腰骶部缺损重建的生物力学研究

发布时间：2018-03-16 03:27

  本文选题：腰骶部　切入点：生物力学　出处：《武汉大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：研究背景腰骶部是脊柱与骨盆之间的连接结构,对脊柱骨盆的稳定性有重要意义。感染,结核,肿瘤,外伤等病变可以导致腰骶部的椎间盘及椎体骨质的破坏严重,造成腰骶部的不稳。腰骶部解剖结构特殊,血管神经复杂。对于严重腰骶部缺损及不稳如何进行稳定性重建是很有挑战性的问题。腰骶部的稳定性重建技术有很多,按照固定部位的不同,可分为前路的支撑技术和后路的固定技术。前方的支撑融合方式有前路的钛笼,融合器+钢板,带螺钉的钛笼,轴向的椎间融合等。后路的固定方式也有多种选择,应用较多的有骶1双皮质,三皮质螺钉及骶2骶骨翼螺钉,骶髂关节螺钉,Galveston技术,髂骨螺钉技术,经骶2侧块髂骨螺钉等。对于骶骨破坏严重的病例,此时骶1椎弓根螺钉无法置入,只能选择腰骶骨盆固定技术。髂骨螺钉技术作为一种改良的Galveston技术,置钉容易,螺钉强度高,应用于骶骨肿瘤切除,腰骶部的结核,严重的腰骶部外伤不稳,重建腰骶部的稳定性,取得了较好的临床效果,但是髂骨螺钉断裂,松动也不少见,尤其在缺损范围较大的病例。所以如何改进腰骶部的内固定技术,增加固定强度,减小内固定系统承受的应力,从而提高手术成功率。以及对于不同程度腰骶部缺损,如何选择有效的固定方式是需要研究的问题。为了研究腰骶部的生物力学情况及腰骶部缺损情况下如何选择有效的重建方式,本课题采用有限元分析方法及标本生物力学测试的方法来评估不同方式重建腰骶部的稳定性情况,为临床选择提供具体依据。目的1.建立成人正常腰2-骨盆的三维有限元模型,并验证其有效性。2.建立腰骶部缺损的有限元模型,在此模型上模拟手术操作,采用2种方法来进行固定,用有限元分析法来分析2种固定方式的稳定性,以及内固定系统的应力分布情况。3.通过羊脊柱骨盆标本模拟手术操作,然后进行生物力学测试,评价腰骶部不同切除范围后不同方法腰骶骨盆重建后生物力学情况。方法1.选择24岁男性志愿者一名,采用64排螺旋CT自腰1-骨盆水平薄层扫描,获得577张水平截图。将扫描的数据资料以DICOM格式导出再导入到Mimics 15.0医学图像处理软件中,进行阈值分割以及区域增长,蒙版编辑等,生成三维表面模型。再导入SolidWorks逆向工程软件建立实体模型,再通过HyperMesh软件划分四面体网格,对模型进行赋值,用ABAQUS软件分析。约束臼顶,施加1000N的垂直载荷,计算轴向压缩刚度及应力分布；施加7N.M的扭矩,计算模型在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转六种工况下的刚度及应力分布,并与文献比较,验证模型的有效性。2.用Solidworks 2012软件构建两种固定钉棒系统及钛笼的实体几何模型即腰3,4椎弓根螺钉联合髂骨单钉固定(单钉)和腰3,4椎弓根螺钉联合髂骨双钉并前路支撑(双钉+钛笼)并装配。再将第一部分的建立的模型数据导入到HyperMesh软件,模拟腰骶部缺损的情况,缺损范围为腰5椎弓根以下至骶1椎弓根以上,包括前方的腰5和骶1的部分椎体,后方关节突,椎板,并模拟上述2种手术方式进行腰骶部稳定性重建。对模型进行赋值,用ABAQUS软件分析。约束臼顶,施加10O0N的垂直载荷,计算轴向压缩刚度及位移,应力分布；施加7N.M的扭矩,计算模型在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转六种工况下的刚度及模型的位移,应力分布。3.12具成年雄羊新鲜腰3-骨盆标本。按下述分组顺序进行逐组测试：①完整组腰4,腰5,腰6置入3.5mm*24mm椎弓根螺钉固定。②骶1钉组切除腰6-骶1椎间盘,上下终板,两侧关节突,行腰4,5,骶1椎弓根钉棒系统固定。③髂骨单钉组切除腰6-骶1椎间盘,上下终板,两侧关节突,切除腰61/2椎体及椎弓根,1/2骶1椎体。行腰4,5,3.5mm*36mm髂骨单钉固定。