皮质骨螺钉技术在腰椎应用的基础研究：生物力学有限元研究

发布时间：2020-05-09 06:44

【摘要】：实验设计生物力学有限元研究目的建立CBT以及TT螺钉固定的腰椎L_4-L_5节段的三维有限元模型(3D-FEM),并利用该模型对单钉力学强度以及椎体运动单元的生物力学特性进行考察。材料与方法通过CT获取1例骨质疏松男性腰椎L_4-L_5节段的空间几何信息以及钉道HU值,借助系列辅助软件并参照相关参考文献的力学参数,以及ABAQUS软件建立腰椎L_4-L_5有限元模型。利用该模型考察了CBT以及TT螺钉固定的单钉抗拔强度(PS)、固定刚度(FS)。分析了椎体运动单元(椎体+螺钉固定系统)应力、应变以及活动度(ROM)随运动状态的变化。同时考察了置入融合器对其生物力学特性的影响。结果(1)所建腰椎有限元模型与实际椎体具有高度几何相似性,对腰椎模型施加正压力以及扭矩,可以模拟前屈、后伸、左右侧弯以及左右旋转时的椎体运动状态。(2)在本文研究的六种运动姿态下,无论是否置入融合器,CBT螺钉的抗拔强度以及固定刚度均大于TT螺钉。对于CBT螺钉,右侧弯时抗拔强度最小,为95N(无融合器)以及144N(有融合器);前屈时抗拔强度最大,为195 N(无融合器)以及227 N(有融合器)。屈伸时CBT螺钉的固定刚度较小,其余状态下较大。同时,有融合器时CBT螺钉的抗拔强度及固定刚度均大于无融合器时的相应数值。(3)运动单元的最大应力区域位于横联以及钉棒,椎体的最大应力位于椎间盘与上、下终板的接触面,具体分布特征受运动状态的影响。无融合器时,CBT螺钉固定单元的最大应力总体大于TT螺钉固定椎体,最大差值为75kPa。有融合器时,CBT螺钉固定单元的最大应力总体小于TT螺钉固定椎体,最大差值为130kPa左右。同时,置入融合器后CBT螺钉固定的运动单元最大应力减小。(4)运动单元最大应变位于椎体,其分布特征与椎体应力分布大致对应。CBT螺钉固定椎体应变小于TT螺钉,融合器的置入可以减轻运动单元最大应变。(5)CBT螺钉固定椎体的活动度小于TT螺钉,融合器的置入将减少运动单元活动度。结论通过CT扫描信息建立的螺钉固定腰椎三维有限元模型可用于生物力学研究。融合器的置入以及运动状态变化均使得CBT螺钉的抗拔强度以及固定刚度发生变化。当运动状态改变时,运动单元的最大应力位于横联与钉棒,最大应变位于椎间盘与上下终板接触面。CBT螺钉的使用不会显著改变TT螺钉固定时的椎体受力特征,且有利于控制椎体运动单元的变形和位移,使得运动单元更加稳定,其临床应用效果要优于TT螺钉。融合器的置入可以使最大应变及活动度降低,但对应力的影响与螺钉类型有关。
【图文】：

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模型分析流程

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图 3 椎间盘模型Fig.3 Model of intervertebral disk螺钉的组装在 PRO/E 中进行，组装后模型见图 4。有限元时采用韦恩斯坦技术，将螺钉沿着椎弓根解剖线，平行于椎体终钉道直径为 6.5 mm，长度 40 mm。CBT 螺钉置入时进钉点为上突下缘下方 1 mm 的结合点，以左侧椎弓根投影 5 点向 11~12 点椎弓根投影 7 点向 12~1 点方向置钉，钉道外倾角为 8~10°，头倾径为 5.5 mm，长度为 35 mm。所有螺钉都被植入适当的位置，坏或渗透到椎体前缘等可能影响螺钉固定强度的破坏。模拟植入醚酮）材质融合器是美国强生公司 9 号融合器，长 25mm，宽 1
【学位授予单位】：安徽医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R687.3

【参考文献】