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     

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.     

3种不同后路内固定方式及其横连治疗胸腰段骨折的力学性能比较

目的比较3种不同后路内固定方式及其有无横连杆治疗胸腰段骨折的生物力学性能差异,寻找最优化的后路内固定方式。方法在已验证的正常T12~L2有限元模型基础上,模拟L1椎体爆裂性骨折。将T12椎体上半皮质骨切除并赋予内部松质骨损伤材料属性,分别建立无、有横连杆经伤椎单侧螺钉(模型A1、A2)、常规短节段(模型B1、B2)和经伤椎双侧螺钉(模型C1、C2)6种内固定模型。分别比较6组模型在各种生理应力下的活动范围(range of the motion,ROM)以及螺钉和棒的最大Von Mises应力情况。结果在屈伸和侧屈应力下,经伤椎单侧和双侧螺钉内固定模型组ROM均明显小于常规短节段内固定组;而经伤椎单侧和双侧螺钉内固定组,在屈伸应力下两者ROM无显著差异,在侧屈应力下经伤椎双侧螺钉模型的稳定性优于经伤椎单侧螺钉固定。应力主要集中在上位螺钉钉尾和上位螺钉与伤椎螺钉之间的棒体,经伤椎双侧内固定组上位螺钉最大应力明显低于经伤椎单侧和常规短节段内固定组螺钉最大应力。横连可增加各内固定组在扭转应力下的稳定性,也可降低上位螺钉和棒在扭转应力下的最大应力,而屈伸和侧屈应力下螺钉和棒的最大应力未见明显差异。结论经伤椎置钉后路内固定可获得较好的生物力学稳定性,且添加横连不仅能改善构型扭转刚度,而且能降低螺钉和棒的最大扭转应力,是治疗胸腰椎不稳定骨折良好选择。     

下腰椎融合术后路单、双侧椎弓根固定的有限元比较研究

目的　建立正常人L4~5节段椎间盘切除后单/双侧椎弓根螺钉固定椎间融合的有限元模型,对两者在不同运动载荷下的稳定性和应力分布进行比较研究。 方法　通过正常人L4~5节段CT扫描获取断层图像,然后利用mimics软件重建人体L4~5三维模型,再通过Ansys软件前处理功能建立有限元模型,并在此基础上分别建立椎间盘切除后单侧（A）、双侧（B）椎弓根螺钉固定+椎间Cage融合模型,对两组模型分别施加5 N?m的前屈、后伸、左/右屈曲和左/右旋转载荷,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　各种工况下,A组在固定侧侧屈时椎体间位移及椎弓根螺钉应力峰值最大,在后伸时椎体应力峰值最大。B组在后伸时椎体间位移峰值最大,在旋转时螺钉及椎体应力峰值最大。在后伸和固定侧侧屈工况下A组椎体间位移峰值、螺钉及椎体应力峰值较B组相差最大。 结论　与双侧固定相比,单侧固定融合术后在固定侧侧屈及后伸工况下发生不稳及螺钉松动、断钉的潜在风险最大。单侧固定融合术后的病人在椎间骨融合前应特别减少后伸及固定侧侧屈动作,以降低风险。     

三角稳定固定系统对股骨颈骨折生物力学特性的有限元分析

目的:运用有限元分析,探讨三角稳定固定系统对股骨颈骨折的生物力学特性。方法:选取1名健康青年志愿者,获取其股骨CT影像学资料,构建股骨三维模型及股骨颈骨折三维模型。运用Ansys12.1有限元分析软件,模拟人体直立情况下正三角、倒三角稳定固定系统对内固定物应力分布、骨折处位移的影响。结果:正三角内固定、倒三角内固定模型的股骨头最大等效应力接近,倒三角内固定模型的内固定物最大等效应力低于正三角内固定。正三角内固定、倒三角内固定模型的股骨近端、内固定物最大位移接近。结论:正三角、倒三角稳定固定系统的股骨头最大等效应力、股骨近端最大位移、内固定物最大位移接近,倒三角内固定模型的内固定物最大等效应力更低。 【关键词】三角稳定固定系统;股骨颈骨折;生物力学;有限元分析     

单侧与双侧入路椎体成形术治疗老年骨质疏松性椎体压缩骨折的有限元分析及临床应用

目的探讨单、双侧经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty,PVP)治疗老年骨质疏松性胸腰椎椎体压缩性骨折的生物力学特点及临床疗效。方法建立有限元模型模拟分析单、双侧椎弓根入路PVP术后椎体的应变及应力变化。回顾性研究接受单、双侧椎弓根入路PVP治疗老年骨质疏松性椎体压缩骨折患者85例,分析两组间手术时间、术中透视次数、骨水泥注射量、骨水泥渗漏率以及所有阶段视觉模拟量表(visual analogue scale,VAS)评分。结果有限元分析表明,单侧入路模型最大应变、应力分别是双侧入路模型的1.18倍、1.15倍;临床研究发现,单侧入路组手术时间、术中透视次数均明显少于双侧入路组(P0.001)。两组骨水泥注射量、骨水泥渗漏率以及所有阶段VAS评分比较均无统计学意义(P0.05)。结论单侧入路椎体成形术生物力学效果与双侧入路接近;利用穿刺针定位单侧PVP治疗老年骨质疏松性胸腰椎椎体压缩性骨折与双侧入路PVP相比具有手术时间短、X线暴露次数少的特点。     

