人体胸腰椎体几何学测量及生物力学特性实验研究

研究水下爆炸产生的舰船冲击载荷导致舰船人员脊柱损伤的生物力学特性。分别从10具健康成年男性尸体上截取完整的胸腰椎,然后剔除不需要的软组织,并从胸、腰椎上仔细分离出各个自由椎体,对每个椎体上下两个端面处理后进行静态和动态压缩试验研究。从胸椎T₁至腰椎 L₅,随着椎体在脊柱位置上的下降,椎体的横截面积和体积逐渐增加,每个椎体所承受的动态和静态压缩破坏载荷也逐渐增加。计算动态应力强度与静态应力强度的比值,胸椎平均为1.51,腰椎平均为1.46。胸腰椎体面积和体积与其所本身所能承受的载荷变化趋势与人体承载能力的规律相一致,它反映了舰船冲击载荷造成船员胸腰椎损伤的机制及其损伤特性。     

骶骨骨折的动态冲击试验研究

目的:探讨骶骨在冲击载荷作用下发生骨折的机理。方法:采集人体新鲜骨盆标本10具,分别行动态冲击试验和静态破坏试验,测量动态骨折时的一系列动力学参数,确定骨折的动力学特性。结果:⑴骶骨受垂直冲击时按应力波的传递方向发生骨折,其动力学性质呈粘弹性,应力波呈周期性衰减,得到了骶骨的载荷响应曲线与应变响应曲线;骶骨骨折的平均冲击载荷为(9366±514) N,冲击时间为(2.78±1.02) s,动荷系数为1.21。⑵骶骨的动态破坏机制与静态破坏机制有很大的不同,不但极限载荷不同,而且前者随应变速率的提高而快速增加,冲击能量在25 J以上时呈脆性劈裂状通过骶孔或骶髂关节骨折,并累及神经根损伤,而静态大多为骶髂关节骨折。结论:骶骨骨折大都在高速冲击下发生,与其动力学特性、力的传导以及动载荷响应等诸多因素相关。     

三维有限元法分析脊柱保护器对人体胸腰段的支持与保护作用

背景:人体脊柱保护器对预防人体胸腰段脊柱损伤有保护作用,新型动力性保护器的研发需要通过多种实验手段的验证。目的:利用三维有限元法分析脊柱保护器在轴向载荷作用下对人体脊柱胸腰段的生物力学响应。方法:从已建立的全脊柱三维有限元模型中截取胸腰段,将佩戴脊柱保护器的胸腰段模型设计为实验组,未佩戴脊柱保护器的胸腰段模型设计为对照组。给上述两组模型进行赋值、约束、加载、运算,获得目标单元的等效应力及应变。结果与结论:在垂直承载的两组胸腰段模型中,应力均集中于L2椎体的中、后柱。根据目标单元采集数据发现,实验组与对照组模型在16 ms时达到等效应力最大值,分别为3.919,5.727 MPa。统计分析得出T12与L2节段实验组与对照组等效应力比较,P均0.05,对照组所受应力均大于实验组,差异有显著性意义;而T11与L1节段实验组与对照组的等效应力比较,差异无显著性意义(P0.05)。提示脊柱保护器可以明显减少垂直坠地时胸腰段椎体所受的应力,分担载荷,对胸腰段椎体具有保护支持作用。     

