腰椎ISOBAR TTL半坚强内固定系统的三维有限元分析

目的 构建出结构精细腰椎L3～S1三维有限元模型,计算ISOBAR TTL系统椎弓根钉、弹簧棒的应力分布、应力峰值并分析其对相邻节段的影响.方法 一名26岁正常男性志愿者的CT图像,利用Mimics11.1、Geomagic studi010.0、HyperMesh 10.0和Abaqus6.8等软件建立L3～S1三维有限元模型,并验证其有效性,重建ISOBAR TTL术后模型,施加150N预载荷及10 Nm力矩,模拟产生运动状态,计算椎间活动度、邻段椎间盘应力、内固定应力分布及应力峰值.结果 成功建立L3～S1三维有限元模型;ISOBAR TTL系统应力主要分布在螺钉钉身处,应力峰值集中在螺钉中部,应力峰值不超过100MPa;对下腰椎整体活动度与无明显影响.结论 ISOBAR TTL系统能有效的维持术后腰椎活动度,减少应力遮挡,理论上可以减缓邻近节段的退变.     

小切口TLIF结合半坚强内固定系统治疗腰椎椎间盘退行性疾病

目的探讨小切口TLIF技术结合半坚强内固定系统治疗腰椎椎间盘退行性疾病的临床疗效。方法2010年3月-2011年3月对21例腰椎椎间盘退行性疾病患者行后路小切口TLIF结合半坚强内固定系统,全部患者使用后正中切口．经肌间隙入路显露、单侧单节段BIOFIX内固定、单枚椎间CAGE（peek材料）植入,行椎管减压、椎间融合治疗腰椎椎间盘退行性疾病。记录视觉模拟评分（VAS）、Oswestry功能障碍指数（Oswestry disability index,ODI）及融合情况。结果21例患者均获随访,随访时间为12-28个月,平均随访15．6个月。术后即时及末次随访时VAS及ODI评分明显改善,与术前相比差异有统计学意义（P〈0．05）,融合率为100％。结论使用后路小切口TLIF技术结合半坚强内固定系统治疗腰椎椎间盘退行性疾病是一种安全、有效的方法,它能够在提供稳定的力学环境保证椎间融合的同时,减少患者的手术创伤,促进康复,并可能避免刚性内固定引起的邻近椎间盘退变。     

Isobar非融合内固定系统治疗腰椎退行性疾病的早期疗效分析

目的评价Isobar非融合内固定系统治疗腰椎退行性疾病的早期疗效。方法 2007年5月至2009年5月,对35例腰椎退行性疾病患者行后路减压术后应用Isobar非融合内固定系统进行固定。比较患者手术前后的腰腿痛视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)、汉化的Oswestry功能障碍指数(Oswestry disability Index,ODI)、整个腰椎及动态固定节段的活动度(range of motion,ROM),对手术疗效进行评价。结果患者均获随访,随访时间12～36个月,平均18个月。术后1年,患者临床症状改善明显。腰腿痛VAS评分由术前的6.45±1.71恢复至2.12±1.42(P<0.001);ODI由术前(76.50%±15.93%)恢复至(21.13%±17.24%)(P<0.001)。腰椎及动态固定节段ROM手术前、后差异无统计学意义。1例在术后3年发生螺钉松动,无临床症状。结论应用Isobar非融合内固定系统治疗腰椎退行性疾病早期疗效满意,其能保留固定节段一定活动度,是一种可取的治疗方法。     

基于三维有限元法的腰椎动态稳定系统建立及生物力学行为初步分析

目的：基于三维有限元建模方法,建立腰椎弓根动态稳定钉棒系统的模型,初步分析处于不同载荷下腰椎的应力分布及各节段的活动度。方法对一名健康成年男性志愿者行CT扫描,用Mimics 10.01、Abaqus 6.10软件建立正常人L3～S2节段模型。结合Bioflex动态稳定系统建立模型。对模型施加150 N预载荷,在3个主平面施加10 Nm扭矩,获得前屈、后伸、侧屈及旋转6种运动状态下的Bioflex钉棒应力分布和各节段的椎间活动度,初步测定后伸及旋转运动的活动度。结果建立的腰椎L3～S2节段和动态稳定系统有限元模型符合生物力学模型,初步分析显示腰椎动态稳定系统的应力主要集中于螺旋固定棒;在各种加载下,腰椎动态固定的节段活动度明显降低。结论基于三维有限元方法建立的Bioflex腰椎弓动态固定模型能很好地模拟腰椎的动态固定力学活动,可以对固定后的腰椎的应力和各种活动进行很好的模拟,具有很好的研究价值。     

