腰椎弹性内固定与刚性内固定的应力对比研究

目的:通过有限元的方法评价自行研制的腰椎"U"型弹性内固定器的力学特性,并与传统的刚性内固定器进行比较.方法:选择一名成年患者腰椎标本,以L4～5节段为研究对象,采用64排螺旋CT对其进行层厚1.0 mm的连续水平扫描,将所得图像进行轮廓提取和阈值分割后,借助三维重建软件Mimics11.1、Simpleware和有限元软件Abaqus 6.51软件,建立L4～5节段三维非线性有限元模型.同时根据椎弓根螺钉、连接棒的几何尺寸,力学参数,分别建立两种不同内固定器的有限元模型.然后分别施加压缩、前屈、后伸、侧屈及旋转等各种生理载荷,观察各模型不同载荷下螺钉、连接棒的应力分布.结果:两种内固定器的椎弓根螺钉前、中部的应力差异无统计学意义(P>0.05);刚性固定的椎弓根螺钉与棒连接处是应立集中的部位,该部位的应力远大于弹性固定器,而弹性内固定应力集中的部位均匀的分布于整个U型连接棒上,两模型固定节段螺钉及棒的最大有效应力均出现于前屈时.结论:在加载相同的纵向载荷条件下,刚性内固定器应力主要集中在螺钉与棒交界处,容易易发生螺钉断裂,U型弹性内固定器的应力均匀分布在U型连接棒上,可以减少断钉的现象发生.     

新型弹性脊柱内固定器的设计与有限元分析

分析自主研发的新型"X"形弹性脊柱内固定器术后的应力分布。建立"X"形弹性脊柱内固定器术后有限元模型,分析其在压缩、前屈、后伸、侧屈、旋转载荷下的受力特点。"X"形弹性脊柱内固定系统各构件于压缩状态应力小于其它各状态载荷,受力峰值均位于"X"形连接棒上。"X"形弹性内固定器能分担螺钉应力,可减少术后应力集中的情况,是一种较好的脊柱内固定装置。     

“X”形弹性脊柱内固定与传统椎弓根内固定的应力分析

背景:目前国内外许多学者研发了多种动态弹性脊柱内固定器,经过生物力学研究、动物实验及临床应用发现,尚无一种脊柱弹性内固定器得到临床上的普遍认可。目的:比较自制"X"形弹性内固定器与传统椎弓根螺钉内固定的应力差异。方法:根据成人脊柱影像学资料,分别建立"X"形弹性脊柱内固定器与传统椎弓根螺钉内固定系统三维有限元模型,比较两组模型在垂直压缩、屈、伸、侧屈、扭转时的力学差异。结果与结论:两模型在垂直压缩状态应下的应力均小于屈、伸、侧屈及扭转状态下的应力;在垂直压缩、前屈、后伸、侧弯及旋转时,"X"形弹性脊柱内固定器的应力更多集中在"X"形连接棒上,而传统椎弓根螺钉内固定的应力更多集中在螺钉近棒段,且"X"形弹性脊柱内固定器螺钉所受应力明显小于传统椎弓根螺钉内固定(P0.001)。表明"X"形弹性内固定器较传统椎弓根螺钉内固定系统更能分担螺钉应力,减少螺钉术后应力集中情况。     

腰椎椎间融合坚强固定与弹性固定生物力学效果的三维有限元分析

比较腰椎坚强固定与弹性固定的三维有限元模型在不同生理载荷条件下的力学特点。我们以健康男性志愿者为样本建立模型,观察它们在垂直、屈曲和后伸扭矩下的应力分布特点。结果显示:在不同的载荷下,坚强固定连接棒的受力是弹性固定的4~6倍,弹性固定应力峰值及受力面积较坚强固定大。表明弹性固定在促进椎间融合方面比坚强固定更有生物力学的优越性。     

颈椎前路内植入固定系统的有限元模拟及生物力学分析

通过建立一种颈椎前路内植入固定器测试结构的有限元模型,从生物力学角度对该模型在人体生理性压力载荷下的应力-应变分布和运动特性进行分析评估.结果 表明:在生理性轴向压力载荷下,应力-应变集中分布在骨螺钉和内植入固定板的结合部位,钢板上的应力-应变以四个螺钉为定点呈梅花状分布,边缘处应力-应变分布较小,所得结论与临床结果一致.因此,通过该有限元方法可以有效分析颈椎前路内植入固定器在生理性载荷下的应力应变分布,对颈椎前路内植入固定器的外形设计和在临床上的选择提供科学的参考依据.     