腰椎爆裂骨折椎体松质骨内力学分布特点的有限元研究

目的运用有限元方法模拟腰椎爆裂骨折的过程,观察腰椎在轴向压缩载荷作用下松质骨内的应力分布情况。方法建立正常人体胸腰段(T12~L2)运动节段的三维有限元模型,在T12椎体上表面施加不同等级的压力(0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 k N),模拟腰椎爆裂骨折发生时椎体承受的不同等级的轴向压缩载荷。将连接椎体上下终板凹面顶点的连线7等分,在此基础上将L1椎体中的松质骨划分为7个具有统计节点的层面,每个统计层面划分成6个统计区。分别测量L1椎体松质骨内3个层面(第1、4、7层面)18个统计区的平均应力。在同一等级载荷下对3个层面内的平均应力进行单因素方差分析,分析腰椎椎体松质骨内不同载荷作用下的应力分布情况。结果在5个不同等级载荷下,第1、7层松质骨平均应力分别与第4层比较有统计学意义(P0.05),而第1、7层平均应力比较无统计学意义(P0.05)。轴向加载时,相比第1、7层应力,椎体松质骨中间层面(第4层)应力最小。结论腰椎在轴向压缩载荷作用下,椎体松质骨内存在应力集中的现象,接近椎体上下软骨板的松质骨应力较大,而椎体松质骨中间层面应力较小,椎体内应力集中分布在上下软骨板的特点与腰椎爆裂骨折所致终板破裂的生物力学机制相一致,提示腰椎椎体骨结构损伤可能与椎体内应力集中有关。     

基于三维有限元模型的人体全腰椎振动特性研究

振动暴露被认为是诱发腰椎退行性病变和下腰痛的重要原因,本研究旨在探寻振动载荷对腰椎生物力学的影响。基于人体腰椎L1节段至骨盆(L1-pelvis)的CT扫描数据,重构L1-Pelvis三维几何模型。对该几何模型进行网格划分和材料特性赋值,建立L1-Pelvis三维有限元模型,并利用可获得的实验数据对模型的有效性进行验证。基于该有限元模型,通过瞬时动态分析计算出腰椎各运动节段在幅值40 N,频率5 Hz轴向正弦振动载荷作用下的力学响应,并与-40 N和+40 N轴向静态载荷作用下的结果进行对比,响应参数包括椎体轴向位移、纤维环膨出变形和纤维环基质冯·米塞斯应力。研究结果表明,相比于静态载荷,振动载荷下腰椎各运动节段的椎体轴向位移、纤维环膨出变形、纤维环基质冯·米塞斯应力的幅值分别增加了0.550～1.020 mm、0.124～0.251 mm、0.043～0.099 MPa,最大增幅分别可达195.0%、175.7%、151.4%。从量化角度说明振动载荷下腰椎发生损伤的风险更高。     

侧向冲击载荷作用下股骨-骨盆复合体的生物力学响应

目的利用三维有限元分析方法研究股骨-骨盆复合体在人体侧向摔倒时冲击载荷作用下的生物力学行为特性。方法基于中国力学虚拟人模型库建立股骨-骨盆-软组织复合体的三维有限元模型,包括皮质骨、松质骨和软组织;同时,构建一个刚体平面仿真地面。约束地面刚体,对整个股骨-骨盆-软组织复合体模型施加侧向2 m/s的速度载荷,整个仿真分析时间设定为20 ms。通过三维有限元分析计算获得股骨-骨盆侧摔冲击过程中应力应变变化特性。结果在13 ms时,股骨大转子处软组织与地面的接触力达到最大值7 656 N,对应的骨盆软组织上的最大等效应力值为2.64 MPa。冲击过程中,耻骨联合处骨皮质上等效应力出现极大值,为142.64 MPa,接近其屈服强度;股骨颈和大转子处应力水平较高,股骨颈处皮质骨上的最大等效应力值为76.49 MPa;股骨颈处松质骨上的最大等效应力值为8.44 MPa,最大压缩应变值为0.94%;股骨大转子处松质骨上的最大等效应力值为8.50 MPa,最大压缩应变值为0.93%。结论人体股骨-骨盆复合体在侧摔减速冲击载荷作用下股骨颈、大转子及耻骨联合处易出现骨折。     

