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。     

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。     

跨伤椎与经伤椎固定治疗胸腰椎爆裂性骨折的有限元分析

[摘要]目的 利用三维有限元方法研究跨伤椎4钉内固定与经伤椎6钉内固定两种方法治疗L1椎体爆裂性骨折的应力分布情况。方法 选取1例外伤致L1椎体爆裂性骨折患者,AO分型：L1：A4（N0;M1）。利用CT扫描数据建立T12-L2节段脊柱模型,在此基础上分别建立跨伤椎4钉内固定模型和经伤椎6钉内固定模型,两组模型均未使用横连接。分别对其施加相同载荷以模拟屈伸、侧屈和旋转等动作,记录模型最大位移和螺钉应力峰值。结果 成功建立了跨伤椎4钉与经伤椎6钉两种内固定模型。位移云图显示不同载荷下两种模型最大位移无明显差异,仅右旋时4钉模型较6钉模型最大位移值增加7.0%,而在其他5种姿势下两模型最大位移相差不超1.5%;应力云图显示不同载荷下4钉模型中螺钉应力峰值均较6钉模型明显增加,增加范围为24.6% ～ 38.1%。结论 跨伤椎4钉内固定和经伤椎6钉内固定均可有效恢复节段的稳定性,经伤椎6钉模型应力更加分散,可能减少内固定失败的发生。     

颈胸段脊柱全脊椎切除术后不同重建方式的有限元分析

目的 基于CT图像对人体颈胸段脊柱C5~T2节段进行三维模型重建,采用有限元方法探究椎弓根螺钉、钛网和钢板等不同内固定器械组合对颈胸段脊柱全脊椎切除（total spondylectomy, TS）术后稳定性的影响及内固定器械的应力分布。方法 建立颈胸段脊柱C5~T2节段健康完整模型,并通过与体外实验关节活动度（range of motion, ROM）结果对比验证模型有效性。在健康完整模型基础上,建立颈椎C7节段行TS后的4种重建模型：TM+AP+DPS模型（钛网+前路钢板+后路双节段椎弓根螺钉固定）,TM+AP+SPS模型（钛网+前路钢板+后路单节段椎弓根螺钉固定）;TM+DPS模型（钛网+后路双节段椎弓根螺钉固定）;AP+DPS模型（前路钢板+后路双节段椎弓根螺钉固定）,并分析各重建模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右扭转时的ROM及内固定器械的应力分布情况。结果 TS术后重建会大幅度降低重建节段ROM,模型的重建节段ROM均下降超过93%,后路单节段螺钉固定时,钛网出现应力集中现象。结论 4种模型重建节段固定效果相近,后路双节段螺钉固定的3种模型中内固定器械应力分布较为平均,模型整体稳定性优于后路单节段固定模型。     

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。     

螺钉F角对后路单节段固定稳定性的影响

目的　比较4组不同椎弓根螺钉置入方式对后路单节段固定生物力学稳定性的差异。方法　将24具新鲜小牛胸腰椎标本(T11~L3)分为4组,用椎体楔行切除法在L1椎体上制作严重压缩性骨折模型,用4组不同进钉角度行后路单节段椎弓根钉内固定,对固定后的标本施加频率为1.0Hz的前屈／后伸、左／右侧屈和左／右旋转疲劳载荷各3000次,经脊柱三维运动测量系统测量正常、损伤、固定和疲劳后4种状态下固定节段(T13~L1)前屈／后伸、左／右侧屈和左／右旋转运动范围,将其标准化为稳定指数后比较四组内固定方式在4种状态下6个载荷方向上稳定性的差异。结果　4组固定均能显著提高骨折模型在6个载荷方向上的稳定性(P<0.01),而且显著强于正常标本组(P<0.01),但四组间无显著性差异(P>0.05);疲劳试验后4组标本在6个载荷方向上的稳定性均小于各自疲劳试验前,但两者间无显著性差异(P>0.05),且4组间无显著性差异(P>0.05)。结论　只要保证螺钉在椎弓根及椎体内且伤椎螺钉避开骨折区域,螺钉的F角大小不会影响单节段固定的即刻稳定性及疲劳后稳定性。     