TLIF单双侧椎弓根螺钉固定融合前后的有限元分析

目的 探索经椎间孔腰椎椎间融合术(TLIF)单双侧椎弓根螺钉固定方式在椎间植骨融合前后存在的差异.方法 基于正常人L3~5节段的CT扫描数据建立人正常L3~5三维有限元模型(INT )和 TLIF手术模型 ,并在此基础上构建椎间融合前单侧和双侧椎弓根螺钉固定模型(M1和M2) ,以及椎间融合后单侧和双侧椎弓根螺钉固定模型(M3和M4).在设定的加载和边界条件下 ,模拟腰椎前屈、后伸、侧屈及旋转运动 ,并记录L4~5节段角位移和内植物应力分布情况.结果 单侧和双侧椎弓根螺钉固定模型在融合前均较完整状态减少了节段的活动度 ,双侧固定减少幅度更大 ,而融合后这种差异明显缩小.融合前单侧固定的钉棒系统Von Mises应力峰值明显高于双侧固定 ,而融合之后二者应力峰值趋于一致.结论 融合后单侧固定可以提供和双侧固定一致的节段稳定性 ,T L IF手术应用单侧椎弓根螺钉固定的远期临床效果与双侧固定相似.     

椎间融合钉棒系统治疗胸腰段椎间盘突出症分析

目的 探讨胸腰段椎间盘突出症的临床表现及特点,评价前路间盘切除椎间融合钉棒(USS/RSS)系统内固定治疗胸腰段椎间盘突出症的疗效.方法 分析2008～2011年在该院经过CT、MRI诊断的胸腰段椎间盘突出症30例的临床资料,并将其分为低位胸椎组( T10-11～T12L1)17例,高位腰椎组(L1-2～L2-3)13例.30例胸腰段椎间盘突出症患者,均采用侧前方入路,摘除胸腰段突出的椎间盘并进行椎管减压,椎间应用椎间融合器植骨融合,并用钉棒( USS/RSS)系统内固定.结果 30例患者术后能早期离床功能锻炼,疗效可靠,手术取得良好的临床效果.结论 结果表明,前路间盘切除椎间融合钉棒系统(USS/RSS)内固定治疗胸腰段椎间盘突出症,可稳定脊柱,减压彻底,避免损伤脊髓,融合和固定可靠,是一种较好的治疗方法.     

应用腰椎后路动态钉棒固定系统治疗腰椎退行性病变

目的：探讨腰椎后路动态钉棒固定系统的临床应用和疗效。方法：对9例腰椎退行性变患者行手术减压,腰椎后路动态钉棒固定系统固定。结果：9例患者均随访,治疗效果满意。结论：腰椎后路动态钉棒固定系统可加速椎间融合并维持椎间高度与活动度,预防和减少融合相邻节段的椎间盘的退变,近期效果满意。     

复杂性腰椎管狭窄症的有限元建模与分析

目的精确建立复杂性腰椎管狭窄症(lumbar spinal stenosis,LSS)的退变腰椎全节段有限元模型,与正常模型进行对比。方法选取复杂性LSS患者采集CT数据,采用专用生物力学软件建立退变腰椎全节段模型,同时构建正常材质和几何形态的腰椎模型,用相同边界条件进行对比分析。结果复杂性LSS腰椎的刚度增加、活动度范围比正常模型要小,特别是后伸工况减少了25.4%。总体上,退变腰椎的应力有增大趋势,退变节段椎间盘L4～L5和邻近上位椎间盘L3～L4的终板、髓核和和维环基质应力分布趋向四周边缘集中,特别是基质应力最大增加129%。结论复杂性腰椎管狭窄症的腰椎有限元模型的活动度减少、刚度增加,退变椎间盘四周出现应力集中,促进邻近椎间盘退变。     