短节段椎弓根螺钉置入内固定椎体成形治疗胸腰椎骨折的生物力学检测

背景：为避免单纯椎弓根螺钉置入内固定治疗胸腰段骨折出现的内固定物松动、断裂,及合并植骨时出现的骨折不愈合、后凸畸形丢失,而发展的短节段椎弓根螺钉合并椎体成形技术治疗胸腰段骨折,临床已有应用,但其生物力学方面鲜有研究。 目的：观察应用椎弓根螺钉置入内固定椎体成形治疗胸腰椎骨折的生物力学变化。 方法：12个冻存的新鲜胸腰段脊椎(T12~L2)标本,用于制备胸腰椎骨折模型,备测试。分为3组,经皮椎体成形术组：给予经单侧椎弓根注入低黏度的含对比剂骨水泥5~7 mL;椎弓根螺钉内固定组：于T12、L2椎弓根置入螺钉;强化组：行椎弓根螺钉内固定的同时行伤椎骨水泥椎体成形术,测试各组静态最大抗压强度及刚度。 结果与结论：骨水泥分布面积皆大于50%,经皮椎体成形术组和椎弓根螺钉内固定组最大静态抗压强度与刚度均小于强化组最大强度和刚度(P < 0.05)。椎弓根螺钉内固定组椎弓根螺钉较小强度下出现弯曲,而强化组在达到极性轴向压缩强度时才出现弯曲。提示应用短节段椎弓根钉置入内固定椎体成形治疗胸腰椎骨折提高了固定的强度及刚度,并且维持了复位伤椎高度,提高了稳定性,减少了椎弓根螺钉的并发症。     

脊柱胸腰段骨折后路经伤椎单节段固定与常规短节段固定的力学性能比较

目的 应用三维有限元技术构建胸腰椎骨折经伤椎单节段固定及常规短节段固定模型,研究经伤椎单节段固定的生物力学特点,论证其在胸腰椎骨折治疗中应用的可行性。方法 选取青壮年健康男性志愿者,利用CT扫描数据建立脊柱T10~L2正常模型、T12骨折模型以及经伤椎单节段固定和短节段固定模型;分析在轴向压缩、前屈、后伸、侧屈及轴向旋转下各个节段的最大位移差及内固定物的应力情况。结果 骨折模型T10~11、T11~12、T12~L1的最大位移差较正常模型在大多数加载情况时明显增大,经短节段或者经伤椎单节段固定后,该值明显减小,两种固定方式无显著差异。内固定物应力方面：在轴向压缩及前屈时,经伤椎单节段固定模型中螺钉应力明显低于短节段固定;而在后伸、侧屈及轴向旋转时,螺钉应力无明显差异。对于固定棒,轴向压缩及前屈时,两种固定方式无差异;后伸及侧屈时经伤椎节段固定应力高于短节段固定,而旋转时则恰恰相反。结论 对于胸腰段单节段不完全骨折,经伤椎单节段固定可以提供与常规短节段固定相近的生物力学稳定性,是治疗胸腰椎不完全骨折的一种良好的选择。     

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。     

骶髂关节脱位钉板内固定与关节拉力螺钉内固定两种置入方法的三维有限元分析

背景:有限元法能对复杂的结构、形态、载荷和材料力学性能进行应力分析比较,模拟的条件更接近正常,结果更加可信,已经是骨科生物力学研究中的重要手段。目的:以有限元分析方法建立骨盆骶髂关节(单侧)脱位模型,比较前路钉板内固定及骶髂关节拉力内固定治疗后的生物力学稳定性。方法:在正常骨盆三维有限元模型的基础上,截断骶髂关节间的骶髂前后韧带(包含骶髂骨间韧带)以及骶结节韧带和骶棘韧带等盆底韧带,造成骶髂关节脱位。分别在前路钉板内固定系统(共2块重建钢板6枚螺钉)及骶髂关节拉力螺钉内固定(2枚拉力螺钉)两种固定方法的模型上,加载后进行非线性有限元分析。计算该加载方式下的骨盆应力、应变及位移的分布情况。结果与结论:建立了高精度骨盆骶髂关节脱位两种内固定的三维有限元模型。通过应力应变云图分析与比较后发现,采用骶髂关节拉力螺钉内固定相对于前路钢板内固定移位的总位移小,应力分布均匀,无明显高度集中现象,固定强度更大,固定后的骨盆更稳定。利用有限元方法分析骨盆骶髂关节脱位两种内固定生物力学稳定性,具有较高真实性、精确度和可重复性,结果与其他生物力学实验结果相一致,能满足临床骨盆损伤研究的需要。     