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。     

腰椎棘突间Coflex动态固定的三维有限元分析

目的比较腰椎棘突间Coflex动态固定、单纯减压及坚强固定术后各节段活动度及椎间盘应力,分析Coflex系统的生物力学特点。方法运用三维有限元方法建立正常成人腰骶椎模型,及开窗减压、棘突间Coflex动态固定、椎弓根钉棒坚强固定模型,约束骶骨及髂腰韧带,施加500N预载荷和7.5Nm运动附加力,测量腰椎节段各方向的活动度及椎间盘应力。结果 Coflex固定模型活动度和椎间盘应力分别为,植入节段(L4/5):前屈3.15°,2.571MPa,后伸1.21°,2.109MPa;上位邻近节段(L3/)4:前屈3.46°,2.001MPa,后伸2.75°,3.149Mpa;下位邻近节段(L5S1):前屈3.22°,2.681MPa,后伸2.46°,3.812MP。结论 Coflex动态固定可保留植入节段部分活动度并减低其椎间盘应力,而对相邻节段活动度及椎间盘应力无明显影响。     

有限元分析颈椎棘突骨折内固定有效性

通过对颈椎棘突骨折(累及椎板)内固定治疗有限元模型的建立和分析,明确此种治疗方式对颈椎棘突骨折的有效性。先建立正常全颈椎(C0-T1)的有限元模型并与文献报告进行对比验证,模型验证后,在正常模型基础上建立颈椎棘突骨折(累及椎板)模型,并模拟直型接骨板行内固定治疗,测量并比较颈椎棘突骨折模型及手术内固定模型和原始正常模型在前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转6种条件下活动度改变。以及颈椎各结构的应力变化。结果表明,在正常模型上结合临床病例建立的颈椎棘突骨折(累及椎板)外观逼真,生物力学相似度良好。骨折模型部分节段,主要为C7-T1的活动度(前屈+后伸9.20°,左右侧弯5.83°,左右旋转13.12°)较正常模型(前屈+后伸7.11°,左右侧弯4.92°,左右旋转 9.59°)增大,尤其是旋转活动度,模拟植入内固定后稳定性增加(前屈+后伸4.07°,左右侧弯2.21°,左右旋转2.91°),且内固定钢板应力分析提示,承受最大应力值在安全范围。颈椎棘突骨折(累及椎板)及内固定模型可以较好地模拟临床实际病例,通过有限元分析预示,此型骨折存在潜在不稳的可能性,探讨微型棘突钢板在骨折手术治疗中的应用,具有一定的临床参考价值。     

经胸腰段伤椎单节段椎弓根螺钉固定后的生物力学特性

背景：临床常采用经伤椎椎弓根螺钉内固定治疗胸腰椎骨折,研究已证实经伤椎双侧椎弓根螺钉固定后脊柱稳定性加强,但也有研究认为经伤椎单节段椎弓根螺钉固定足以增加脊柱的稳定性,但此结论缺乏生物力学结果支持。 目的：观察胸腰段椎体骨折经伤椎单节段固定的相关生物力学特性。 方法：取扬州大学医学院解剖教研室提供8具中国人新鲜胸腰段标本(T₁₁ -L₃),锯条横断2/3椎体,制成完整胸腰段椎体实验标本,将8具标本等分成跨伤椎固定组和单节段经伤椎固定组,分别在跨伤椎临近椎体四钉固定和临近椎体四钉固定+经伤椎单侧椎弓根固定。 结果与结论：胸腰段椎体骨折后经跨伤椎固定与经单节段伤椎固定的载荷-应变关系相差12%、载荷-位移关系相差11%、强度相差18%、轴向刚度相差11%、扭转力相差11%及拔出力相差1.8%,两组差异有显著性意义(P < 0.05),说明经伤椎单节段固定胸腰段椎体骨折的生物力学性能更好。     

