【摘 要】
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背景本团队研发了一种脊柱外固定器用于腰椎骨折的治疗,在临床应用中发现术后患者的骨折愈合快且相邻节段椎间盘退变发生率低等现象。本研究将利用有限元分析法对该外固定器的生物力学特点进行全面分析,从而为临床进一步应用提供相应理论依据。目的通过三维有限元分析脊柱外固定器治疗腰椎骨折的生物力学特点,为临床进一步应用提供理论依据。方法1.我们对一名健康志愿者进行64层螺旋计算机断层扫描获得腰椎影像学资料,利用三
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背景本团队研发了一种脊柱外固定器用于腰椎骨折的治疗,在临床应用中发现术后患者的骨折愈合快且相邻节段椎间盘退变发生率低等现象。本研究将利用有限元分析法对该外固定器的生物力学特点进行全面分析,从而为临床进一步应用提供相应理论依据。目的通过三维有限元分析脊柱外固定器治疗腰椎骨折的生物力学特点,为临床进一步应用提供理论依据。方法1.我们对一名健康志愿者进行64层螺旋计算机断层扫描获得腰椎影像学资料,利用三维重建软件Mimics 20.0对所获得的Dicom格式文件进行阈值分割、动态增长等相关处理,并提取腰1-腰5各椎体三维轮廓模型。再利用Geomagic 12、Solidworks 2015等软件对脊柱三维模型进一步处理,完成正常模型的建模。然后我们将本研究所建立的腰椎（腰1-腰5）三维有限元模型各节段的活动度与既往文献相比较,验证该模型的有效性。2.在第一步所建立腰椎有限元模型的基础上,我们分别采用脊柱外固定器和椎弓根螺钉钉棒内固定系统,建立了两个腰3椎体骨折复位固定三维有限元模型。首先我们采用载荷控制,通过在腰1椎体的上表面施加500 N的预载荷和7.5 N·m的附加运动力矩,设定腰1椎体上缘为加载平面,不接受任何约束,腰5椎体下缘的自由度为零;对两个模型在六个方向的最大活动度、骨折椎体以及螺钉的最大应力进行分析。获得载荷控制下外固定模型在前屈和后伸两个方向的最大活动度后,我们采用位移控制使外固定和内固定模型均达到上述对应运动状态下的最大活动度,对两个模型达到相同活动度时所需的施加力矩和骨折椎体、固定节段和相邻节段椎间盘以及椎弓根螺钉的最大应力进行分析比较,并在两种模型相邻节段椎间盘应力云图上均匀选取应力值对应力均值进行统计学分析。结果1.本研究建立了正常健康成年人的腰椎（腰1-腰5）三维有限元模型,将其活动度与既往文献对比,验证了该模型的有效性;并在此基础上建立了腰3椎体骨折复位固定三维有限元模型。2.在相同载荷控制下,外固定模型在各个运动方向的最大活动度、骨折椎体最大应力以及椎弓根螺钉最大应力均大于内固定模型。在相同位移控制下,两个模型在前屈和后伸运动状态下达到相同活动度时,外固定模型所需力矩均小于内固定模型,骨折椎体和椎弓根螺钉的最大应力均大于内固定模型,固定节段上下相邻椎间盘最大应力均小于内固定模型。在L1/2、L4/5节段前屈工况下外固定模型椎间盘前缘应力均值小于内固定模型,后伸工况下外固定模型椎间盘后缘应力均值小于内固定模型,且均存在统计学差异。结论与椎弓根螺钉钉棒内固定系统比较,脊柱外固定系统应力相对分布均衡,具有更大的活动度,理论上可以减少相邻节段椎间盘的应力集中和骨折椎体的应力遮挡。
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