④髂骨双钉组在第3组基础上行3.5mm*36mm髂骨双钉固定。⑤髂骨双钉+钛笼组在第4组基础上加椎间双钛笼支撑固定。将样本固定于MTS 810材料试验机夹具上给标本的头侧施加O-250N轴向连续压力载荷,给标本施加.-5N.m～5 N.m轴向连续扭矩载荷,记录各组的轴向压缩补偿屈服载荷,应力及屈服载荷,屈服应力。并计算轴向压缩刚度与轴向扭转刚度。结果1.建立了腰2-骨盆的三维有限元模型,该模型具有367363个单元和93728个节点组成。在约束臼顶,在腰2上缘施加1000N的轴向载荷后,腰5上缘参考点的位移值为1.813mm,腰5上缘最大应力值为19.139MPa,轴向压缩刚度为551.572N/mm.施加7N/m的弯曲载荷时,模型在前屈,后伸,右侧屈,左侧屈,右旋转,左旋转工况下的角位移分布为5.641150,5.56884°,2.101900,2.103570,2.18661°,1.42659°,平均轴向扭转刚度为4.05 N.m/°。模型应力分布,位移分布与实际情况是一样的,测试结果与文献结果相当。2.在约束臼顶,在腰2上缘施加1000N的轴向载荷模拟站立负重情况下,完整模型最大应力值为195.3 MPa,单钉模型为189.5 MPa,双钉+钛笼模型为149.2Mpa。计算轴向压缩刚度完整模型为551.572N/mm,单钉模型为613.87 N/mm,双钉+钛笼模型为1683.50 N/mmm,在轴向压缩刚度方面,双钉+钛笼支撑模型单钉模型完整模型,腰5上缘最大应力为完整模型双钉+钛笼支撑组模型单钉模型。在施加6个方向的7N/m弯曲载荷下,在6个方向的弯曲刚度上,双钉+钛笼支撑模型单钉模型完整模型。模型在6个方向的最大应力值比较,单钉模型双钉+钛笼支撑模型完整模型,说明单钉固定时,内固定钉棒系统承受的应力最大,在前屈时最大应力为113.013 MPa,后伸时最大应力值为113.677 Mpa,应力集中点在腰4椎弓根螺钉下方及髂骨螺钉上方的连接棒处。3.第1-4组轴向屈服载荷为203.1±8.0,188.9±7.5,165.7±7.2,239.2±9.8N。屈服应力为288.9±9.2,278.7±8.9,241.3±9.1,340.7±8.4MPa,第5组没有发生明显的屈服。各组的轴向压缩刚度分别为152.33±8.15,123.21±7.68,112.67±9.13,172.62±8.02,194.58±7.19 N/mm,轴向扭转刚度分别为1.43±0.12,1.02±0.12,0.98±0.11,1.73±0.10,1.96±0.09 N.m/。。轴向压缩刚度及扭转刚度,髂骨双钉+钛笼组双钉组完整组,骶1钉组与髂骨单钉组稳定性均小于完整组,差异有统计学意义(P0.05)。骶1钉组与髂骨单钉组比较差异无统计学意义(P0.05)结论1.本研究建立的正常人体腰2-骨盆的三维有限元模型,精确度及准确度均较高,受力情况与实际情况相符合,可供下一步的研究。2.髂骨双钉+钛笼支撑重建可有效的恢复腰骶部的稳定性,内固定系统承受的应力较小也较分散。3.髂骨单钉重建也可以恢复腰骶部的稳定性,但连接棒处及螺钉尾部有明显的应力集中,内固定容易疲劳断裂及松动。4.髂骨单钉重建在轴向压缩载荷及屈伸载荷时内固定系统上应力值很大,说明髂骨单钉重建在负重及屈伸活动时内固定承受应力大,容易失败。5.椎体前柱支撑物对重建稳定性很重要,添加了前路的钛笼支撑物后,可有效的增加模型的轴向压缩及弯曲稳定性。6.添加椎体前柱支撑物后可有效的分散内固定系统的应力,降低内固定失败的风险。7.髂骨双钉重建也可有效的恢复腰骶部的稳定性,髂骨双钉重建要比髂骨单钉重建更稳定。8.对于腰骶部病损范围较大时,推荐采用髂骨双钉和椎体前路支撑物固定。可有效的恢复腰骶部的稳定性,降低内固定失败风险,提高手术成功率。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687.3

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本文编号：1618146