短节段USS系统内固定治疗胸腰段骨折

目的:总结USS内固定系统治疗胸腰椎骨折的经验。方法:使用USS内固定系统手术治疗胸腰椎骨折33例。结 果:通过术前后X光片及CT检查示椎体高度明显增加,Cobb角由术前21.2°恢复为术后平均5°。结论:USS内固定系统结构 简单,操作方便,固定确切可靠,疗效满意。     

USS脊柱内固定加椎间融合器治疗腰椎滑脱症35例

目的 评价USS脊柱内固定加椎间融合嚣治疗腰椎滑脱症的临床疗效.方法 35例病例均采用后路减压、复位、USS椎弓根系统固定,并取自体骨植骨和椎间融合嚣植骨融合.结果 本组获得随访29例,术后JOA评分:优24例,良2例,中2例,差1例,优良率89.7%.结论 采用USS脊柱内固定加椎间融合器治疗腰椎滑脱症可以取得较好的治疗效果.     

单侧椎板开窗髓核摘除术对相邻节段椎间盘的生物力学影响

目的 应用非线性有限元分析研究单侧椎板开窗髓核摘除术对相邻节段不同程度退变椎间盘应力分布的影响.方法 墓于断层CT图像建立L3～L5节段三维非线性有限元模型,并依据L3～L4椎间盘不同退变程度建立轻、中和重度退变有限元模型,以及单侧椎板开窗髓核摘除术后模型.在模拟前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转六个主要生理活动条件下,分析相邻节段椎间盘L3～L4髓核和纤维环von Mises应力极值变化.结果 行L4～L5左侧椎板开窗髓核摘除后,相邻L3～L4椎间盘为健康椎间盘时,髓核和纤维环基质内von Mises应力极值后伸最大,左侧弯时最小;轻度退变时,应力极值在左侧弯时增加最明显;中度退变时,髓核和纤维环基质von Mises应力极值减小,但仍高于健康椎间盘应力;重度退变时,髓核内von Mises应力极值均较轻中度椎间盘退变时下降,除轴向旋转运动外,甚至低于健康椎间盘时的应力值;纤维环基质内von Mises应力值较轻中度退变时下降,但仍高于健康椎间盘内纤维环应力,尤以左侧弯时明显.结论 当相邻节段椎间盘退变时,行单侧椎板开窗髓核摘除后避免同侧侧弯可以减少异常应力的产生,降低椎间盘退变加速的风险.

Abstract：

Objectives To study the stress distribution of the adjacent different grades of disc degeneration underwenting unilateral laminectomy and discectomy surgery using non-linear finite element analysis. Methods Based on the lumbar CT scans, the finite element model (FEM) of lumbar spinal segment(L3-L3) was established. According to L3-L4 intervertebral disc degeneration, different grades of disc degeneration( healthy,mild, moderate and severe) models were established and unilateral laminectomy and discectomy surgery were also established. Physiological action such as flextion , extension , lateral bending and lateral rotation was simulated and the yon Mises stress in the nucleus pulposus and annulus fibrosus matrix of L3-L4 disc was investagated. Results After unilateral laminectomy and discectomy surgery, the extremum value of yon Mises stress of nucleus pulposus and annulus fibrosus matrix was maximum during extension and minimus left bending in the healthy intervertebral disc. Compared with healthy disc, the increment of extremum value was found during left bending in the mildly degenerated disc. When the value decreased in the moderately degenerated disc, but still higher than that in the healthy disc. When the adjacent disc is severly degenerated, the extremum value of nucleus pulposus decreased, in addition to axial rotation, and even lower than that of healthy disc. The value of annulus matrix decreased and still higher than that of healthy disc , especially during left bending. Conclusions After unilateral laminectomy and discectomy surgery, avoiding lateral bending will reduce the abnormal stress in the degenerated disc and decreased the risk of accelerating disc degeneration.     

