传统椎弓根螺钉与改良皮质骨轨迹置钉技术的生物力学性能有限元分析

背景:根据现有皮质骨轨迹置钉技术的不足,作者提出了改良皮质骨轨迹置钉技术,但尚不清楚改良皮质骨轨迹置钉技术实际的力学性能表现。目的:通过有限元方法,对比改良皮质骨轨迹置钉技术与传统椎弓根螺钉技术应用于骨质疏松腰椎后生物力学性能上的差异。方法:获取4具人骨质疏松椎体标本的CT扫描数据,建立L4椎体有限元模型,创建螺钉模型,改良皮质骨轨迹置钉技术选用4种规格(直径为4.5,5.0,5.5,6.0 mm,长度均为40 mm)的螺钉,传统椎弓根螺钉技术选用2种规格(直径为6.0,6.5 mm,长度均为45 mm)的螺钉。首先,对螺钉依次进行安全性测试,置钉时导致椎弓根骨皮质发生破坏者被排除。确定安全直径后,分析螺钉的单钉拔出力、螺钉稳定性及椎体稳定性。结果与结论:(1)螺钉安全性测试:传统椎弓根螺钉技术选用直径6.5 mm、改良皮质骨轨迹置钉技术选用直径6.0 mm螺钉置入时存在骨质破坏的风险,其余直径螺钉无风险,该两组直径螺钉被排除后续测试;传统椎弓根螺钉技术螺钉安全直径为6.0 mm,改良皮质骨轨迹置钉技术螺钉安全直径为4.5,5.0,5.5 mm;(2)单钉拔出力:传统椎弓根螺钉技术组(...     

有限元分析改良皮质骨轨迹置钉在腰椎翻修术中的力学性能

目的 利用有限元分析探究改良皮质骨轨迹置钉（modified cortical bone trajectory,MCBT）、皮质骨轨迹置钉（cortical bone trajectory,CBT）技术在腰椎翻修手术中的力学性能,并分析MCBT相比CBT在翻修手术中的优势。方法 根据CT扫描数据建立L1~5节椎体、终板、纤维环、髓核三维模型,在椎体模型中按传统轨迹（traditional trajectory,TT）椎弓根置钉技术进行置钉,再将TT螺钉去除,保留TT钉道,并用MCBT、CBT螺钉在该椎体上进行翻修置钉,对腰椎重新固定。利用有限元分析MCBT、CBT在翻修手术中的力学性能。结果 在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下,CBT翻修组相比对照组运动范围（range of motion,ROM）分别降低12.07%、19.60%、8.72%、7.66%,L3~4椎体间纤维环应力分别增加11.27%、30.43%、35.52%、25.36%,L4~5椎体间纤维环应力分别降低39.84%、52.64%、23.91%、15.77%;MCBT翻修组相比对照组,ROM分别降低13.18%、20.27%、25.63%、8.59%,L3~4椎体间纤维环应力分别增加10.41%、21.60%、15.83%、18.41%,L4~5椎体间纤维环应力分别降低37.14%、61.94%、39.46%、35.23%;MCBT翻修组相比CBT翻修组ROM分别降低1.26%、0.83%、18.53%、1.00%,L3~4椎体间纤维环应力分别降低0.77%、6.77%、14.53%、5.54%,L4~5椎体应力分别降低2.82%、15.91%、19.79%、8.75%。在前屈工况下,MCBT翻修组L4~5椎体间纤维环应力相比CBT翻修组增加4.49%,在后伸、侧弯、轴向旋转工况下分别降低19.65%、20.44%、23.11%。结论 采用MCBT、CBT进行椎体翻修时均能够提供满足椎体固定要求的力学性能,并且MCBT的固定性能与安全性能不劣于CBT。研究结果为腰椎翻修术提供了更多的入路选择,在临床中具有一定参考意义。     