AF内固定器不同置钉角度的有限元分析

目的:研究AF内固定系统在螺钉不同置钉角度时的应力分布,寻求置钉最佳角度以减少AF内固定系统的断裂。方法:建立AF内固定系统不同置钉角度三维有限元模型,采用有限元分析法,研究模拟椎弓根螺钉不同置钉角度的压力载荷状态,观察AF内固定系统不同置钉角度受力情况。结果:(1)AF内固定系统中螺钉的根部及连接棒下部承受应力最大。(2)置钉角度的不同可以影响内固定系统的应力分布;随着水平角(TSA角0°,5°,10°,15°)增大内固定系统受力加大。结论:在加载下AF内固定器的螺钉根部及螺钉和连接棒的结合处为应力最集中的部位,容易发生疲劳和断裂。     

桥接内固定系统髓内固定治疗锁骨中段骨折的有限元分析北大核心

背景:髓内固定治疗锁骨中段骨折已是一种有效且安全的固定方式,然而髓内钉松动移位、钉尾软组织激惹等问题突出。部分带锁髓内钉手术操作难度大,难以推广应用。髓内固定治疗锁骨骨折仍有较大的改进空间,有待设计出一种新型髓内固定产品来减少这些问题。目的:使用有限元分析方法探讨桥接内固定系统髓内固定治疗锁骨中段骨折的生物力学稳定性,为临床应用提供科学参考。方法:利用1名青年志愿者的锁骨CT数据通过相关软件建立锁骨中段横行骨折的有限元模型,根据骨折内固定原则,分别组装成锁定板、桥接内固定系统和钛制弹性钉内固定有限元模型。最后使用ANSYS 15.0软件进行网格划分、施加载荷和数据处理,比较各模型锁骨和内固定的应力分布、最大Von Mises应力及最大位移情况。结果与结论:①不同载荷下,桥接内固定系统髓内固定锁骨中段骨折的应力分布与钛制弹性钉固定类似,髓内连接棒在骨折断端附近出现应力集中现象,异同点是桥接内固定系统髓外锁定处出现次级应力集中,使桥接内固定系统组整体应力较钛制弹性钉组更分散;②轴向压缩载荷下,桥接内固定系统组锁骨最大Von Mises应力为251.96 MPa,高于其他两组;骨折面的最大Von Mises应力为33.79 MPa,低于其他两组;悬臂弯曲、顺/逆时针扭转载荷下,桥接内固定系统组锁骨和骨折面的最大Von Mises应力均小于钛制弹性钉组而大于锁定板组;③不同载荷下,3组中植入物的最大Von Mises应力均出现在骨折端附近,其中钛制弹性钉的应力峰值最大,桥接内固定系统次之,锁定板最小;④不同载荷下,各组中锁骨的最大位移均在锁骨远端,其中钛制弹性钉组中锁骨远端及骨折端的位移峰值最大,桥接内固定系统组次之,锁定板组及无损锁骨较小;⑤提示桥接内固定系统髓内固定治疗锁骨中段骨折的生物力学稳定性优于钛制弹性钉固定,内固定松动移位风险较钛制弹性钉低,但固定强度不如锁定板。     

下胸段单钉T11~12镍钛合金弹性内固定系统有限元分析及临床意义

目的　建立T11~12前路病灶清除植骨+单钉单棒镍钛合金弹性固定系统三维有限元模型,分析弹性固定系统所受应力对其进行改进。 方法 对一名成年男性进行螺旋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T11~12前路病灶清除植骨+单钉单棒镍钛合金弹性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 Nm的力矩模拟腰椎前屈、后伸、侧屈和旋转4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 单钉单棒弹性固定系统在用于侧前方固定时,其下位螺钉根部与“U”形棒中段承受应力始终较大,而螺钉的中部与“U”形棒的上部则较小。螺钉根部在4种运动状态下,旋转运动加载的应力最大,而侧弯运动时最小,“U”型棒中部在4种运动状态下应力均较大。但均小于镍钛合金的屈服强度。 结论 T11~12运动节段前路椎间植骨单钉单棒弹性固定患者在正常运动状态下不会由于定械某部位应力过高而导致断钉断棒。     

