腰椎经椎弓根动态固定装置的三维有限元分析

脊柱融合作为治疗腰椎间盘退行性疾病(degenerative disc disease,DDD)及椎管狭窄等疾病的标准治疗方法之一,有着较好的融合率和早期疗效。随着对融合术后邻近节段退变性疾病(adjacent segment degeneration,ASD)认识的深入,动态稳定的概念被提出,国内外学者相继开展了各种动态稳定的研究。 一研究目的 1.建立正常人L3-L5节段腰椎及内固定系统三维有限元模型,并对模型进行有效性验证。 2.采用三维有限元方法,分析不同载荷下Bioflex动态稳定系统椎弓根钉、弹簧棒的应力分布,并通过与单纯减压及椎弓根钉棒坚强固定模型的比较,分析Bioflex系统对腰椎邻近节段椎间盘应力以及小关节压力的影响。 二资料与方法 1.选取一名健康成年男性志愿者,行薄层CT扫描,获得腰椎DICOM格式的图像数据,利用Mimics10.01、Abaqus6.10软件建立正常人L3-L5节段腰椎模型,对模型施加400N预载荷,及在三个主平面施加10Nm扭矩,将L3/4节段运动范围结果与文献结果进行对比,并验证模型的有效性。2、运用SolidWorks 2008 SP0.0建立Bioflex动态稳定系统及钛棒坚强内固定系统CAD模型。3、在正常腰椎模型基础上,建立腰椎开窗减压模型、Bioflex内固定模型以及钛棒坚强固定模型,对各模型施加400N的预载荷和10Nm扭矩,获得站立、前屈、后伸、右侧弯及左旋5种运动状态下的Bioflex钉棒应力、椎间盘应力以及小关节压力。 三结果 1.成功的建立了正常人L3-L5节段腰椎医学仿真模型和有限元分析模型,实体模型形态逼真,精细重现了L3-L5节段解剖结构,建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。 2.建立了Bioflex动态稳定系统及钛棒坚强内固定系统几何模型,有利于装配和修改属性。 3.有限元分析各运动状态下Bioflex动态稳定系统各部分的应力分布:弹簧棒于垂直压缩状态下所受的应力远小于在前屈、后伸、侧弯及旋转状态时所受的应力。其中以左旋状态下所受的应力最大,应力主要集中在左侧弹簧棒的弹簧圈部分和直棒部分交接处,以下交界处为著。其余四种状态下,应力能在双侧或单侧弹簧圈部位均匀分布,而不出现明显的应力集中处。椎弓根螺钉在5种工况下,则表现为不同程度的螺钉与椎体交界处部位的应力集中,数值上远小于弹簧棒的最大应力。 4.对邻近节段(L3/4)的影响:减压模型和Bioflex固定模型椎间盘应力无显著性改变(P>0.05)。钛棒坚强固定模型椎间盘应力在前屈、后伸、侧弯时明显增加(P<0.05),超过减压模型和Bioflex固定模型。减压模型小关节应力接近正常状态,Bioflex模型轻度增加,钛棒固定模型明显增加。 四结论 1.正常人L3-L5节段腰椎三维有限元模型验证有效,可进行生物力学实验。 2. Bioflex动态固定系统轻度增加邻近节段小关节压力,对邻近节段椎间盘应力的影响不大,理论上可以减缓邻近节段的退变。 3. Bioflex动态固定系统没有引起明显的异常的腰椎载荷改变,理论上可以避免因坚强内固定术后腰椎载荷改变所引起的并发症。