ZH椎弓根内固定器治疗胸腰椎骨折的生物力学研究

目的对自行设计的ZH椎弓根内固定器治疗胸腰椎骨折进行力学测试,为临床应用提供生物力学依据。方法取9具新鲜的成人尸体胸腰椎脊柱标本,采用Panjabi方法制作损伤模型,用ZH椎弓根内固定器、Dick钉、Steffee钢板三种内固定方法分组固定后,分别进行载荷-应变、椎体强度、位移、扭转强度、稳定性与刚度及胸腰椎极限承载能力等生物力学测试。结果经生物力学测试,椎体应变:ZH内固定器组明显小于Dick钉组和Steffee钢板组,A点应变分别相差7.2%、14%(P<0.05),B点相差17%、28%(P<0.05);椎体强度:ZH内固定器组与两对照组相比A点应力减小7%与14%(P<0.05),B点应力减小17%和29%(P<0.05);纵向位移ZH内固定器组比两对照组分别减少24%和33%(P<0.05),水平位移减少40%和55%(P<0.05)。结论ZH椎弓根内固定器生物力学性能优良,临床可推广使用。     

经皮穿刺椎体后凸成形中骨水泥渗漏入椎管与胸腰椎椎体后壁形态的关系

背景:经皮穿刺椎体后凸成形术(percutaneous kyphoplasty,PKP)是治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的有效方法,虽然临床效果满意,但骨水泥渗漏仍然为其主要并发症,既往文献报道骨水泥渗漏进入椎管的因素较多,但由于缺少对于胸、腰椎椎体后壁形态的观察,胸腰椎椎体后壁形态差异可能也是导致骨水泥渗漏进入椎管的重要因素之一。目的:探讨胸、腰椎椎体后壁形态对骨质疏松性椎体压缩骨折患者行PKP术骨水泥渗漏入椎管的影响。方法:选取行PKP术治疗的临床资料完整并同时具有T6-L5的CT平扫及三维重建影像资料的骨质疏松性椎体压缩骨折患者98例。采用CT三维重建及多平面重建技术测量非骨折椎体后壁凹入椎体的深度及相应椎体中矢状径,计算各椎体后壁凹入椎体深度占同一椎体中矢状径百分比。将测量椎体分为胸椎组(T6-T12)和腰椎组(L1-L5)进行比较观察。选择同期内行PKP手术治疗无CT三维重建资料的骨质疏松性椎体压缩骨折患者357例(548个椎体),也分为胸椎组和腰椎组观察比较骨水泥渗漏侵占椎管程度。结果与结论:①测量98例患者椎体后壁参数发现,椎体后壁凹入椎体深度在T6-T12逐渐加深,平均4.6 mm;L1-L5逐渐变浅,平均0.6mm,椎体后壁凹入椎体深度占同一椎体中矢状径百分比T6-T12均为16%(1/6);L1-L5平均为3%,腰椎较胸椎明显小于16%(1/6);②观察同期行PKP手术治疗的357例患者发现:胸椎行PKP术骨水泥脉渗漏入椎管渗漏率为10.2%(31/304),腰椎渗漏率为3.7%(9/244)。胸椎组骨水泥渗漏侵占椎管最大矢状径平均为(3.1±0.2)mm,侵占椎管面积平均为(30.8±0.3)mm2,椎管侵占率为(22.5±0.2)%;腰椎组骨水泥渗漏侵占椎管最大矢状径为(1.4±0.1)mm,侵占椎管面积为(14.9±0.2)mm2,椎管侵占率为(11.4±0.3)%,胸椎组骨水泥渗漏发生率、侵占椎管最大矢状径、面积明显大于腰椎组(P<0.05)。③结果证实,中下胸椎行PKP术应尽量避免骨水泥分布达到椎体后16%(1/6),因中下胸椎、腰椎椎体后壁凹入椎体深度差异会对PKP术骨水泥渗漏进入椎管的观察造成影响,可能是导致中下胸椎椎管内骨水泥渗漏率明显高于腰椎的原因之一。该试验获得西南医科大学附属医院伦理委员会批准(批准号:K2018008)。     

