腰椎三角固定装置的三维有限元分析

[目的]研究三角固定装置的生物力学特性,并与常规椎弓根螺钉固定方法比较.[方法]建立L3～5 TLIF三维有限元模型,分别用双侧椎弓根螺钉固定(BPSF)、单侧椎弓根螺钉固定(UPSF)、三角固定装置固定(TCF).L3表面施加500 N预载荷,再施加10N·m的力距模拟腰椎前屈、后伸、左右侧屈、轴向旋转等生理活动,测试不同工况下L4～L5节段角位移,椎弓根螺钉或经椎板关节突螺钉、融合器应力分布情况.[结果] BPSF与TCF L4～L5节段角位移小于UPSF; UPSF的螺钉应力峰值明显高于BPSF、TCF; UPSF椎间融合器的应力峰值在各种工况下高于BPSF、TCF,BPSF与TCF基本相似.[结论]TCF生物力学稳定性优于UPSF,与BPSF相似.     

腰椎滑脱后路不同融合术式的有限元研究

目的 建立L4.5，滑脱节段的有限元模型，研究椎弓根螺钉内固定加后外侧植骨融合、椎弓根螺钉内固定加双枚椎间融合器（cage）植入及椎弓根螺钉内固定加单枚融合器植入等3种融合术式的固定节段的稳定性。方法 选择一名56岁退变性腰椎滑脱女性患者，以k节段为研究对象，采用螺旋CT对其进行层厚1．0mm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Ansys9．0软件，建立L4.5滑脱节段三维非线性有限元模型。同时根据椎弓根螺钉、融合器的几何尺寸，分别建立其相应的有限元模型。在此基础上，根据临床术式将上述模型进行不同组合，分别建立椎弓根螺钉固定加后外侧植骨融合、椎弓根螺钉固定加双枚融合器植入及椎弓根螺钉固定加单枚融合器植入等3种腰椎滑脱后路融合术式的有限元模型，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、融合器的应力分布及融合节段的角位移变化，由此比较各模型的稳定性。结果 后外侧植骨融合术式的螺钉应力和角位移明显高于椎体间融合术（P〈0．01）；椎弓根螺钉内固定加单枚融合器植入与椎弓根螺钉内固定加双枚融合器植入两组之间螺钉应力、融合器应力及固定椎体的角位移的差异无统计学意义（P〉0．05）；各模型固定节段螺钉及融合器的最大有效应力均出现于前屈时。结论 椎弓根螺钉内固定加单枚或双枚融合器植入的稳定性优于椎弓根螺钉内固定加后外侧植骨融合；对于椎体间融合，植入单枚融合器和双枚融合器的稳定性无明显差别。     