Luque棒生理负荷下的实验应力分析

Luque棒断裂、旋转和错动导致治疗失败,已引起临床专家的重视,目前尚缺乏有关的生物力学实验和分析。本实验应用8具新鲜猪脊柱,分4级载荷(100N,200N,300N,400N)测试Luque棒的应力分布及其影响因素。结果表明:生理负荷下,Luque棒中段承力最大,应力随负荷增加而增大,在400N负荷下,应力接近316L不锈钢材料的疲劳限度。钢丝固定的松紧度影响Luque棒受力的均衡。根据研究结果,作者找出了Luque棒生理轴压下的应力分布及其影响因素。作者同时还指出:新型脊柱内固定结构的研究,应考虑固定结构受力后的应力分布情况,依据力学原理,使固定物应力分布均衡。同时,强调Luque系统的规范化操作是保障脊柱固定可靠和固定物力学稳定的重要环节。     

不同植入物固定L1节段爆裂性骨折的三维有限元分析

背景：胸腰段椎体爆裂性骨折临床十分常见,通过前路或者后路内固定重建稳定是目前常用的方法,作者未查及有关内固定应力情况的相关报道。 目的：通过三维有限元法分析在L₁节段爆裂性骨折情况下前路钛网重建钉棒内固定和后路椎弓根内固定两种方式中内固定物应力的分布情况,并进行两种方式稳定性的比较。 方法：选择1名健康男性志愿者,通过CT扫描和有限元软件建立T₁₂-L₂节段的三维有限元模型。在验证有效的有限元模型上分别模拟L₁节段爆裂性骨折,建立前路L₁节段钛网重建钉棒内固定模型(模型A)和后路短节段椎弓根钉棒内固定模型(模型B),在各模型上施加载荷,观察内固定应力分布情况,进行稳定性的比较。 结果与结论：建立T₁₂-L₂节段的三维有限元模型。两种内固定方式有限元模型在不同载荷实验中,模型A应力主要集中在钛网区域,模型B应力主要集中在钉棒的交接处。模型A的稳定性优于后者,模型A的T₁₂平面的平均应力值小于模型B,差异有显著性意义(P < 0.01)。说明前路术后钛网发生沉降和后路术后钉棒处断裂均可能与局部应力集中有关。前路钛网重建钉棒内固定较后路椎弓根内固定稳定性更好。     

钉棒内固定Tile B2型骨盆骨折的生物力学效果

目的通过对比钉棒系统和钢板内固定Tile B2型骨盆骨折的生物力学行为,研究钉棒系统固定骨盆骨折的有效性。方法构建包含韧带结构的正常骨盆和2钉、3钉患侧、3钉健侧、钢板内固定Tile B2型骨盆有限元模型,在S1椎体上施加500 N均布载荷,模拟骨盆在双腿站立、单腿站立和坐位下的受力情况,对比正常骨盆与钉棒内固定、钢板内固定骨盆的位移和应力分布。结果钉棒系统和钢板均能对骨盆骨折进行有效固定,两者显示出与正常骨盆相似的位移和应力分布。各内固定中,3钉患侧内固定骨盆的最大位移在各工况下均最小,同时其应力水平明显低于其他内固定,双腿站立下其最大等效应力比2钉、3钉健侧和钢板内固定分别降低30.4%、20.8%、20.3%;坐位下分别降低31.8%、25.4%、18.5%;单腿站立下分别降低-6.5%、28.0%、61.1%。结论钉棒系统能够对Tile B2型骨盆骨折进行有效固定,且3钉患侧固定效果最佳。研究结果能够为临床骨盆骨折的方案选择提供理论依据。     

