Z型横连的设计与有限元生物力学分析研究

发布时间：2020-08-26 00:02

【摘要】：目的:设计一种新型脊柱内固定系统Z型横连;通过建立腰椎L3椎体骨折有限元模型,分析比较三种不同横连方式固定后脊柱活动度及应力变化,比较三种不同横连方式的生物力学差异,为临床应用Z型连接器提供生物力学依据。研究方法:选取一名正常青年男性的腰椎L1-L5节段为建模对象,建立腰椎有限元模型并验证模型有效性,模拟建立L3爆裂骨折模型。在有限元模型上模拟跨伤椎节段椎弓根螺钉固定,对三种不同的横连方式(水平双横连,X型横连和Z型横连)进行生物力学测试(模型模拟人体重力,其轴向压力为200N,瞬时作用力为10Nm):分别测量不同横连方式连接后,固定节段椎体在屈曲、背伸、侧弯和轴向旋转方向的运动范围(ROM),并测量椎体,钉棒系统及横连的Von mises应力峰值。结果:水平双横连,X型横连和Z型横连在前屈方向的活动度为3.7025°,3.6155°,3.397°;在背伸方向上的活动度为0.8965°,0.8965°,0.8306°;在侧弯方向的活动度为1.921°,1.8859°,1.7032°;在轴向旋转方向的活动度为2.084°,1.7878°和1.4965°。Z型横连在各个方向的稳定性要优于水平双横连和X型横连,尤其在横连最有意义的抗轴向旋转能力上,Z型横连较水平双横连稳定性提高28.1%,较X型横联提高16.3%。通过应力分布结果可以看出,Z型横连能够降低骨折椎体及其临近节段椎体在各种工况下的应力值,在前屈工况下,Z型横连能够使L2椎体的最大应力较水平双横连下降64.9%,较X型横连下降27.8%;在横连起主要作用的轴向旋转工况下,Z型横连能够使L2椎体的最大应力较水平双横连下降48.6%,较X型横连下降32.6%。结论:Z型横连能够增加脊柱内固定系统的稳定性,尤其在抗轴向旋转方面,能够为椎弓根钉棒内固定系统提供更强的支持。Z型横连也能够在一定程度上降低椎体的应力峰值,其中以前屈和轴向旋转时更为明显,从而可能会减少骨损伤发生的可能。
【学位授予单位】：中国医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R687.3;R318.01
【图文】：

胸腰椎,稳定性原理,关节,跨河桥

装置可以抵抗由于创伤可能带来的扭曲和剪切应力，从而保证三维固定的确实性和有效性。图1.1 胸腰椎内固定术后正侧位DR，可见螺钉断裂最初通过设计一款X型横连来增加后路椎弓根钉棒系统的稳定性（图1.2），但X型横连的机械关节过多，临床操作复杂，可能会增加临床使用过程的风险，而且在如此有限的体积下设计多达8个可调节长度及角度的关节，实体模型的生产也面临着极大的挑战。图1.2 X型横连设计草图受到跨河桥梁三角形悬吊钢缆的启发，结合临床手术需求和“三角形稳定性原理”（图1.3），将水平横连与斜行横连融合在一起，在具有操作简便性及安全性的同时，使新型横连同时具备横行连接与斜行连接横连的优点，兼顾提升脊柱内固定系统对抗脊柱屈伸、侧弯及旋转方面的能力

设计草图

4图1.2 X型横连设计草图形悬吊钢缆的启发，结合临床手术需连与斜行横连融合在一起，在具有操备横行连接与斜行连接横连的优点，及旋转方面的能力，从而使脊柱内固

示意图,角形,稳定性,原理

中国医科大学硕士学位论文5图1.3 “三角形稳定性”原理示意图应用3D造型软件Rhino 5.0设计一种新型的横连系统：Z型横连（图1.4），将水平横连与斜行横连融合在一起，在具有操作简便性及安全性的同时，兼顾提升脊柱内固定系统对抗脊柱屈伸、侧弯及旋转方面的应力，从而使脊柱内固定系统获得更好的稳定性。Rhino 5.0可以对接目前主流的三维造型软件，也就是说应用Rhino创建的NURBS模型，可以导入到许多建模工程分析软件中，如我们后续要应用到的solidworks软件。图1.4 Z型横连整体效果图2.2.1 Z 型横连说明新型的 Z 型横连（图 1.5）利用三角形的稳定性原理，将原本双横连连接后与纵连杆形成的四边形分割成两个三角形，增加内固定系统稳定性的同时还能减少内固定物的表面张力

【参考文献】