腰椎融合后腰椎活动度对植入物生物力学影响的有限元分析

背景:目前腰椎椎体间融合被广泛应用于多种腰椎疾患的治疗。然而,如何降低假关节形成、螺钉松动断裂以及cage失效等术后并发症仍然是一个严峻的挑战。目的:分析腰椎总体活动度对椎间植骨、cage以及钉棒系统应力应变的影响,从而更好地指导患者进行术后腰椎活动以降低假关节形成及器械失效的风险。方法:利用Mimics、3-Matic、HyperMesh以及Abaqus软件构建完整的人L1-S1有限元模型,并模拟经椎间孔腰椎椎体间融合术。比较施加弯矩前后椎间植骨平均应变、cage以及钉棒系统的峰值应力,并分析其随腰椎总活动度的变化趋势;绘制相应的应力云图以观察应力分布。结果与结论:①与单纯施加垂直压缩载荷相比,施加弯矩后椎间植骨平均应变、cage峰值应力以及钉棒系统峰值应力分别增加了2.6%-55.3%,65.6%-166.8%及36.0%-353.4%;②随着总活动度的增加,椎间植骨平均应变在左右旋转工况下呈非线性增加并得到最大值,而cage与钉棒系统的峰值应力在左右侧弯工况下呈线性增加并得到最大值;③椎间植骨与cage的应力分布和工况有关,而钉棒系统应力主要集中于螺钉与骨质结合部及螺钉与棒连接处;④因此术后增加轴向旋转活动可能降低假关节形成的风险,而减少侧弯活动可能降低cage以及钉棒系统失效的风险。