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。     

选择性首尾端椎弓根螺钉强化治疗骨质疏松性腰椎退变的有限元分析

文题释义：骨水泥强化椎弓根螺钉固定：此技术旨在针对普通椎弓根螺钉在骨质疏松性椎体中把持力不足的问题,通过空心螺钉直接注入骨水泥或在椎体内预先推注骨水泥,然后拧入螺钉,从而提高骨-螺钉界面稳定性。生物力学试验和临床数据表明其可明显降低螺钉松动、断裂的发生率,但存在骨水泥渗漏、肺栓塞等并发症。 选择性首尾端椎弓根螺钉强化：骨水泥强化椎弓根螺钉一般是在所有固定节段的螺钉均推注骨水泥,存在渗漏风险大、手术时间长、费用高等不足。而根据文献报道和作者的临床观察,骨质疏松椎体中螺钉的松动大部分发生在固定节段的首尾端。因此,此次研究评估了在固定节段的首尾端椎弓根螺钉选择性进行骨水泥强化的稳定性和安全性。 背景：骨水泥强化椎弓根螺钉固定是骨质疏松椎体的有效固定方式,减少骨水泥渗漏是提高其临床安全性的重要方式。 目的：比较选择性首尾端椎弓根螺钉强化和全部椎弓根螺钉强化技术在腰椎融合固定术中的生物力学稳定性。 方法：通过1例正常男性志愿者的腰椎CT扫描数据,建立L₂-L₅节段的完整有限元模型。验证完整模型的有效性后,再分别建立双节段和三节段固定的选择性首尾端椎弓根螺钉强化和全部椎弓根螺钉强化模型。在上位椎体上表面施加150 N的垂直向下载荷模拟人体上半身重力,并施加不同方向上10 N·m的力矩,模拟脊柱前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转等生理活动,比较2组模型固定节段活动度、融合器应力和内固定应力的差异。 结果与结论：①模型的有效性验证显示完整模型在各个方向上的活动度与已发表的尸体研究类似;②在固定节段活动度上,选择性首尾端椎弓根螺钉强化模型的活动度稍大于全部椎弓根螺钉强化模型;但在屈伸、侧弯和旋转等各种活动状态下,2组模型活动度的差值均小于0.15°,说明2种固定方式均能较好的维持手术节段稳定性;③在融合器和内固定应力上,2组模型的差异也较小;④对于双节段和三节段融合固定的伴骨质疏松腰椎退变性疾病患者,选择性首尾端椎弓根螺钉强化与全部椎弓根螺钉强化技术的生物力学稳定性类似,且可减少骨水泥渗漏风险和患者费用,可能是一种较好的替代手术方式。 ORCID: 0000-0003-3952-0030(郭惠智) 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     

新型关节突钉板系统联合单侧椎弓根螺钉固定的生物力学研究

目的 研究经椎间孔入路椎体间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)结合新型关节突钉板系统(articular process fixation system,APFS)的腰椎稳定性.方法 在已验证的有限元模型L3～S1完整节段(模型A)上,模拟TLIF手术,建立...     

微创椎间融合不对称固定的稳定性和椎体应变分布研究

目的研究腰椎微创经椎间孔椎体间融合术(MI-TLIF)不对称内固定条件下节段稳定性和椎体前柱应变分布特点。方法采用新鲜小牛腰椎标本8例,完成L4~L5节段完整状态测试后建立TLIF手术损伤模型,分别测试右侧椎弓根螺钉固定(UPS)、右侧椎弓根螺钉加对侧经关节突椎弓根螺钉(UPS+TFPS)固定、双侧椎弓根螺钉固定(BPS)状态的三维运动范围(ROM),同时在L4椎体前柱表面用电阻应变片技术测量在前屈和侧弯运动中电阻应变数据。结果 UPS+TFPS和BPS固定状态的稳定性效果接近,UPS固定抗旋转稳定性不足。UPS+TFPS固定后椎体前柱应变在前屈和侧弯运动下较BPS固定分别增加21.8%和24.2%。结论 UPS+TFPS固定提供有效稳定的同时可以实现更好的椎体-内植物载荷共享。     

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。     

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,...     

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.      

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。     

Biomechanical Analysis of Fusion Segment Rigidity Upon Stress at Both the Fusion and Adjacent Segments: A Comparison between Unilateral and Bilateral Pedicle Screw Fixation

Purpose

The purpose of this study was to investigate the effects of unilateral pedicle screw fixation on the fusion segment and the superior adjacent segment after one segment lumbar fusion using validated finite element models.

Materials and Methods

Four L3-4 fusion models were simulated according to the extent of decompression and the method of pedicle screws fixation in L3-4 lumbar fusion. These models included hemi-laminectomy with bilateral pedicle screw fixation in the L3-4 segment (BF-HL model), total laminectomy with bilateral pedicle screw fixation (BF-TL model), hemi-laminectomy with unilateral pedicle screw fixation (UF-HL model), and total laminectomy with unilateral pedicle screw fixation (UF-TL model). In each scenario, intradiscal pressures, annulus stress, and range of motion at the L2-3 and L3-4 segments were analyzed under flexion, extension, lateral bending, and torsional moments.

Results

Under four pure moments, the unilateral fixation leads to a reduction in increment of range of motion at the adjacent segment, but larger motions were noted at the fusion segment (L3-4) in the unilateral fixation (UF-HL and UF-TL) models when compared to bilateral fixation. The maximal von Mises stress showed similar patterns to range of motion at both superior adjacent L2-3 segments and fusion segment.

Conclusion

The current study suggests that unilateral pedicle screw fixation seems to be unable to afford sufficient biomechanical stability in case of bilateral total laminectomy. Conversely, in the case of hemi-laminectomy, unilateral fixation could be an alternative option, which also has potential benefit to reduce the stress of the adjacent segment.