兔脊柱节段压缩的生物力学研究

目的通过进行动物脊柱的轴向压缩实验,探究脊柱损伤的病理机制,为脊柱损伤的治疗、预防和研究提供参考。方法通过轴向压缩实验对兔脊柱节段进行生物力学研究,同时利用数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术记录压缩过程并进行应变分析。结果沿脊柱从上向下,节段的极限载荷和承载能力均不断增加;相对应的单椎体的平均极限载荷明显大于节段;椎间盘在水平和竖直方向的应变明显大于上下椎体。结论在脊柱承受压应力的过程中,应重点考虑椎间盘的承载能力,脊柱节段的损伤主要表现为椎间盘异常。研究结果有助于脊柱压缩性骨折的预防和治疗,以及相关治疗器械和辅助器械的设计。     

骨水泥对椎体成形术治疗胸腰椎骨质疏松压缩性骨折的生物力学影响

目的运用有限元方法模拟椎体成形术中骨水泥剂量对不同骨质疏松程度胸腰椎T11~L3生物力学影响,为术前骨水泥注射量的选择提供理论依据。方法基于CT图像建立胸腰椎T11~L3有限元模型并验证。建立12个不注射骨水泥的不同骨质疏松程度椎体对照组模型,向椎体L1分别注射1.8、3.6 m L骨水泥,建立24个不同骨质疏松程度的骨水泥增强椎体有限元模型。在椎体T11上表面施加500 N垂直载荷和7 N·m力矩并计算分析椎体在垂直、后伸、前屈、侧弯及扭转工况下的应力和位移。结果注射骨水泥后,扭转载荷下椎体应力和位移变化最大。与对照组模型相比,注射1.8 m L骨水泥时,随椎体骨质疏松程度加重,扭转载荷下椎体L1应力从增加55.0%上升到87.7%,位移从减小6.5%上升到32.0%;最大骨质疏松程度的椎体T12和L2扭转应力变化率分别为3.6%和5.7%。注入3.6 m L骨水泥时,随椎体骨质疏松程度加重,扭转载荷下椎体L1应力从增加288.5%上升到313.8%,位移从减小8.9%上升到44.7%;最大骨质疏松程度的椎体T12和L2扭转应力变化率分别为7.3%、7.6%。结论骨质疏松程度的加重和骨水泥注射量的增加会引起椎体应力增加,特别是扭转载荷下椎体应力变化最大。对骨质疏松程度严重的骨折椎体选择小剂量骨水泥以避免较大的应力增加,且应限制病人的扭转活动。     

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。     

腰椎椎体有限元建模的最优单元尺寸和材料属性分布及建模方法

目的研究人体腰椎椎体有限元建模中有限元的单元尺寸和类型、松质骨材料属性分配方式以及皮质骨结构模拟方法对有限元结果的影响。方法基于定量CT扫描人体腰椎的影像,采用6种不同的单元尺寸(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm)、2种松质骨材料属性分配方法、2种松质骨非均匀材料属性分配梯度(150、300)、2种皮质骨结构建模方法,建立22个去除后部结构的腰椎L2段椎体有限元模型,计算获得22个有限元模型的最大位移、应变能、平均应力、轴向刚度,并对这些结果进行统计分析和验证。结果单元尺寸为0.5 mm时,10、150、300三种非均匀材料属性分配梯度下,模型的轴向刚度值出现明显差异;不同单元尺寸下,松质骨在150种非均匀材料属性分配梯度下,模型的平均应力波动变化平缓;利用最外层六面体单元模拟皮质骨结构方法,其平均应力大于利用在最外层添加蒙皮(skin)模拟皮质骨结构方法。结论在进行腰椎椎体有限元建模时,选取0.5 mm尺寸的六面体单元、为椎体松质骨分配150种非均匀材料属性、利用最外层六面体单元模拟椎体皮质骨结构的建模方法,建立的有限元模型更加合理和有效。研究结果为后续大批量、个体化腰椎椎体模型的建立奠定基础。     