有限元分析皮质骨轨迹螺钉联合椎弓根螺钉固定椎体运动单元的生物力学性能

背景：关于单个皮质骨轨迹螺钉的生物力学研究国内外已有多篇文章报道,但关于椎体、融合器、钉棒整个运动单元的生物力学研究,特别是关于皮质骨轨迹螺钉联合传统椎弓根螺钉（cortical bone trajectory combined with pedicle screw,CBTPS）固定方式对运动单元的应力分布情况及内固定装置稳定性的相关研究报道并不多。目的：归纳分析传统椎弓根螺钉固定与CBTPS固定骨质疏松椎体运动单元上的生物力学差异。方法：基于一位骨质疏松志愿者（骨密度T值<-0.25 SD）的CT数据,建立L3到骶椎椎体功能单元骨质疏松有限元模型。通过有效性验证后,建立传统椎弓根螺钉和CBTPS两种固定模型,比较两种模型在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转6种工况下内固定的应力及椎体运动单元活动情况;比较两种内固定方式下运动单元的应力分布情况及内固定装置的稳定性。结果与结论：（1）有限元验证结果显示,模型可较好地模拟骨质疏松患者腰椎的生理活动。（2）两组模型在屈曲、后伸状态下,内固定装置最大应力接近,但是CBTPS组内固定装置在侧屈与旋转状态下钉棒系统最大应力值要大于传统椎弓根螺钉...     

骨圈对椎弓根钉系统负载影响的三维有限元分析

目的：探讨单枚人体皮质骨圈(allograft fusion cage，AFC)斜植融合术中椎弓根钉系统受力分布，并对临床常见断钉原理进行分析，为临床应用提供理论依据。方法：采用二三维有限元方法(finite element method，FEM)，对放置及不放置AFC的脊柱Steffee钢板固定效果进行评估。结果：未放置AFC时Steffee钢板所受最大应力约为放置AFC状态下的4．8倍；椎弓根钉与螺帽交界处所受应力为最大，尤其上位螺钉与靠近椎体侧螺帽交界处是应力值最大点，未放置AFC时椎弓根钉最大应力点约为放置AFC状态下的5．0倍。结论：螺钉与钢板交界区是容易发生断钉的区域，尤其上位螺钉与靠近椎体侧螺帽交界处是最易断钉的部位；椎弓根钉系统放置AFC会明显增强融合节段稳定性，减少断钉等并发症。     

皮质骨圈在椎弓根钉固定系统中支撑作用的生物力学评价

目的：了解脊椎椎弓根钉固定系统在人体皮质骨圈（allograft fusion cage,AFC)植入椎间隙前后对脊柱稳定性的影响。方法：在8具新鲜成年猪离体腰椎标上，以L2－3，L3－R，L4－5节段为实验对象，测试各节段在正常状态下（正常组）、椎间盘切除并Steffee钢板固定（内固定组）、椎间盘切除AFC植入Steffee钢板固定（AFC组）等三种种状态下的轴向压缩刚度。结果：（1）内固定组节段轴向压缩刚度为正常组的14．0％；（2）AFC组节段的轴向压缩刚度明显增加，达到了正常椎间的轴向压缩刚度；（3）在相同轴向压缩载荷作用下，AFC给椎弓根钉受力移位较内固定组明显减小。结论：脊椎椎弓根钉固定系统在AFC椎间植入后，对脊椎稳定性较无AFC植入显著增强，其受力移位明显减小，即可显著减少临床断钉。钢板折弯的机会。     

腰椎皮质骨钉道螺钉内固定技术的研究进展

如何对骨质疏松性腰椎疾病患者实施可靠的腰椎内固定技术,是脊柱外科医生共同面临的难题。皮质骨钉道(cortical bone trajectory,CBT)螺钉内固定技术是近几年出现的一种新型的腰椎椎弓根螺钉技术,通过椎弓根皮质骨钉道,使螺钉与皮质骨最大化接触,增加了螺钉固定强度,减少了螺钉松动。本文从腰椎CBT螺钉内固定技术的技术特点、生物力学研究、临床应用状况、优缺点等方面进行综述,并对该技术的未来作一简略展望。     

传统与皮质骨轨迹椎弓根螺钉内固定术的生物力学对比

目的 比较皮质骨轨迹(cortical bone trajectory, CBT)和传统轨迹(traditional trajectory, TT)椎弓根螺钉内固定对正常和骨质疏松性脊柱活动度(range of motion, ROM)和钉棒系统受力的影响。方法 建立正常骨质和骨质疏松腰椎L3～S1有限元模型,使用两种轨迹的螺钉钉棒系统对L4～5节段进行内固定,分别模拟人体前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转6种生理载荷,对比两种内固定术式对正常和骨质疏松脊柱ROM和螺钉最大等效应力的影响。结果 对于两种骨质情况,相比于未置钉的节段模型,CBT和TT手术均显著降低了固定节段(L4～5)和下腰椎整个节段(L3～S1)ROM;但是,CBT组较TT组ROM下降的幅度略小,两者在屈伸时相近,而在侧弯和轴向旋转时差别明显;此外,在正常骨质模型和骨质疏松模型中,CBT组螺钉最大等效应力均较TT组有明显增加,正常骨质模型中CBT组螺钉最大等效应力在屈伸、侧弯、轴向旋转时比TT组分别提高27%、268%、58%。但在同时采用CBT技术时,骨质疏松模型较正常骨质模型有更小的螺钉应力分布。结论 骨质疏松条件下,...     

