短節(jié)段腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的三維有限元模型建立及應(yīng)力分析.pdf

1、椎弓根螺釘系統(tǒng)內(nèi)固定具有固定堅強，能同時固定脊柱前、中、后柱，強化了支撐及抗扭轉(zhuǎn)的剛度，取得了較好的融合率和臨床效果。但隨著該項技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其手術(shù)失敗的病例并不少見，如內(nèi)固定斷裂、鄰近節(jié)段退變，其中以內(nèi)固定釘、棒斷裂最為常見。近年有限元法在脊柱生物力學研究中的應(yīng)用日益廣泛與深入，這其中，運用生物力學知識，全面分析各種內(nèi)固定器械的作用原理，分析應(yīng)力分布情況，對于正確選擇手術(shù)方法，合理設(shè)計、使用內(nèi)固定器械，以取得最佳矯形和固定效果，降低

2、手術(shù)失敗率和減少并發(fā)癥的發(fā)生具有重要意義。本課題受2007年廣東省科技計劃項目“雙U形記憶合金棒生物彈性內(nèi)固定系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用研究”（項目編號：20078031003010）資助，實為該項目的一個子課題，為研制新型彈性椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)提供了需要改進的目標和評價對照指標。 研究目的： 1．探討利用螺旋CT建立短節(jié)段腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的三維有限元模型的高度數(shù)字化方法。 2．為短節(jié)段腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的

3、生物力學實驗提供三維有限元模型，在此基礎(chǔ)上分析不同載荷下螺釘、連接棒的應(yīng)力分布。 3．為研制新型彈性椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)提供了需要改進的目標和評價參考指標。 資料與方法： 1.建立短節(jié)段腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)三維有限元模型 1．1,圖像資料：選擇1名成年志愿者，經(jīng)X線檢查排除脊柱疾病，采用PHILIPS Brilliance64排螺旋CT對其進行連續(xù)水平掃描，掃描范圍自腰1椎體上緣至股骨大轉(zhuǎn)子下處，圖像

4、處理及保存在CT工作站中。 1．2,電腦硬件配置：AMD雙核5000+超線程CPU，4G DDR800內(nèi)存，6800 GT雙128M PCIE圖形加速卡。 1．3,軟件：Mimicsll．11、Simpleware2．1、Abaqus6．51。 1．4,建模方法：CT掃描所得的數(shù)據(jù)以Dicom格式轉(zhuǎn)入計算機，提取出骨骼圖像，將所得圖像借助mimicsll．11進行三維重建，建立L3-5節(jié)段的幾何模型。將幾何模型轉(zhuǎn)

5、入Simpleware2．1軟件，同時將椎弓根螺釘系統(tǒng)以STL格式轉(zhuǎn)入Simpleware軟件進行匹配，模擬L4/5椎間椎弓根螺釘內(nèi)固定，從而建立有限元模型，導(dǎo)入Abaqus6．51進行分析。同時根據(jù)椎弓根螺釘、連接棒的幾何尺寸及力學參數(shù)，建立腰椎椎弓根螺釘系統(tǒng)內(nèi)固定的三維有限元模型。 2.加載與計算 2．1,加載方法：（1）固定模型L5椎體下表面，在L3椎體上表面持續(xù)施加500N載荷，并使此載荷均勻分布于表面各節(jié)點；（

6、2）在垂直加載500N載荷的同時，于L3椎體上表面施加15Nm力矩，分前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)（考慮椎弓根螺釘內(nèi)固定的左右對稱性僅加載左屈及右旋）4種情況加載。 2．2,結(jié)果定性觀察：采用應(yīng)力分布圖顯示。 2．3,計算設(shè)計：計算螺釘和棒的平均Von Mises應(yīng)力：將螺釘按長度均分為3段，每段均勻選取32個節(jié)點，然后在上述加載情況下，計算各節(jié)點應(yīng)力，取其平均值作為該段螺釘?shù)膽?yīng)力；將連接棒平均分成2段，每段均勻選取32個節(jié)點

7、，同法計算各節(jié)點應(yīng)力，取其平均值作為連接棒的應(yīng)力。 3.統(tǒng)計學方法: 所有統(tǒng)計分析均采用SPSS16．0統(tǒng)計軟件處理。在不同位置及不同運動狀態(tài)下的應(yīng)力強度的比較，采用析因設(shè)計的方差分析，若整體比較P<0．05，則行進一步多重比較（方差齊性采用SNK法；若方差不齊，采用Dunnett T3法）。檢驗水準為α=0．05。 結(jié)果： 1．正常腰段脊柱三維模型有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果： 利用三維重建軟件Mimic

8、、Simpleware和有限元軟件Abaqus成功進行正常腰段脊柱三維模型有限元網(wǎng)格劃分。實體模型幾何形態(tài)逼真，重現(xiàn)了L3-L5節(jié)段解剖結(jié)構(gòu)外形，整體顯示直觀，表面無過多簡化。建成后的三維有限元模型與實體組織具有良好的幾何相似性。 2．各運動狀態(tài)下椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)各部分的應(yīng)力分布： 椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)各部分于垂直壓縮狀態(tài)下所受的應(yīng)力遠小于在前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時所受的應(yīng)力。其中垂直壓縮狀態(tài)下應(yīng)力主要集中在椎弓