腰椎单双侧椎弓根螺钉固定后的有限元分析比较

 目的  建立两节段L3、L5三维有限元模型,并分别行L3、L5两节段单双侧椎弓根螺钉固定,用三维有限元法分析固定后螺钉的应力分布特点。方法  收集人正常 L3、L5 节段的 CT 扫描数据,利用Scan IP等软件建立人正常 L3、L5 三维有限元模型(INT),并在此基础上分别建立L3、L5单侧椎弓根螺钉内固定模型(unilateral pedicle screws,UPS)及双侧椎弓根螺钉内固定模型(bilateral pedicle screws,BPS)。 并于L3 上表面施加 500 N 预载荷,再施加 8 N·m 的力矩模拟腰椎前屈、后伸、侧屈及旋转等生理活动,观察不同工况下两种模型中椎弓根螺钉应力分布情况。结果  由应力分布图可知,两种模型椎弓根螺钉所受应力主要集中在椎弓根螺钉根部、钉棒连接处;相比于上下螺钉,中间椎弓根螺钉基本不受应力;下位椎弓根螺钉承受较高应力。在各个工况下,单侧椎弓根螺钉内固定组最大应力值都高于双侧椎弓根螺钉内固定组。结论  模拟邻近两节段内固定后正常生理活动时,下位椎弓根螺钉钉棒连接处承受较大应力,易发生断裂,且单侧置椎弓根钉相比于双侧置椎弓根钉,在各个状态下内固定承受更大应力,发生内固定断裂失败等风险较大。     

腰椎椎弓根壁侧置钉内固定方式及生物力学三维有限元分析

目的：建立L4,L5三维有限元模型,并分别行椎弓根常规置钉及壁侧置钉两种内固定方式,用三维有限元法分析固定后椎体及螺钉的应力分布特点。方法选取正常成年人L3～L5节段的多层螺旋CT扫描的薄层原始数据（DICOM格式）,利用Mimic等软件建立人正常L4,L5三维有限元模型,并建立L4,L5椎弓根螺钉内固定模型。并于L4上表面施加500N预载荷,再施加8N· m的力矩模拟腰椎垂直压应力、前屈、旋转等生理活动,观察不同情况下两种模型中椎体螺钉应力分布情况。结果由应力分布图可知,在各种载荷下,两种模型的螺钉应力从钉尖至钉棒连接处逐渐减少,螺钉根部附近应力最小。3种载荷之间比较,垂直压缩时螺钉应力最大。椎弓根壁侧置钉内固定方式较常规置钉内固定方式的螺钉应力明显减小。结论模拟两种内固定方式正常生理活动时,椎弓根常规置螺钉内固定模型中椎弓根螺钉的应力主要集中在与椎体交界界面处,而椎弓根壁侧置螺钉内固定模型中螺钉的应力基本分散在钉体上,一部分应力分布在椎弓根皮质上,增加了椎弓根螺钉的抗拔出力,从而增加固定的可靠性,减少发生内固定螺钉断裂等风险。     

可膨胀椎间融合器治疗腰椎间盘轻度退变的有限元分析

目的: 建立可膨胀椎间融合器(EVIFC)和第4、5腰椎的有限元模型,分析EVIFC植入对腰椎生物力学的影响,为EVIFC的临床应用提供依据。方法: 根据健康成年男性腰椎CT扫描数据建立正常第4、5腰椎有限元模型,在此模型上模拟腰4-5椎间盘轻度退变,在三维模型上植入EVIFC。在屈伸、侧弯和旋转的载荷下,分析腰椎模型置入EVIFC前后的稳定性、椎间盘压力、终板压力及小关节载荷变化。结果: EVIFC的置入减少了退变节段终板、髓核和小关节的应力。屈伸时,腰4-5椎体退变模型的终板及髓核平均压力分别是6.1620和0.2016MPa,小关节载荷是32.8N;植入EVIFC后其数值分别是3.526、0.107MPa和8.5N。侧弯及旋转载荷结果一致。对于邻近的腰椎节段,与退变模型比较,植入EVIFC后,腰4-5终板和髓核应力值均有所减小,但其相邻节段纤维环的应力值均有所增加。结论: EVIFC对退变腰椎能起到良好的稳定效果,可满足人体生物力学需求,是一种适宜的新型腰椎融合器。     

