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

1、椎弓根螺釘系統(tǒng)內固定具有固定堅強，能同時固定脊柱前、中、后柱，強化了支撐及抗扭轉的剛度，取得了較好的融合率和臨床效果。但隨著該項技術的廣泛應用，其手術失敗的病例并不少見，如內固定斷裂、鄰近節(jié)段退變，其中以內固定釘、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，全面分析各種內固定器械的作用原理，分析應力分布情況，對于正確選擇手術方法，合理設計、使用內固定器械，以取得最佳矯形和固定效果，降低

2、手術失敗率和減少并發(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固定系統(tǒng)的研發(fā)與應用研究”（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，在此基礎上分析不同載荷下螺釘、連接棒的應力分布。 3．為研制新型彈性椎弓根螺釘內固定系統(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)據以Dicom格式轉入計算機，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

5、入Simpleware2．1軟件，同時將椎弓根螺釘系統(tǒng)以STL格式轉入Simpleware軟件進行匹配，模擬L4/5椎間椎弓根螺釘內固定，從而建立有限元模型，導入Abaqus6．51進行分析。同時根據椎弓根螺釘、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、側屈及旋轉（考慮椎弓根螺釘內固定的左右對稱性僅加載左屈及右旋）4種情況加載。 2．2,結果定性觀察：采用應力分布圖顯示。 2．3,計算設計：計算螺釘和棒的平均Von Mises應力：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)點應力，取其平均值作為該段螺釘?shù)膽?；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)點應力，取其平均值作為連接棒的應力。 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)下的應力強度的比較，采用析因設計的方差分析，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。 結果： 1．正常腰段脊柱三維模型有限元網格劃分結果： 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)段解剖結構外形，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)下椎弓根螺釘內固定系統(tǒng)各部分的應力分布： 椎弓根螺釘內固定系統(tǒng)各部分于垂直壓縮狀態(tài)下所受的應力遠小于在前屈、后伸、側屈及旋轉狀態(tài)時所受的應力。其中垂直壓縮狀態(tài)下應力主要集中在椎弓

9、根螺釘內固定系統(tǒng)的螺釘近棒段，而在前屈、后伸、側屈及旋轉的四個狀態(tài)下時應力主要集中在椎弓根螺釘內固定系統(tǒng)的的連接棒上（雖然螺釘近棒段平均應力小于連接棒的平均應力，但從應力分布圖中可見僅釘尾處局部的應力峰值仍與連接棒相近，應力也很大。） 結論： 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→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)段內固定，接近腰椎后方減壓、內固定而不予植骨或者后外側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，結果表明：椎弓根螺釘內固定系統(tǒng)各部分于垂直壓縮狀態(tài)下所受的應力遠小于在前屈、后伸、側屈及旋轉狀態(tài)時所受的應力。術后應使內固定系統(tǒng)在體內避免應力過大及應力集中而導致斷裂。所以術后應臥床、佩戴支

11、具，患者避免了脊柱前屈、后伸、側屈及旋轉運動，使內固定主要受到來自垂直壓縮的負荷。而垂直壓縮狀態(tài)下應力主要集中在椎弓根螺釘內固定系統(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)怎樣設計，在腰椎椎弓根螺釘系統(tǒng)垂直壓縮下應力主要集中在螺釘近棒段，所以設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固定系統(tǒng)，只有應力分布均勻，無明顯的應力高度集中現(xiàn)象，至少在已無法加粗加強的螺釘上避免應力高度集中，才能有效的避免椎弓根螺釘內固定系統(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上

14、，更方便地模擬新研制的U形記憶合金棒生物彈性內固定系統(tǒng)，并可進一步將傳統(tǒng)的剛性脊柱椎弓根螺釘內固定系統(tǒng)的應力分布與新研制的彈性內固定系統(tǒng)的應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固定系統(tǒng)與新研制的彈性內固定系統(tǒng)術后其鄰近節(jié)段應力大小，并進一步分析評價，以明確兩種內固定系統(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力分析為后期進一步研究打下了良好的基礎。

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、連續(xù)和各向同性，實物材料本身并不是均質、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