基于有限元分析腰椎内固定的生物力学特征

中国组织工程研究第20卷第13期2016–03–25出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchMarch25,2016Vol.20,No.13P.O.Box10002,Shenyang110180·研究原著·陶勇，男，1982年生，安徽省合肥市人，汉族，广西医科大学在读硕士，主要从事脊柱外科学方面的研究。并列第一作者：吴云乐，男，1989年生，山东省济宁市人，汉族，广西医科大学在读硕士，主要从事脊柱外科学方面研究。通讯作者：宗少晖，硕士生导师，教授，主任医师，广西医科大学第一附属医院脊柱骨病外科，广西壮族自治区南宁市530000中图分类号:R318文献标识码:B文章编号:2095-4344(2016)13-01932-07稿件接受：2016-02-22基于有限元分析腰椎内固定的生物力学特征陶勇，吴云乐，宗少晖，李柯柯，杜力，彭小明，施雄志，胡溪源(广西医科大学第一附属医院脊柱骨病外科，广西壮族自治区南宁市530000)引用本文：陶勇，吴云乐，宗少晖，李柯柯，杜力，彭小明，施雄志，胡溪源.基于有限元分析腰椎内固定的生物力学特征[J].中国组织工程研究，2016，20(13):1932-1938.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.13.015ORCID:0000-0002-9277-3603(陶勇)文章快速阅读：文题释义：脊柱钉棒内固定：脊柱手术为维持脊柱稳定性，防止脊柱失稳而常于术中采用的内固定方式。通过钉棒内固定的置入可使脊柱活动度降低，获得即刻的脊柱稳定，广泛应用于脊柱相关的各种疾病如骨折、脊柱结核等。钉棒内固定使脊柱受力发生变化，常致相邻节段退行性改变。腰椎全椎板切除：不仅破坏了腰椎骨性结构，而且相关软组织如棘间韧带、棘上韧带和黄韧带等结构亦被移除，腰椎稳定性的破坏将导致术后腰椎不稳、脊柱滑脱或腰椎后凸畸形等并发症的发生概率增加。摘要背景：后路椎板切除常使脊柱稳定性丧失，故术中多需要使用钉棒内固定技术维持腰椎稳定性。利用有限元分析可以模拟脊柱修复术后脊柱及内固定系统受力情况。目的：构建脊柱腰椎L1-L3三维有限元模型，运用三维有限元方法分析全椎板切除及双侧椎弓根螺钉置入后脊柱稳定性变化和应力分布情况。方法：采集1例成年健康男性志愿者L1-L3CT数据，应用Mimics14.01、3-matic(V6.0)、Ansys15.0等软件构建L1-L3完整有限元模型(A组)、L2行全椎板切除后L1-L3有限元模型(B组)、L2全椎板切除后双侧单节段椎弓根螺钉内固定系统有限元模型(C组)。模拟腰椎行前屈、后伸、侧弯及旋转，分别对3个模型进行有限元分析。结果与结论：①根据不同运动状态下的VonMises最大应力比较可知，B组最大应力大于A组(P0.05)，C组最大应力大于B组(P0.05)。②根据不同运动状态下的最大位移可知，B组最大位移大于A组(P0.05)，C组最大位移小于A、B组(P0.05)。③提示椎板切除后椎体局部受力增加，尤以椎板、椎弓根及关节处增加明显，椎体活动范围增加，影响椎体稳定性；内固定可使椎体活动度减小，使腰椎应力集中于螺钉，椎板及椎弓根应力减小，椎体稳定性增加。过大的应力集中于钉棒系统会增加断钉风险。关键词：骨科植入物；脊柱植入物；腰椎；椎板切除；椎弓根螺钉；有限元；脊柱；生物力学；Mimics腰椎行椎板切除及椎弓根螺钉置入内固定的有限元分析模拟内固定手术，行L2全椎板切除及L2全椎板切除后双侧单节段椎弓根螺钉置入。有限元分析结果：全椎板切除降低了腰椎稳定性，椎弓根螺钉置入内固定可使椎体活动度减小，稳定性增加。应用有限元相关软件建立脊柱腰椎L1-L3的三维有限元模型。陶勇，等.基于有限元分析腰椎内固定的生物力学特征ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH1933’sdegree,DepartmentofSpineOsteopathia,theFirstAffiliatedHospitalofGuangxiMedicalUniversity,Nanning530000,GuangxiZhuangAutonomousRegion,ChinaWuYun-le,Studyingformaster’sdegree,DepartmentofSpineOsteopathia,theFirstAffiliatedHospitalofGuangxiMedicalUniversity,Nanning530000,GuangxiZhuangAutonomousRegion,ChinaTaoYongandWuYun-lecontributedequallytothispaperCorrespondingauthor:ZongShao-hui,Master’ssupervisor,Professor,Chiefphysician,DepartmentofSpineOsteopathia,theFirstAffiliatedHospitalofGuangxiMedicalUniversity,Nanning530000,GuangxiZhuangAutonomousRegion,China主题词：内固定器；有限元分析；生物力学；组织工程BiomechanicalcharacteristicsoflumbarvertebrafixationbasedonfiniteelementanalysisTaoYong,WuYun-le,ZongShao-hui,LiKe-ke,DuLi,PengXiao-ming,ShiXiong-zhi,HuXi-yuan(DepartmentofSpineOsteopathia,theFirstAffiliatedHospitalofGuangxiMedicalUniversity,