非线性三维有限元法分析腰椎间盘退变

目的 探讨椎间盘退变对腰椎活动节段生物力学的影响.方法 采用新型的基于CT图像的CAD建模方法精确建立L4-L5运动节段的三维非线性有限元模型,并通过改变椎间盘材料特性和椎间盘高度等参数,建立正常椎间盘模型和轻、中、重度椎间盘退变模型,分别对4种有限元模型进行生物力学测试,比较4种模型之间刚度、髓核内压、后部结构力、纤维环基质最大应力的差异,并比较椎体、终板的应力分布变化.结果 各种载荷条件下,退变椎间盘模型刚度均与正常椎间盘模型不同,其中轻度退变模型刚度小于正常模型,而中度退变模型和重度退变模型刚度大于正常模型,且重度退变模型刚度大于中度退变模型;与正常模型比较,轻度退变模型的后部结构力略有增大,而中度退变和重度退变模型的后部结构力逐渐减小;随着椎间盘退变程度的增加,髓核内压逐渐减小,纤维环基质最大von Mises应力渐行性增大,各指标在5种载荷下表现一致;随着椎间盘退变的加重,椎间盘承载向纤维环分散,椎体、终板外缘出现应力集中现象.结论 椎间盘退变可导致腰椎活动节段刚度改变,轻度椎间盘退变引起腰椎刚度下降,而中、重度椎间盘退变时腰椎刚度增加;椎间盘退变时腰椎间盘承载与腰椎后部结构力呈现负相关变化;退变椎间盘的承载模式发生改变,椎间盘、椎体、终板应力分布存在向外周扩散的趋势.     

有限元模型分析髓核摘除术后腰椎生物力学特性变化

目的采用三维有限元模型分析方法,探讨腰椎间盘突出症髓核摘除术对腰椎生物力学特性的影响。方法采用新型CAD方法精确建立腰椎L4～L5活动节段有限元模型,构建正常模型、退变模型、髓核摘除即刻模型和瘢痕长入模型,分别模拟正常椎间盘、退变椎间盘、髓核摘除术后即刻和术后中长期随访时的椎间盘,并在压缩、屈曲、伸展、前剪及后剪5种载荷条件下对4组模型进行生物力学测试。结果 (1)各种载荷下退变模型的腰椎节段刚度较正常模型提高;(2)髓核摘除即刻模型的刚度较退变模型减小,但较正常模型提高;(3)瘢痕长入模型腰椎节段刚度大幅回升并超过退变模型;(4)髓核摘除即刻模型在屈曲、后伸和后剪载荷下关节突接触力减小,瘢痕长入模型则表现为在后伸、前剪和后剪载荷下关节突接触力增加;(5)各种载荷下退变模型后向膨出度较正常模型明显减小,髓核摘除即刻模型后向膨出度一定程度回升,但其纤维环内环会发生"内向膨出"。结论腰椎间盘髓核摘除术可在术后不同时段对腰椎运动节段生物力学特性产生不同影响,髓核摘除术后即刻对腰椎稳定性和后部结构应力影响较小,而髓核摘除中长期后则可有腰椎运动节段变硬和关节突的应力增加。     