探讨同一椎弓根内置入传统椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉的可行性

目的探讨同一椎弓根内置入传统椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉的可行性,为腰椎相邻节段退变性疾病翻修及严重骨质疏松患者双螺钉固定提供参考依据。方法选择本院2015年10月至2017年10月期间住院的40例患者腰椎CT数据,其中男18例,女22例,年龄19～83岁,平均年龄(57.9±17.4)岁。通过数字化技术分别进行三维重建,根据腰椎不同节段椎弓根皮质骨通道参考宽度(trajectory reference width,TRW)、椎弓根宽度(pedicle width,PW)及椎弓根松质骨宽度(spongy bone width,SBW)来选择合适尺寸的椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉。本研究基于传统椎弓根螺钉置入皮质骨通道螺钉和同时置入传统椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉两种方式分别进行模拟置钉。置钉过程中如果出现不可避免的刺破通道皮质或置入的双螺钉间存在耦合部分均视为置钉失败,根据置钉情况分别统计出两种置钉方式的置钉成功率,并根据TRW分组了解各区间的置钉成功率情况。结果腰椎各节段椎弓根内基于传统椎弓根螺钉置入皮质骨通道(cortical bone trajectory,CBT)螺钉的置钉成功率为L_1:47.50%,L_2:62.50%,L_3:57.50%,L_4:70.00%,L_5:47.50%,平均置钉成功率为57.00%。椎弓根内同时置入传统椎弓根螺钉和CBT螺钉的置钉成功率分别为L_1:61.25%,L_2:76.25%,L_3:77.50%,L_4:91.25%,L_5:82.50%,平均置钉成功率为77.75%。同时置入传统椎弓根螺钉和皮质骨通道螺钉组的置钉成功率明显高于基于传统椎弓根螺钉置入皮质骨通道螺钉组;随着TRW的增加,两组的置钉成功率也逐渐提高。结论椎弓根内同时置入传统椎弓根螺钉和CBT螺钉的成功率明显大于基于传统椎弓根螺钉置入CBT螺钉组,术前测量TRW对同一椎弓根内双螺钉固定的安全可行性具有重要的指导意义。     

枢椎4层皮质骨椎弓根螺钉的影像学测量及置钉策略

目的　探讨枢椎经椎管4层皮质骨椎弓根螺钉置钉策略的可行性及技术方法。 方法　利用PACS系统调阅92例正常成人枢椎椎弓根水平横断面MRI图像,测量椎弓根内侧壁切线（tangent of pedicle medial wall,TPMW）与脊髓切线（tangent of spinal cord,TSC）、硬膜切线(tangent of dura mater,TDM)间距离及椎管内侧壁切线 (tangent of spinal canal medial wall,TSCMW)与TSC、TDM间距离,以及脊髓和椎管横径、矢状径等参数。 结果　同性别双侧参数差异无统计学意义。男性枢椎TPMW与TSC的距离为9.05 mm,女性为8.57 mm;男性TPMW与TDM的距离为5.04 mm,女性为4.76 mm。男性TSCMW与TSC的距离为7.14 mm,女性为6.70 mm;男性及女性TSCMW与TDM的距离均为3.28 mm。 结论　在枢椎椎弓根水平,经椎管行枢椎4层皮质骨椎弓根螺钉理论上可行,但需根据具体情况采用个性化的策略。     

