路固定模型。并对模型在前屈、后伸、侧弯和旋转下加载350N/8Nm,观察分析应力分布情况。 结果　正常胸腰段、L1椎体爆裂骨折、经椎弓根植骨和经椎管植骨模型的等效应力峰值如下,前屈：6.89、54.10、8.03、5.92 MPa;后伸：56.70、109.00、12.50、8.61 MPa;侧弯：6.83、47.50、11.30、3.60 MPa;旋转：23.80、112.00、13.10、7.65 MPa。未植骨时应力主要集中于螺钉的尾部和连接棒,植骨后应力明显降低,并向螺钉中部分散分布。 结论　两种植骨方式的模型均重建了伤椎的强度,增加即时稳定性,但经椎管椎体内植骨更充分、更有效减小内固定应力,增加其力学安全性,从生物力学角度是一种植得推广的术式。