Edwards套棒方法治疗胸腰段脊柱不稳定损伤的生物力学实验研究

本文报告Edwards套棒装置及单纯Harrington分离棒治疗胸腰椎不稳定损伤的力学实验研究结果。取成年猪新鲜胸腰椎脊柱6具,切断前纵韧带、椎间盘纤维环、后纵韧带,造成前中柱不稳定损伤15处。测力传感器固定于椎体前缘并骑跨损伤处,使之检测纵向复位力。单侧内固定装置固定。实验结果表明:单侧Edwards套棒装置产生纵向复位力量89N,较Harrington分离棒48.7N提高82.7％(P<0.0005);二种内固定装置分别用于胸、腰椎时,纵向复位力均无显著差异(P<0.05),表明胸段肋骨对纵向复位力无影响。生物力学分析,纵向复位力与横向前推力成正比例关系,增大内固定装置对伤椎的横向前推力,可提高纵向复位力量。同时其它学者也报告Edwards套棒装置具有良好的脊柱三维稳定作用。所以,作者认为Edwards套棒装置集对脊柱骨折复位与稳定于一体,是理想的内固定装置。     

Calibration of the mechanical properties in a finite element model of a lumbar vertebra under dynamic compression up to failure

Finite element models (FEM) dedicated to vertebral fracture simulations rarely take into account the rate dependency of the bone material properties due to limited available data. This study aims to calibrate the mechanical properties of a vertebral body FEM using an inverse method based on experiments performed at slow and fast dynamic loading conditions. A detailed FEM of a human lumbar vertebral body (23,394 elements) was developed and tested under compression at 2,500 and 10 mm s⁻¹. A central composite design was used to adjust the mechanical properties (Young modulus, yield stress, and yield strain) while optimizing four criteria (ultimate strain and stress of cortical and trabecular bone) until the failure load and energy at failure reached experimental results from the literature. At 2,500 mm s⁻¹, results from the calibrated simulation were in good agreement with the average experimental data (1.5% difference for the failure load and 0.1% for the energy). At 10 mm s⁻¹, they were in good agreement with the average experimental failure load (0.6% difference), and within one standard deviation of the reported range of energy to failure. The proposed method provides a relevant mean to identify the mechanical properties of the vertebral body in dynamic loadings.     

三维有限元分析椎体联合后部结构损伤胸椎转移瘤的生物力学特性

BACKGROUND: The spinal column is the most common site of cancer metastases. Most of the previous biomechanical experiments utilized models with defects only in the vertebral body or posterior elements, but the biomechanical changes of the thoracic vertebrae and posterior part with various locations of metastasis deserve further research. OBJECTIVE: To set up the three-dimensional (3D) finite element model to investigate biomechanical effects by simulating combined destruction of vertebral body and other posterior components. METHODS: Based on CT data, we constructed the 3D geometric models of the thoracic vertebrae (T9-11), including intervertebral discs, ligaments and ribs using the Mimics software. The 3D models of T9 vertebra and different parts of the posterior thoracic vertebrae related with the metastasis could be simulated, including the control group with the intact vertebrae, the group of the T10 vertebrae with the right defective hemi-vertebrae, the group of the defective hemi-vertebrae with the defective ipsilateral pedicle, the group of the defective hemi-vertebrae with the defective ipsilateral costovertebral joint, the group of the defective hemi-vertebrae with the defective ipsilateral pedicle and costovertebral joint, the group of the defective hemi-vertebrae with the defective ipsilateral pedicle, costovertebral joint and transverse process. The corresponding 3D finite element models were established using the Abaqus software. The displacement and Von Mises stress distribution of the models were analyzed when the anterior compressive flexure load was applied. RESULTS AND CONCLUSION: When the anterior compressive flexure load was applied, the entire stiffness was proportionally decreased when the more posterior parts destroyed, especially destruction of vertebral body and pedicle significantly decreased. The destruction of posterior structures such as the thoracic rib joints and transverse processes was not great. However, the maximal Von Mises stress increased significantly when the vertebral body and pedicle were destructed, but additional costovertebral joint destruction slightly decreased the maximal Von Mises stress because of the stress was re-distributed.       