Nanning530000,GuangxiZhuangAutonomousRegion,China)AbstractBACKGROUND:Posteriorlaminaresectionoftencauseslossofspinalstability,soscrewrodinternalfixationtechnologyisneededtomaintainthestabilityoflumbarspine.Finiteelementanalysiscanbeusedtosimulatethestressdistributionofthespineandinternalfixationsystemafterspinalsurgery.OBJECTIVE:Tobuildthree-dimensionalfiniteelementmodelofspinalL1toL3,analyzethespinalstabilityandstressdistributionafterthetotallaminectomyandinsertionofbilateralpediclescrewusingfiniteelementmethod.METHODS:L1-L3CTdatacouldbecollectedfromanadulthealthymalevolunteer.Mimics14.01,3-matic(V6.0)andAnsys15.0couldbeusedtosetuptheintactlumbarspinefiniteelementmodelofL1-L3(groupA),theL1-L3finiteelementmodelafterL2totallaminectomy(groupB),andthefiniteelementmodelofL2totallaminectomyandinsertionofbilateralpediclescrew(groupC).Weusedsoftwaretosimulateflexion,extension,lateralbendingandaxialrotation,andthreekindsofmodelsreceivedfiniteelementanalysis.RESULTSANDCONCLUSION:(1)BasedonthemaximumofVonMisesunderdifferentmotionstates,themaximumstresswassignificantlyloweringroupAthaningroupB(P0.05).ThemaximumstresswassignificantlyloweringroupBthaningroupC(P0.05).(2)Basedonthetotaldeformationunderdifferentmotionstates,thetotaldeformationwassignificantlyloweringroupAthaningroupB(P0.05).ThetotaldeformationwassignificantlyloweringroupCthaningroupsAandB(P0.05).(3)Afterthetotallaminectomy,vertebralbodystressincreased,especiallyinthelamina,pedicleandjoints.Therangeofmotionofthevertebralbodyincreased,whichinfluencedthestabilityofthevertebralbody.Internalfixationcoulddecreaserangeofmotion.Stressconcentratedonthescrew.Stressonthevertebralplateandpedicledecreased.Thestabilityofvertebralbodyincreased.Excessivestressconcentratedonscrewsystemwillincreasetheriskofscrewbreakage.Subjectheadings:InternalFixators;FiniteElementAnalysis;Biomechanics;TissueEngineeringCitethisarticle:TaoY,WuYL,ZongSH,LiKK,DuL,PengXM,ShiXZ,HuXY.Biomechanicalcharacteristicsoflumbarvertebrafixationbasedonfiniteelementanalysis.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2016;20(13):1932-1938.0引言Introduction有限元分析能够模拟物理系统,尤其是对于几何和载荷工况，是求解微分方程近的一种十分有效的工具。医学有限元属于生物力学的范畴，随着21世纪电子科技的迅猛前进，有限元在生物力学这一研究方向中积累了大量的经验，特别是在有关脊柱力学中的实践，使人类对于脊柱疾病的认识有了新的进展。在日常活动中，腰椎由于承受较大的载荷同时又兼具一定的活动功能，故较易发生退变性及损伤性疾病，例如腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄症等疾病。这类疾病依据病情需要常需采用手术治疗，在术中多采用后路椎板切除，常使脊柱稳定性丧失，故术中多需要使用钉棒内固定技术维持腰椎稳定性。内固定的存在使腰椎丧失部分活动度，且存在内固定系统变性、断裂等风险。基于此，植骨融合技术便十分有必要。试验通过有限元相关的多种软件建立了包括L1-L3椎体(包括皮质骨、松质骨)、终板、腰椎小关节、椎间盘(包括纤维环、髓核)、相