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。     

长、短节段椎弓根螺钉并骨水泥强化治疗骨质疏松性胸腰段椎体骨折的有限元分析

文题释义： 长、短节段椎弓根螺钉固定：临床上对于长、短节段固定的范围目前尚无统一的标准。一般来说,长节段固定是指伤椎椎体上、下各2个或2个以上椎体的固定,短节段固定范围包括骨折椎体上、下各一个椎体。此次研究中,短节段固定设置3组螺钉(包括骨折椎体及骨折椎体上下各一个椎体),长节段固定设置5组螺钉(包括骨折椎体及骨折椎体上下各2个椎体)。 骨水泥强化椎弓根螺钉：利用骨水泥弥散进入椎弓根螺钉周围的骨质,通过其弥散凝固效应提高骨-钉界面的把持力,可提高骨质疏松椎体内椎弓根螺钉置入后的稳定性和抗拔出力,减少松动或脱出等并发症。一般有2种方式,一种先行钉道系统内骨水泥灌注强化,随后拧入椎弓根螺钉;另一种是使用的带侧孔及前孔的骨水泥灌注螺钉,拧入椎弓根螺钉后在灌注骨水泥。背景：椎弓根螺钉内固定联合骨水泥强化钉道是治疗严重骨质疏松性椎体骨折的有效方法,但其没有统一标准,其中固定节段的范围是临床争议的焦点之一。 目的：建立骨质疏松性胸腰段椎体骨折后路长节段和短节段骨水泥强化椎弓根螺钉内固定的三维有限元模型,分析两组中相邻节段结构、骨折椎体及内固定装置等的生物力学特征。 方法：选取1例排除明显退行性病变志愿者T₉-L₅节段进行CT扫描,获得Dicom格式CT图像,导入工程软件,建立有限元几何模型,模拟胸腰椎骨折、钉道强化长短节段固定模型,根据文献设置相关材料参数,对比分析两组的生物力学特征。 结果与结论：①椎骨所受应力主要集中在椎体的四周及附件的小关节面;在前屈、后伸、左、右侧弯4个方向上,近端和远端相邻椎骨所受的最大应力,长节段均大于短节段;椎间盘的应力主要集中在外周的纤维环,在6个方向上,近端和远端相邻椎间盘所受的最大应力,短节段均大于长节段,但长节段相邻椎间盘受应力较大的区域大于短节段,因此长节段固定邻近节段发生退变的概率及相邻的椎体发生骨折的风险可能较高;②长节段组和短节段组骨折椎体均发生不同程度位移,左、右侧弯时发生位移最明显;在6个运动方向中,短节段组骨折椎体的位移和所受的最大应力均大于长节段组,因此长节段固定可较好地维持骨折椎的稳定性;③内固定装置所受的应力主要集中在两端的螺钉及杆的局部,长节段组固定装置所受的最大应力均大于短节段组,但两端螺钉的主要应力区域则较短节段组减少。 ORCID: 0000-0002-0286-0472(罗培杰) 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     

计算机模拟椎体成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景：椎体成形后邻近椎体再骨折的原因,是骨质疏松的发展过程,或是骨水泥增强、椎体成形干预造成的？ 目的：用有限元方法观察椎体成形对相邻椎体的力学影响,分析相邻椎体继发骨折的病因。 方法：利用MIMICS软件,对1例T₁₂骨质疏松性椎体压缩骨折患者CT图片进行预处理后导入ABAQUS软件中建立T10~L2三维有限元模型,模拟经椎弓根单侧和双侧入路椎体成形,设置0.3,1.0,4.0 MPa 3种轴向载荷进行生物力学分析。 结果与结论：成功建立了椎体成形前后的三维有限元模型。当轴向压力以0.3,1.0,4.0 MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加。椎体成形后增强椎体(T₁₂)上、下终板骨水泥注入侧的应力增强区域范围减少,所受最大应力明显减少;邻近椎间盘及椎体的应力分布无明显变化;T₁₂相邻椎体(T₁₁、L₁)及远端椎体(T₁₀、L₂)所受最大应力无明显改变。提示椎体成形后引起上下相邻椎体继发骨折的并发症可能和生物力学结果改变无关。     

胸腰段爆裂性骨折内固定治疗的生物力学特点

目的利用三维有限元方法分析3种不同后路内固定治疗胸腰段爆裂骨折的生物力学特性。方法建立T11~L3胸腰段三维有限元模型及L1椎体爆裂性骨折模型,在骨折模型上分别于后路加载跨伤椎短节段、经伤椎短节段、跨伤椎长节段内固定装置。比较正常胸腰段及3种骨折内固定模型在脊柱屈曲、后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种运动状态下L1椎体及其临近椎间盘的生物力学特点。结果正常脊柱模型、跨伤椎短节段、经伤椎短节段、跨伤椎长节段内固定模型伤椎椎体的等效应力分别为31. 63、13. 41、110. 35、13. 17 MPa。正常脊柱模型的最大等效应力为3. 84 MPa,出现在L1~2椎间盘; 3种内固定模型伤椎临近椎间盘的最大等效应力分别为0. 41、0. 36、0. 40 MPa,均出现在T12~L1椎间盘。结论经伤椎短节段内固定可导致伤椎椎体内应力增高。3种内固定方式下伤椎临近椎间盘应力均小于正常脊柱模型。