Progressive vertebral fusion of unknown etiology: a case report

We report a 16-year-old male with progressive vertebral fusion of the cervical, thoracic, and lumbar vertebrae; irregular vertebral body surfaces; coronal clefting of the vertebral bodies of the thoracic and lumbar spine; absence of one cervical vertebra; and a few other minor, nonspinous abnormalities. All laboratory findings have been within normal limits. To our knowledge, the particular findings in this patient have not been reported previously.     

学龄期儿童胸椎经“椎弓根-肋骨”单元内固定的数字化测量

文题释义： 学龄期儿童：从入小学到青春期发育开始之前为学龄期,一般指6或7-12岁。在经历过第1次生长高速期(出生到3岁)后,此时身高及体质量为稳定生长期,除生殖系统外,其他系统器官发育均接近成人水平。大脑皮质理解、分析,认知能力增强,社会心理进一步发育,在小学的教育影响下,学龄期儿童的认识、观察、注意、记忆、想象、思维、语言等方面不断发展。从11-12岁女孩便开始进入青春期,男孩进入青春期的时间则相对晚一两年。 椎弓根-肋骨单元：椎弓根与其外侧自前向后的肋椎关节、肋骨头、肋横突关节和肋横突韧带共同构成“椎弓根-肋骨”单元。第1,11,12肋头只与其相对应椎体的肋凹及椎间盘相关节;第2-9肋骨的肋头位于上下两个椎体之间;第10肋头有的也和相邻的两椎体相关节;上7个肋骨的肋结节与相应的胸椎横突尖前面的肋凹相关节;第8-10肋结节较近于肋骨的下缘,与相应的胸椎横突尖的上缘相关节;第11,12肋与胸椎存在有肋椎关节,无肋横突关节。 背景：经椎弓根螺钉内固定已广泛应用于腰椎,且在胸椎中固定的应用已逐渐被接受。但由于考虑到上胸椎椎弓根狭窄,特别是在T₃-T₉之间,椎弓根置钉几乎都会穿破皮质伤及邻近重要结构的风险,为避免出现严重的并发症,有学者提出经肋横突关节和肋椎关节至椎体的椎弓根外入路,之后又有人设计了类似的进钉方法,提供足够不穿出肋骨的安全路径。目前,现有的研究多集中于成人中、上胸椎。 目的：测量学龄期儿童胸椎经椎弓根-肋骨单元螺钉内固定的相关解剖参数,探讨其在不同年龄段、不同性别之间的发育规律和形态特征,为临床提供理论依据。 方法：选择7-12岁学龄期儿童胸椎67例,无骨质破坏、肿瘤、畸形、退变、骨折等脊柱疾患及既往无脊柱相关手术病史,行螺旋CT扫描后三维重建,观测椎弓根-肋骨单元的形态结构,测量其横径、长度、内倾角及经椎弓根-肋骨单元置钉安全角度范围并进行统计分析,探讨其在解剖学上置钉的可行性。所有儿童的监护人对试验方案均知情同意,且得到医院伦理委员会批准。 结果与结论：①胸椎“椎弓根-肋骨”单元横径随年龄增加而增大,随椎序的增加呈先减少后增加的趋势,同年龄组内男性大于女性;②经“椎弓根-肋骨”单元钉道长度在不同年龄组中差异均有显著性意义(P < 0.05),随年龄的增长出现明显增高趋势,随椎序的增加呈先增后减趋势;③经“椎弓根-肋骨”单元置钉最小和最大内倾角得出安全角度范围为18°-25°,其中置钉安全范围最大位于T₁,其次为T₁₀,最小位于T₄和T₅;④由此可见,胸椎经椎弓根-肋骨单元置钉安全角度范围儿童较成人窄,在行椎弓根-肋骨单元置钉时若参照成人的标准可能会引起严重的神经血管损伤,需根据术前CT结果进行个体化置钉。 ORCID: 0000-0002-1977-3180(和雨洁) 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     