腰椎经椎间孔椎体间融合不对称内固定的生物力学稳定性实验研究

目的 比较腰椎完整标本和3种L3-4节段的经椎间孔椎体间融合(TLIF)内固定的生物力学稳定性.方法 采用成人新鲜腰椎标本7例,分别于L3-4节段完整状态、左侧TLID同侧椎弓根螺钉(PS)固定、左侧TLIF同侧PS+对侧经关节突椎弓根螺钉(TFPS)固定、左侧TLIF双侧PS固定下,测定10Nm扭矩时前屈/后伸、左/右侧弯及左/右轴向旋转等6种运动下运动范围(ROM)并进行比较.结果 在前屈、后伸及左、右侧弯等4种运动状态下,L<3-4>节段标本完整组ROM明显大于其他3种融合内固定组,均有显著性差异(P<0.05).左、右轴向旋转时,标本完整状态与TLIF同侧PS固定组角位移无显著性差异,明显大于另外2个内固定组,有显著差异(P<0.05).前屈、左侧弯和左旋时,TLIF同侧PS固定与PS+对侧TFPS固定组角位移有显著性差异(P<0.05);6种运动状态下TLIF同侧PS固定的ROM明显大于双侧PS同定组,均有显著性差异(p<0.05).而PS+对侧TFPS固定、双侧PS同定组间ROM均无明显差异.结论 TLIF同侧PS+对侧TFPS周定的稳定性与TLIF双侧PS固定相似,该种腰椎融合不对称内同定方式可作为微创手术治疗的优先备选方案.     

脊柱腰段三维有限元模型的构建与椎间盘应力分析

［摘要］ 目的建立正常脊柱腰段三维有限元模型,为生物力学研究及腰椎损伤研究提供可靠模型。 方法采集1名健康成年男性脊柱腰段CT和MRI断层影像数据,应用Mimics软件依据CT数据对全部腰椎骨及骶骨上部进行三维模型重建,依据MRI数据对L1~L5椎间盘髓核进行三维模型重建。将椎骨与髓核进行空间配准,在此基础上建立椎间盘、关节囊和韧带的三维模型。在Ansys中划分网格并定义材料属性,对模型施加运动性载荷模拟脊柱腰段处于前屈、后伸、侧弯和扭转等运动工况下的生物力学特征,验证模型的有效性。 结果建立了完整的脊柱腰段三维有限元模型,包含椎骨、椎间盘、骶骨上端、韧带、关节囊等重要结构,总节点数为104 190个、总单元数为339 165个。模型通过有效性验证,运动工况下的角位移范围和椎间盘的应力分布特点符合腰椎的生物力学特性。 结论本研究建立的三维有限元模型仿真度高,可用于脊柱腰段的生物力学研究以及模拟疾病和手术对腰椎生物力学的影响。     

保留椎弓根下壁截骨术在治疗陈旧性胸腰椎骨折后凸畸形力学性能的三维有限元分析

目的 采用三维有限元分析法建立胸腰椎模型,比较保留椎弓根下壁截骨术及SRS-Schwab四级截骨术在前屈、后伸、旋转及侧弯时钉棒系统和椎体前缘内植物的应力及整体脊柱力的传导和分布。方法 利用CT数据建立正常男性脊柱T₁₁~L₃模型,以L₁为拟手术椎体,建立SRS-Schwab四级截骨术式（A术式）、保留1/3椎弓根下壁截骨术式（B1术式）、保留1/2椎弓根下壁截骨术式（B2术式）三维有限元模型,采用钛笼支撑椎体前缘。比较A、B1、B2术式三维有限元模型在前屈、后伸、旋转、侧弯时的总应力、各椎间隙的活动度、各内植物的应力情况,以及钛笼植入区域、剩余椎体部分、椎体剩余附属结构及钉棒系统3个部分分别的应力情况。结果 在前屈、后伸、旋转和侧弯时,B2术式的总应力最小（205.6 MPa）,其次为B1术式（207.0 MPa）,A术式最大（217.0MPa）。3种术式间各椎间隙活动度情况相似。内植物应力分析结果显示,B2术式在前屈、后伸、旋转及侧弯活动时,前路钛笼植入区域和后路椎体剩余附属结构及钉棒系统的应力均最小,分别为22.2、187.7、105.8、141.6和75.4、168.4、75.9、214.8 MPa;A术式均最大,分别为27.3、241.8、133.4、188.0和97.5、216.4、98.5、243.0 MPa,均远小于钛合金的屈服应力和拉伸极限（分别为760、860 MPa）。结论 保留椎弓根下壁截骨术式（保留1/2椎弓根下壁）在减少手术节段应力方面具有优势,尤其是其可以减少内植物的应力,从而降低断钉断棒风险,但在保留椎间隙活动度方面与SRS-Schwab四级截骨术式相似。