斜外侧椎间融合联合单侧椎弓根钉棒固定术的三维有限元分析

目的 :运用三维有限元分析法验证斜外侧椎间融合术(oblique lateral interbody fusion,OLIF)辅助单侧椎弓根钉棒固定能否为相应单一融合固定节段提供足够的椎间稳定性。方法:在健康人L3～S1节段CT扫描数据的基础上,利用Mimics、Geomagic、3-Matic软件建立L3～S1三维有限元模型,设定为正常对照组(M0),以此为基础联合使用Freeform等软件分别建立L4/5节段OLIF单纯融合固定(Stand alone)模型(M1)、OLIF辅助单侧椎弓根钉棒固定(Wiltse入路)模型(M2)、OLIF辅助双侧椎弓根钉棒固定(Wiltse入路)模型(M3)。设定500N预载荷作用于L3顶端,再施加10N·m的力矩模拟脊椎直立、前屈、后伸、侧屈及旋转等生理活动,按上述加载条件作用于M0,对模型有效性性进行验证,同时按相同加载条件作用于各有限元模型,观察各有限元模型不同工况下L4/5节段相对活动度(ROM)、椎间融合器和椎弓根钉棒应力分布状况,记录最大应力值。结果:通过与文献数据比较,本有限元模型L4/5节段ROM在不同运动状态下与前人研究结果相近,证明本模型具备有效性。4组有限元模型前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转运动状态下ROM值由小到大排序为M3、M2、M1、M0。M2相比M0、M1能较好地控制前屈和后伸,M2的ROM相比M0前屈后伸时变化幅度分别为75.43%、85.20%,相比M1变化幅度分别为58.88%、70.39%。M3相比M2前屈和后伸时稳定性亦较好,M3的ROM相比M2前屈后伸时变化幅度分别为25.55%、25.33%。除外变化幅度差异较小的右侧弯和右旋转状态,M2较M0的ROM变化幅度远大于M2与M3之间ROM的变化幅度。M2相较M0各工况下ROM变化幅度为14.08%～85.20%,M2相较M3各工况下ROM变化幅度为16.44%～25.55%。椎间融合器应力值方面,除直立时M2应力峰值略高于M1,其余运动状态下OLIF各手术组融合器应力峰值随着附加椎弓根钉棒数量的增加而表现出一定的下降趋势,这种趋势以后伸时表现最明显,幅度变化为109.14%。钉棒应力峰值方面,M2钉棒应力峰值除右侧弯时明显低于M3,左侧弯时略低于M3,其余运动状态下其钉棒应力峰值均高于M3,二者应力差异以右侧弯和后伸时较大,M2较M3分别变化-33.09%和76.79%。三组模型钉棒及椎间融合器应力峰值均远未达到其屈服强度。结论:OLIF联合单侧椎弓根钉棒固定模型可以为相应融合固定节段提供足够的椎间稳定性。     

内窥镜下后路腰椎椎体间融合附加单侧椎弓根螺钉固定的力学基础

[目的]通过生物力学试验评价内窥镜下后路腰椎椎体间融合(PLIF)附加单侧椎弓根螺钉固定的稳定性及力学合理性。[方法]建立PLIF术式相关的小牛腰椎模型,进行前屈、后伸、左右侧屈、扭转等的非破坏性测定,记录融合节段L4、5和邻近节段L3、4的应变、应力、腰椎的轴向刚度和扭转刚度等力学量并对比分析。[结果]PLIF附加单侧椎弓根螺钉固定组融合节段上的应变、应力在前屈、后伸、侧屈等工况下较正常组有所减少但差异无统计学意义(P>0.05),而与PLIF附加双侧椎弓根螺钉固定组间差异有非常显著性意义(P<0.01)。在500 N载荷作用下,PLIF附加单侧椎弓根螺钉固定组脊柱位移为(2.56±0.34)mm,轴向刚度较正常组增加了5%,但差异无统计学意义(P>0.05);而与PLIF附加双侧椎弓根螺钉固定组间差异有统计学意义(P<0.05)。PLIF附加单侧椎弓根螺钉固定后扭转刚度较正常组差异无显著性(P>0.05),但明显低于PLIF附加双侧椎弓根螺钉固定组(P<0.05)。同时,PLIF附加单侧椎弓根螺钉固定后,邻近节段L3、4小关节上的应变、应力及L3、4椎间盘上的应力在各种不同工况下与正常组间差异无统计学意义(P>0.05),而在前屈时与PLIF附加双侧椎弓根螺钉固定组间差异有统计学意义(P<0.05)。[结论]PLIF附加单侧椎弓根螺钉固定可以弥补由于后方骨性和韧带结构部分破坏所造成的医源性不稳,增强腰椎的初始稳定性;在重建脊柱稳定性的同时,并没有增加邻近节段退行性疾病发生的危险。     

单枚融合器与单钉棒系统微创术式的有限元研究

目的 探讨融合器放置方法对单钉棒固定系统各结构单元、对侧小关节应力分布的影响.方法 建立腰椎功能节段及椎弓根螺钉及融合器的三维有限元模型,将其叠加后获得融合器垂直放入及斜向放入的单侧固定TLIF术式有限元模型,加载后测试系统在前屈、后伸、左屈、右屈及左旋、右旋等各工况下融合器、螺钉、钛棒及对侧小关节应力分布情况.结果 ①融合器无论是垂直放入还是斜向放入,椎弓根螺钉的载荷分布情况无明显差异;②融合器斜向放入时,可以明显改善右侧弯及前屈状态下的对侧小关节的应力分布;③融合器斜向放入可以明显改善后伸状态下融合器及终板的应力分布;并可改善左旋状态下钛棒的应力分布.结论 在实施单侧的TLIF术式时,融合器合理的放置方式应该是斜跨中线放置,这样不仅有助于改善系统的整体应力分布,同时有助于降低终板的应力峰值,从而减小终板塌陷;并减小对侧小关节的应力载荷,降低对侧小关节紊乱和术后腰痛的发生率.     