植入不同直径椎弓根螺钉后腰椎体与椎弓根结合部位骨折力学的稳定性

文题释义：腰椎体与椎弓根结合部位骨折：此为腰椎弓根骨折中的一种类型,腰椎弓根骨折还包括椎弓根体部骨折、椎弓根与椎板结合部位骨折,而腰椎体与椎弓根结合部位骨折较椎弓根体部骨折更为稳定,多数学者主张此型骨折可以经伤侧椎弓根植入椎弓根螺钉。 三维有限元：该方法是目前力学仿真的主要方法之一,通过获取人体的CT或MRI数据,建立逼真的三维模型,再通过将模型网格化,赋予网格相应的材料属性,然后再进行力学分析。因为该方法是获取人体数据后建模,较动物实验更能有效模拟人体结构发生变化时的力学变化。 背景：多数学者认为腰椎与椎弓根结合部位骨折较为稳定,可经由伤侧椎弓根植入椎弓根螺钉来提高骨折断端的稳定性,但经伤侧椎弓根植入的椎弓根螺钉直径大小与椎弓根、椎体所获得的力学稳定性、安全性目前尚有争议。 目的：利用三维有限元法分析不同直径椎弓根螺钉植入椎弓根内与椎弓根皮质关系对骨折腰椎与椎弓根力学稳定性的影响。 方法：基于正常成人L₂-L₃ CT DICOM数据,通过mimics软件建立L₂椎体一侧腰椎体与椎弓根结合部位骨折模型,同时建立L₃椎体三维模型。将制作好的L₂-L₃模型以stl格式导入3-matic中,建立经L₂椎体与椎弓根结合部位骨折处植入不同直径椎弓根螺钉(椎弓根螺钉直径分别为6.5,6.0 mm,长度均为45 mm)的模型,将上述模型在mimics软件中赋予材料属性后导入ansys中,在L₂椎体上表面施加500 N的垂直载荷,模拟标准体质量成人经伤椎植入不同直径螺钉后直立情况下的生物力学表现。 结果与结论：①植入6.0 mm螺钉后,腰椎体与椎弓根结合部位椎弓根下壁、上壁、内壁、外壁所承受的等效载荷分别为(1.28±0.62),(0.95±0.18),(0.62±0.37),(0.36±0.16)MPa,4组间比较差异有显著性意义(F=4.298,P < 0.05);②植入6.5 mm螺钉后,腰椎体与椎弓根结合部位椎弓根下壁、上壁、内壁、外壁所承受的等效载荷分别为(1.82±0.76),(1.11±0.18),(0.93±0.38),(0.43±0.14)MPa,4组间比较差异有显著性意义(F=7.034,P < 0.05);③植入6.5 mm椎弓根螺钉模型椎弓根下壁、上壁、内壁、外壁所承受的等效载荷均大于植入6.0 mm椎弓根螺钉模型对应处(P < 0.05);④结果表明,椎弓根螺钉越大对腰椎体与椎弓根结合部位皮质骨的压力载荷越大,把持力越强;椎弓根上壁、下壁、内壁、外壁所承受的载荷与其皮质厚度呈正相关,下壁皮质骨最厚,其承受的等效载荷最大,外侧壁皮质骨最薄,其承受的等效载荷最小;椎弓根螺钉在椎弓根内越靠近下内侧壁,其把持力越强、稳定性越好,越靠近上外侧壁其把持力越小、稳定性越差,但上外侧壁较下内侧壁置钉更为安全,置钉时仍需依据手术医师的经验权衡利弊进行。 ORCID: 0000-0003-0823-4728(宗治国) 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