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。     

PEEK棒椎弓根螺钉内固定系统的三维有限元分析

目的通过三维有限元方法,比较 PEEK 棒与钛棒两种固定系统的椎间应力、螺钉应力、相邻节段椎间盘的生物力学变化.方法建立 L3~L5的正常腰椎模型,在 Pro/E 软件中建立两种椎弓根螺钉系统模型.将两者组合构建 L4/5节段内固定系统模型,在同样的约束和载荷条件下,比较屈伸、侧屈、旋转三种运动状态下,植骨融合前后,两种内固定装置的生物力学特点.结果在植入 PEEK 棒和传统钛棒后,在植骨融合前后两种状态下,头侧 L3~L4相邻节段的纤维环和髓核应力 PEEK 棒组均较钛棒组降低.在植骨融合前 PEEK 棒组的椎间应力要更接近于正常的生理应力,PEEK 棒组内固定螺钉表面的应力在植骨融合前后均较小.结论 PEEK 棒与传统钛棒相比具有能减少内固定系统载荷与增加椎间植骨应力刺激、降低骨螺钉界面应力、减轻相邻节段载荷.     

原位及复位融合腰椎滑脱的三维有限元分析

背景：由于脊柱结构复杂,对复位或原位融合后融合的腰椎节段应力分布变化特点的精确生物力学分析一直是个难点。 目的：通过建立L₄/₅节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定的三维有限元模型来比较腰椎滑脱原位融合和复位融合两种手术方式在各种载荷下的生物力学变化及其对腰椎稳定的影响。 方法：根据健康成年男性的下腰椎CT数据,利用mimics,Catia和Patran,Marc等软件建立起L₄/₅节段的三维有限元模型,利用此模型模拟退变性腰椎滑脱,在此基础上建立L₄/₅节段原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合内固定模型,分析两模型在各种载荷下的应力分布特点,并比较异同。 结果与结论：L₄/₅节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定三维有限元模型在前屈后伸侧屈旋转负荷下,该节段各部结构,包括椎体,椎弓根钉内固定器和椎间融合器上的应力变化没有显著差异。两模型都显示椎间融合器和椎弓根螺钉内固定器上分布的应力最大。结果表明退变性腰椎滑脱,行原位椎间融合内固定和复位椎间融合内固定后,复位与否对该节段生物力学没有显著影响。     

机翼型Ni-Ti合金固定峡部裂对椎间盘的影响

目的　在自制机翼型Ni-Ti合金固定器基础之上,建立腰椎峡部裂内固定的有限元模型,分析其对椎间盘的影响。 方法　CT数据建立腰椎峡部裂模型,数字装配固定器,测算人体各工况下椎间盘应力峰值及分布。 结果　在前屈、后伸、左侧屈和左旋转工况下,患椎间盘的最大应力值分别增加到105%、102%、101%和111%,在使用机翼型Ni-Ti合金内固定技术重建后,患椎间盘最大应力值分别减少至67%、55%、88%和83%。 结论　机翼型Ni-Ti合金固定器构造特别,可有效减少同节段及相邻节段的椎间盘应力,防止椎间盘远期退变,具备良好的生物力学特性,有望进入临床应用,为腰椎峡部裂的治疗提供更多的选择。     

手舟骨腰部骨折3种内固定方式的有限元分析

目的　通过建立手舟骨腰部骨折三维模型来比较3种不同内固定方式的生物力学差异,为临床内固定方式的选择提供依据。 方法　选取健康志愿者的腕关节CT数据,应用软件建立舟骨腰部骨折的3种内固定方式模型：克氏针固定组、Herbert螺钉固定组、钉脚固定器组。分别在中立握拳位和腕背伸桡偏位施加载荷,并分析舟骨变形量、内固定器械的应力。 结果　在3种内固定装置下舟骨的变形量,克氏针最大,钉脚固定器最小。在两种工况下,舟骨变形量和固定装置的最大应力值不等,但趋势相同,均为钉脚固定器的舟骨变形量最小、所受的最大应力最小。钉脚固定器存在偏心效应,当载荷达到临界值时,易使舟骨愈合面出现开裂或不对称偏心现象。 结论　克氏针固定效果最差,钉脚固定器的固定效果最佳,钉脚固定器术后应适当限制手部负重。     