腰髂固定钉道的优化及有限元分析

目的建立腰椎髂骨联合内固定的有限元模型并进行生物力学分析。方法选择1位健康成年男性志愿者,行腰椎及骨盆64排螺旋CT扫描,将原始数据以.dicom格式导入Mimics 16.0软件,进行骨盆三维重建,同时确定L4、L5椎弓根和髂骨安全区螺钉置入几何钉道、自由钉道;通过Solidwoks 2012软件建立髂骨腰椎联合内固定钉棒系统模型,导入Ansys 12.0软件中进行装配。应用500 N轴向压缩载荷,测量两种钉道模型在前伸、后屈、左右侧屈及左右旋转等工况下的位移、von Misses应力分布结果。结果两种钉道模型在前屈、侧屈、后伸工况下整体位移、应力及在前屈、侧屈工况下螺钉的最大应力值表现的较为接近,但在旋转工况下几何钉道模型的整体位移、应力以及在后伸、旋转工况下螺钉的应力均明显小于自由钉道模型。骨盆最大应力均在固定螺钉表面,数值在190~260 MPa,连接骶骨与椎体的2枚螺钉的折弯处为应力集中区域,最大von Misses应力出现在纵向杆的L4~L5椎弓根螺钉。在旋转载荷情况下,连接L4~L5椎弓根螺钉和髂骨螺钉的纵杆上部承受最大应力。结论通过数字化分析确定的腰髂固定几何钉道有更高的抗疲劳、抗旋转以及整体稳定性,腰髂内固定系统可有效分担椎体所受应力。     

不同生长棒内固定方式治疗早发性脊柱侧凸的有限元分析

[目的]探讨不同生长棒内固定方式治疗重度早发性脊柱侧凸的有限元生物力学差异及最佳内固定方式。[方法]选取1例接受单侧生长棒矫形手术的7岁男性EOS患者,并进行层厚为0.625mm的超薄螺旋CT扫描。通过有限元建模方法分别建立该患儿术前(M1)及术后(M2,单侧生长棒和4枚螺钉)的有限元模型,并模拟建立其他4种生长棒内固定方式的有限元模型(M3,单侧生长棒和8枚螺钉;M4,单侧生长棒、3枚螺钉和1枚椎板钩;M5,双侧生长棒和8枚螺钉;M6,双侧生长棒、6枚螺钉和2枚椎板钩)。收集各有限元模型的椎体、椎弓根螺钉、椎板钩及生长棒的生物力学数值并进行对比分析。[结果] M5、M6、M3模型依次具有最佳的生物力学性能。同M2、M3、M4模型相比,M5和M6模型具有更小的椎体位移及应力和更大的生长棒应力。当椎弓根螺钉更换为椎板钩时,椎体位移及应力、其他螺钉及生长棒的应力均会增加。[结论]螺钉固定的双侧生长棒系统最为坚固;螺钉-椎板钩固定系统可以降低内置物的僵硬度;单侧生长棒系统通过增加螺钉数量可以改善其生物力学性能。     