皮质骨轨迹置钉在腰椎翻修中的力学分析

背景：目前,临床中对固定失败的椎体进行手术翻修的方式存在不足与风险,为规避常规翻修手术的风险,可应用皮质骨轨迹置钉技术对固定失败的椎体进行翻修手术,但在翻修手术中皮质骨轨迹置钉技术螺钉的力学性能尚不明确。目的：利用有限元分析皮质骨轨迹置钉在腰椎翻修手术中的力学性能,为临床应用皮质骨轨迹置钉技术进行翻修手术提供理论依据。方法：获取骨质疏松症椎体CT扫描数据并建立L4节椎体模型。分别在L4椎体模型中完成皮质骨轨迹置钉(CBT初始组)以及传统椎弓根螺钉的初次置钉(TT初始组),并将其力学数据作为后期评价翻修手术性能的基线标准。再将传统椎弓根螺钉去除,保留其钉道,用皮质骨轨迹置钉的螺钉在该椎体上进行二次置钉(CBT翻修组),实现腰椎的重新固定,并利用有限元分析翻修后螺钉的轴向抗拔出力、稳定性以及腰椎活动度。结果与结论：(1)CBT翻修组螺钉轴向抗拔出力比TT初始组提高25.6%;(2)在下、左、右3种工况,CBT翻修组螺钉的载荷位移比,相对于TT初始组分别提升18.5%,41.3%,35.0%;CBT翻修组螺钉的载荷位移比,在上工况比TT初始组略有提升,但差异无显著性意义(P> 0.05...     

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。     

新型变径全皮质骨螺纹螺钉设计以及在腰椎改良皮质骨轨迹的应用

目的 设计一款用于改良皮质骨轨迹（modified cortical bone trajectory,MCBT）置钉技术的新型变径全皮质骨螺纹螺钉,验证新型变径全皮质骨螺纹螺钉在MCBT技术中的力学特性。方法 根据MCBT技术,设计螺钉的螺距为2 mm,全长45 mm,粗杆部分直径恒定5.5 mm,细杆部分直径为4.0~4.5 mm变径,粗杆和细杆连接的变径位置长度为2 mm。从变径位置、螺纹深度、螺纹类型3个方面设置参数,开展三因素三水平L9正交试验,并建立螺钉模型。基于有限元方法对设计的螺钉进行扭转、弯曲和拔出力计算,对结果进行极差分析并确定螺钉模型。建立骨质疏松标本L4椎体三维模型,并按照MCBT技术置钉。比较新型变径全皮质骨螺纹螺钉和常规非变径全皮质骨螺纹螺钉抗拔出力。结果 通过极差分析,得出螺钉6（变径位置距离螺钉头部24 mm,螺纹深度0.7 mm,螺纹类型为45°对称螺纹）为最优螺钉。在抗拔出力方面,第6款变径全皮质骨螺纹螺钉比4.5 mm常规非变径全皮质骨螺纹螺钉提高13.1%,与5.5 mm常规非变径全皮质骨螺纹螺钉相比不具有统计学差异。结论 螺钉变径位置对螺钉拔出力影响最小,螺纹类型对拔出力影响最大,螺纹深度对扭转、弯曲影响最大。与常规非变径全皮质骨螺纹螺钉相比,变径全皮质骨螺纹螺钉前端较细,可避免进钉点发生劈裂;螺钉后端直径较粗,具有较好的抗拔出力性能。研究结果为MCBT技术的临床应用提供新的理论基础。     

振动对骨重建影响的三维有限元分析

目的观察不同振动频率刺激下股骨表观密度的变化情况,从而确定何种振动参数能对骨骼系统产生最有益影响。方法先获得兔股骨扫描图像,再利用UG软件对图像进行三维重建得到股骨的实体模型,最后导入ANSYS软件中,利用ANSYS软件布尔操作中的减操作,得到带有空腔的兔股骨生物力学模型。结果通过有限元仿真分析,发现添加振动激励后骨骼的应力分布和骨密度发生了变化,股骨部分部位骨密度增加。结论有限元分析不但为分析振动对骨重建的动物和人体实验打下基础,还为进一步深入了解骨骼结构与力学环境之间的关系、为进一步研究对抗航天失重引起的骨丢失和治疗骨质疏松症提供了帮助。     

各向异性松质骨弹性性能有限元分析

骨质疏松会导致松质骨细化从而降低松质骨力学性能。为了评估椎体松质骨的力学特性,文中采用有限元参数化建模,利用十四面体模型模拟棒状小梁骨的微结构,对各向异性松质骨的弹性性能进行了计算分析。通过控制输入参数Tb.Th、Tb.Sp、E0模拟不同骨质疏松程度的松质骨。计算结果表明,松质骨模量与骨体积分数呈平方律关系;随着各向异性比的增加,松质骨纵、横向模量间的比值呈线性增加,而横向两个模量保持基本一致。结果说明该微结构模型较好地反映了松质骨的横观各向同性性质,并能较好地反映受载松质骨的应力分布。     

