经椎间孔腰椎间不同融合固定手术方式的三维有限元研究

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目的:利用正常人体腰椎建立腰椎运动节段三维有限元模型,再建立腰椎运动节段TLIF不同融合固定手术模型,进行模型三维有限元分析,研究在各种应力负荷下椎弓根钉与椎间融合器(cage)所承受的应力变化,分析椎弓根钉及椎间融合器(cage)内部各种生物力学效应,观察在不同运动载荷下单节段融合固定后的应力分布,筛选出最为简单、稳定、适宜微创TLIF需要的融合固定方式。为微创椎间融合固定方式的选择及临床应用提供理论依据。 方法:以64排螺旋CT机对健康男性志愿者腰椎L4-L5节段进行横切扫描,得到层厚为1mm的连续断面图像,以bmp格式输出其断面图像并转入微机保存。利用图像处理软件PhotoShop10.0对断层CT影像进行预处理,利用建模软件UG4.O提取模型各截面的轮廓线数据,对L4-L5节段、椎弓根螺钉和融合器进行三维实体建模,并根据要求叠加组合,分别建立TLIF各种融合固定模型,模型A:单枚融合器(矩形,斜向45度)+双侧椎弓根钉;模型B:单枚融合器(矩形,斜向45度)+单侧椎弓根钉;模型C:双枚融合器(圆形cage)+双侧椎弓根钉;模型D:双枚融合器(圆形cage)+单侧椎弓根钉。然后将建立的模型导入有限元软件ANSYS10.0进行有限元分析。采用合适的单元类型和材料性质,对模型进行网格划分。将模型A-B的各枚螺钉分成前、中、后三段,每段均匀选取90个结点;cage与终极的接触面将其也分为前、中、后三段,每段均匀选取90个结点,然后固定各模型的L5下终板,在L4椎体上分别进行垂直压缩、前屈、后伸、左右侧屈,旋转等实验,并测定各种加载工况下螺钉、融合器上的应力及模型的位移,最后以软件计算出上述实验条件下各个模型椎弓根钉的前、中、后三段各个结点的应力以及接触面处cage的前、中、后二段各个结点的应力,取三段各自结点应力的平均值作为各个螺钉和cage的前、中、后段应力值。结果在SPSS软件上进行统计分析。据此分析比较各模型的螺钉、融合器应力及模型位移变化。 结果:4种模型中,螺钉和融合器应力在不同的运动状态下因内固定的单双侧和融合器的形状位置不同而有差异。使用单侧内固定者(模型A与模型B比较;模型C与模型D比较),在螺钉上的应力以及融合器上的应力较双侧固定者高,但差异无显著性意义(P>0.05)。4种模型中,L4的位移在不同的运动状态下因内固定的单双侧和融合器的形状位置不同而有差异,但差异无显著性意义(P>0.05)。 结论:通过对四种(TLIF)三维有限元模型分析,单侧椎弓根螺钉内固定加单枚融合器(矩形,斜向45°)置入融合是目前微创经椎间孔腰椎间融合固定的较好术式。
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