9、根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的螺釘近棒段，而在前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)的四個狀態(tài)下時應(yīng)力主要集中在椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的的連接棒上（雖然螺釘近棒段平均應(yīng)力小于連接棒的平均應(yīng)力，但從應(yīng)力分布圖中可見僅釘尾處局部的應(yīng)力峰值仍與連接棒相近，應(yīng)力也很大。） 結(jié)論： 1．采用64排螺旋CT對志愿者進行薄層螺旋CT掃描→獲得高精度的DICOM數(shù)據(jù)→Mimicsll．11軟件快速重建腰椎的三維圖像→Simpleware2．1軟件處理后獲得高質(zhì)量的L

10、3-L5節(jié)段的有限元模型這一方法，具有方便、快捷、高效、準確等優(yōu)點。 2．本實驗用三維有限元模型模擬L4/5節(jié)段內(nèi)固定，接近腰椎后方減壓、內(nèi)固定而不予植骨或者后外側(cè)植骨未融合時的情形，研究的腰椎加載負荷和扭矩均接近正常生理狀態(tài)下腰部活動水平，結(jié)果表明：椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)各部分于垂直壓縮狀態(tài)下所受的應(yīng)力遠小于在前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時所受的應(yīng)力。術(shù)后應(yīng)使內(nèi)固定系統(tǒng)在體內(nèi)避免應(yīng)力過大及應(yīng)力集中而導(dǎo)致斷裂。所以術(shù)后應(yīng)臥床、佩戴支

11、具，患者避免了脊柱前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)運動，使內(nèi)固定主要受到來自垂直壓縮的負荷。而垂直壓縮狀態(tài)下應(yīng)力主要集中在椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的螺釘近棒段，這與臨床上最常用的、傳統(tǒng)的剛性脊柱椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)最常見的斷裂部位完全一致。目前對于螺釘幾何形態(tài)研究較多，有柱形、錐形及釘?shù)膬啥溯^粗中間較細呈葫蘆形，但無論椎弓根螺釘系統(tǒng)怎樣設(shè)計，在腰椎椎弓根螺釘系統(tǒng)垂直壓縮下應(yīng)力主要集中在螺釘近棒段，所以設(shè)計螺釘時近棒段的螺釘直徑不可過細。但人體椎弓根直

12、徑大小有限，當螺釘截面積占其90%時，再增加螺釘?shù)闹睆?，沒有增加固定強度反而易使椎弓根爆裂骨折。所以新研制的彈性椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)，只有應(yīng)力分布均勻，無明顯的應(yīng)力高度集中現(xiàn)象，至少在已無法加粗加強的螺釘上避免應(yīng)力高度集中，才能有效的避免椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)斷裂這種最常見并發(fā)癥。這即是研制新型彈性椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)所需要改進的目標和重要評價指標之一。 3．通過Mimics軟件、Simpleware軟件、Abaqus軟件，可以利

13、用薄層斷面圖像構(gòu)建出其三維可視幾何模型與三維有限元模型。建立的短節(jié)段腰椎椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的三維有限元模型接近真實的生物力學標本。利用三維有限元模型進行狀態(tài)設(shè)定、加載分析是一種較好地生物力學測試方法，可以在一定程度上代替大體標本，同時具有信息豐富、潔凈環(huán)保、節(jié)約成本、省時高效、高度模擬、重復(fù)性好、與在體生物力學實驗相輔相成等優(yōu)點。 4．利用本研究所建立的腰椎三維有限元模型，可按照需要進行后期繼續(xù)開發(fā)拓展，比如可在原有模型基礎(chǔ)上

14、，更方便地模擬新研制的U形記憶合金棒生物彈性內(nèi)固定系統(tǒng)，并可進一步將傳統(tǒng)的剛性脊柱椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布與新研制的彈性內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布進行比較進而探討評價。還可以利用有限元模型比較傳統(tǒng)的剛性脊柱椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)與新研制的彈性內(nèi)固定系統(tǒng)術(shù)后其鄰近節(jié)段應(yīng)力大小，并進一步分析評價，以明確兩種內(nèi)固定系統(tǒng)對誘發(fā)相鄰節(jié)段退變這種并發(fā)癥的可能性的大小。總之傳統(tǒng)的剛性的三維有限元模型建立及應(yīng)力分析為后期進一步研究打下了良好的基礎(chǔ)。

15、 5．本研究的不足之處。本實驗所涉及的生物材料的材料力學特性均假定為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性，實物材料本身并不是均質(zhì)、連續(xù)的，也不是各向同性，而是呈各向異性的特征。由于本實驗只是在計算機中模擬簡單、基本的腰椎運動，無論是在模型的幾何相似性和力學相似性方面，還是在邊界約束、載荷加載方面，都與實際情況存在著不可避免的差異；而且有限元模型的精確度依賴于單元選取的個數(shù)，選取的個數(shù)越多，該模型的精確度就越高，反之亦然，所以實驗的目的在于為臨床提供生