不同材料赋值属性下髋关节有限元分析

目的 探讨 3 种不同建模方式对髋关节有限元模型生物力学特性的影响,研究出更符合实际的髋关节的材料属性赋值方法。 方法 对髋关节模型进行三维重建,分别采用皮-松质骨赋值法、均一赋值法和灰度赋值法完成材料参数赋值,设定相同的边界条件和载荷,模拟单腿站立位状态下髋关节受力情况,对比 3 组模型的髋关节应力和形变情况。 结果 3 种不同建模方式下髋关节应力均集中于股骨颈内侧,皮-松质骨赋值法、均一赋值法、灰度值赋值法模型 von Mises 应力峰值分别为 11. 04、3. 91、4. 25 MPa。 皮-松质骨赋值法模型最大形变位于股骨大粗隆上部,髋臼与股骨头处最大形变值为 0. 27 mm。 均一赋值法模型及灰度值赋值法模型最大形变位于髋臼与股骨头处,最大形变值分别为 0. 11、0. 12 mm。 结论 根据髋关节 CT 数据灰度值进行梯度赋值,使得髋关节模型材料属性分布更接近骨骼真实的材料属性。     

眼球-眼外肌有限元模型的建立与力学分析

将有限元分析(FEA)方法运用到眼科研究中,建立了眼球和眼外肌的三维有限元模型并进行外力加载,通过非线性有限元计算过程得出模型的位移、应力、应变等结果,探讨眼部结构与受力、运动之间的关系,所得结果与眼科临床知识相符合.     

接骨板不同螺钉布局下骨愈合过程有限元分析

目的探究螺钉布局方式对骨愈合的影响,为相关的骨折治疗提供基础。方法采用有限元方法研究不同螺钉布局方式下骨愈合过程;采用骨折块应变理论(interfragmentary strain theory,IFS)模拟骨痂的生长变化过程;利用Python语言对ABAQUS进行二次开发,使得迭代过程中骨痂所划分的每个单元都根据IFS理论更新弹性模量,从而模拟骨折愈合过程。结果不同数量螺钉对骨愈合过程的影响小于不同接骨板工作长度对骨愈合过程的影响;稳定固定的前提下,接骨板工作长度一定时,螺钉数量变化对接骨板或螺钉的应力影响较小;接骨板工作长度不同,对接骨板及螺钉的应力影响较大,且工作长度变化对螺钉上应力变化的影响大于对接骨板的影响。结论相较于螺钉数量,对于接骨板工作的长度应着重考虑,应当遵循在保证内固定系统稳定的前提下,减少接骨板上的螺钉数量,并对接骨板工作长度的选择进行恰当的选择。     

基于有限元法的骨组织工程支架力学性能分析及改进设计

目的分析不同孔隙结构和孔隙率骨组织工程支架的力学性能,并对支架的孔隙结构进行改进设计使其性能提高。方法利用SolidWorks软件进行方形孔、球形孔和圆柱形孔3种结构55%～75%孔隙率的支架建模,计算得到各结构的表面积体积比;利用ANSYS Workbench软件进行结构受力的有限元计算,得到支架结构的应力分布和等效压缩模量;根据应力分布的特点,将方形孔的支架结构改进为长方形孔隙结构和长方体单元结构两种支架。结果随着孔隙率的增加,3种结构的表面积体积比均增大,对于相同的孔隙率,方形孔和球形孔的表面积体积比较大,圆柱形孔最小;3种结构的最大压应力总体趋势是随着孔隙率的增加而增大,对于同一孔隙率的3种结构,方形孔的最大压应力最小;3种结构的模量和孔隙率近似呈线性关系,方形孔和圆柱形孔的模量值相近;60%孔隙率的方形孔及两种改进结构应力分析表明,两种改进结构的平行于应力方向的4条棱侧壁应力可减小约15%。结论方形孔的表面积体积比和力学性能比相同孔隙率的球形孔和圆柱形孔结构要更有优势,而改进的两种结构又可以提高方形孔的力学性能,两种改进的孔隙丰富了组织工程支架的结构,研究结果为两种支架的临床应用提供力学依据。