手舟骨腰部骨折3种内固定方式的有限元分析

目的　通过建立手舟骨腰部骨折三维模型来比较3种不同内固定方式的生物力学差异,为临床内固定方式的选择提供依据。 方法　选取健康志愿者的腕关节CT数据,应用软件建立舟骨腰部骨折的3种内固定方式模型：克氏针固定组、Herbert螺钉固定组、钉脚固定器组。分别在中立握拳位和腕背伸桡偏位施加载荷,并分析舟骨变形量、内固定器械的应力。 结果　在3种内固定装置下舟骨的变形量,克氏针最大,钉脚固定器最小。在两种工况下,舟骨变形量和固定装置的最大应力值不等,但趋势相同,均为钉脚固定器的舟骨变形量最小、所受的最大应力最小。钉脚固定器存在偏心效应,当载荷达到临界值时,易使舟骨愈合面出现开裂或不对称偏心现象。 结论　克氏针固定效果最差,钉脚固定器的固定效果最佳,钉脚固定器术后应适当限制手部负重。     

镁合金JeRP内固定系统治疗不稳定型Jefferson骨折的三维有限元分析

目的　比较镁合金及钛合金Jefferson 骨折复位钢板（Jefferson-fracture reduction plate, JeRP）内固定系统对于不稳定型Jefferson骨折的固定效果和应力分布。 方法　通过CT扫描获取寰椎的空间结构信息,运用Solidworks软件建立JeRP内固定系统固定寰椎前弓双骨折三维实体模型,利用　Ansys软件模拟寰椎生理载荷中立位、屈伸、侧弯及旋转运动状态进行有限元分析,比较镁合金及钛合金　JeRP系统内固定后的应力分布,计算骨折端的移位和内固定材料的形变量分析内固定效果。 结果　（1）所建JeRP内固定系统固定寰椎前弓双骨折的三维有限元模型几何相似性好,应力分布合理。（2）JeRP系统内固定术后,在所有运动状态下,内固定系统主要应力均集中在JeRP钢板的中部及螺钉根部。屈伸运动时螺钉尖部以及侧弯运动时同侧螺钉中部亦承受较大应力。（3）生理载荷下,两种材料JeRP系统的钢板及螺钉最大应力均小于材料的屈服强度,内固定材料的形变量及骨折端的位移均非常小,骨折端均存在一定应力,但镁合金组大于钛合金组。 结论　两种材料JeRP内固定系统固定寰椎前弓双骨折时均具有足够的力学强度及良好的内固定效果,但理论上镁合金组在促进骨折愈合方面优于钛合金组。     

不同内固定器固定股骨髁上骨折的生物力学比较

背景：治疗股骨髁上骨折的内固定方法很多,其中主要有偏心位固定的钢板类和中心位固定的髓内钉类。由于两者生物力学特性的差异,在治疗股骨髁上骨折的临床疗效也不同。 目的：对治疗股骨髁上骨折的两种固定器进行生物力学对比,探讨两种固定器固定股骨髁上骨折时的应力分布差异,从而为临床选择理想的内固定器提供理论依据。 方法：选择12套成人尸体股骨,将股骨髁上横行锯断,制作股骨髁上骨折模型。将骨折标本解剖复位后,按照手术操作方法用微创内固定系统和逆行交锁髓内钉固定。在骨折断面及钉道周围共粘贴6个电阻应变片,然后将骨折模型分别置于Zwick Z100电子万能材料实验机及扭转试验机(RNJ-500)上,以线性载荷0-400 N、扭转载荷0-20 N•m加载,分析局部应力,测量两种固定器在相同载荷条件下骨折断面及钉道周围应力的大小和分布特点。 结果与结论：在实验载荷条件下,逆行交锁髓内钉组和LISS钢板组骨折断端和钉道周围应力均随着轴向载荷和扭转载荷的增大而增大。在同一轴向载荷下,逆行交锁髓内钉组较LISS钢板组在6个测试应变点应变值大(P < 0.01);在同一扭转载荷下,LISS钢板组较逆行交锁髓内钉组在6个测试应变点应变值大(P < 0.01)。 结果显示,逆行交锁髓内钉固定股骨髁上骨折中可明显降低应力遮挡,从而利于应力传导,并具有良好的抗扭转能力,从生物力学角度可以推广使用。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：     

垂直载荷对哈氏棒中应力影响的光弹性分析

本文用二维光弹性方法研究了垂直载荷对哈氏棒应力分布的影响。发现在垂直载荷作用下棒的棘齿区呈现高应力集中，棘齿区应力高于光滑区，棘齿区应力值受垂直载荷影响最大，棒的前侧各点应力与垂直载荷呈线性相关。当增加水平载荷作用后，哈氏棒应力分布发生变化。