不同螺纹C2椎弓根拉力螺钉系统固定治疗枢椎环骨折的有限元分析

目的：比较半螺纹、双螺纹、全螺纹C2椎弓根拉力螺钉系统固定治疗枢椎环骨折的生物力学特性，为临床选择椎弓根螺钉提供参考。方法：获取1名28岁健康成年男性志愿者的C0～C3节段薄层CT扫描数据，建立正常颈椎C0～C3节段三维六面体网格有限元原始模型。参照既往枢椎环骨折C2椎弓根骨折分型，通过弱化网格单元强度的方法在原始模型上建立A、B、C三种枢椎环骨折模型：A型骨折模型，双侧椎弓根对称性骨折；B型骨折模型，单侧上关节突及椎体后壁骨折，伴对侧椎弓根骨折；C型骨折模型，双侧上关节突骨折，伴椎体后壁骨折。分别用单螺纹、双螺纹及全螺纹椎弓根拉力螺钉系统模拟固定C2-3节段，在模型枕骨髁部施加50N垂直向下压力模拟头颅重力，同时施加1.5N·m力矩使模型加载前屈、后伸、侧屈及旋转四种生理载荷，比较各固定模型在各工况下节点路径上的位移及应力分布情况。结果：固定A型骨折模型后，单螺纹螺钉在各工况下节点路径上的最大位移均小于双螺纹螺钉和全螺纹螺钉；固定B型骨折模型后，单螺纹及双螺纹螺钉各工况下节点路径上的最大位移小于全螺纹螺钉，单螺纹螺钉在前屈、后伸工况下节点路径上的最大位移小于双螺纹螺钉，在侧屈及旋转工...     

下腰椎不同固定方式的生物力学对比研究

目的 观察下腰椎不同固定方式对腰椎稳定性的影响.方法 新鲜成人尸体下腰椎标本6具,测定L4/5节段屈伸、左右侧屈、左右旋转6个方向ROM和刚度值的变化,按5组顺序依次测试:A组(正常下腰椎标本组);B组(单侧椎板关节突螺钉固定+椎间单枚Cage);C组(单侧椎弓根螺钉固定+椎间单枚Cage);D组(单侧椎弓根螺钉联合对侧椎板关节突螺钉固定+椎间单枚Cage);E组(双侧椎弓根螺钉固定+椎间单枚Cage).结果 与A组比较,B组各运动状态ROM有减少,而刚度明显增加,差异有统计学意义(P＜0.05);与B组比较,C组各运动方向ROM与刚度,差异无统计学意义(P＞0.05);与C组比较,D组各运动状态ROM有减少,而刚度增加,差异有统计学意义(P＜0.05);与E组比较,D组各运动方向ROM与刚度,差异无统计学意义(P＞0.05);与E组比较,C组各运动状态ROM有增加,而刚度减少,差异有统计学意义(P＜0.05).结论 单侧椎板关节突螺钉固定并椎间融合器植骨方法提供了一定的稳定性,而单侧椎弓根螺钉联合对侧椎板关节突螺钉固定并椎间融合器植骨具有与双侧椎弓根螺钉固定相同的稳定性,临床上可根据病例的具体情况,如身高体质量指数、病变类型及病变节段稳定程度选择性地应用上述两种固定融合方法.     

单枚椎间融合器并对侧经皮椎弓根螺钉固定的生物力学研究

目的对单枚融合器联合单侧钉棒系统固定的生物力学性能进行评价。方法5具新鲜小牛腰椎标本，建立以下力学模型：A组：双侧开窗＋双枚融合器置入＋双侧椎弓根钉棒固定；B组：单侧小关节切除＋单枚融合器斜向置入＋同侧椎弓根钉棒固定；C组：单侧开窗＋单枚融合器置入＋同侧椎弓根钉棒固定；D组：单侧开窗＋单枚融合器置入＋对侧椎弓根钉棒固定。在生物力学平台上测试各试验组在不同工况下的ROM值。结果A组的固定最稳固，各工况下ROM值最低。B组的前后抗弯ROM值与A组差异无显著性，其左右侧弯和旋转方向的稳定性较A组有所降低。与B组比较，D组的前后弯曲性能与B组差异无显著性，其左右侧弯方向的ROM低与B组。两组的抗旋转ROM值差异无显著性。C组的左右抗弯及抗旋转性能均差于B、D组。结论单枚椎间融合器联合对侧椎弓根钉棒固定是一种力学性能较为优良组合，可以替代单侧斜向融合器并同侧椎弓根钉棒技术用于下腰椎微创手术。