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經椎間孔腰椎間融合的有限元分析

發布于:2024-02-18 21:29
有限元分析

      隨著生物材料和內固定技術的發展,復位、固定、融合以恢復脊柱三維結構的連續性及良好生理力已成為公認的治療腰椎滑脫的基本原則。自20世紀70年代的椎弓根螺釘、90年代初的椎間融合器(Cage)應用于臨床后,椎間融合加椎弓根螺釘固定就已成為治療下腰椎不穩的主要方法之一。目前,臨床上椎間融合術主要有經前路椎體間融合(ALIF)、經后路椎體間融合(PLIF)和經椎間孔入路椎間融合(TLIF),其中 TLIF術式單純切除一側關節突關節,具有對脊柱穩定性影響較小、可以避免神經損傷、融合率較高等優點。然而臨床上,Cage的植入位置和角度多根據外科醫生的主觀經驗,患者術后椎間融合效果也各有差異,文獻中也缺乏Cage植入角度對椎體影響方面的研究。因此,亟需對腰椎間融合的生物力學特性進行深入研究,以期找到優化的融合器植入方式。
      有限元分析是脊柱生物力學研究中最有效的研究方法之一,隨著計算機技術和有限元理論的飛速發展,有限元模型的精度和可靠性顯著提高,國內外大量學者將有限元分析應用到人體腰椎椎間融合的研究中。Polikeit等認為Cage植入顯著改變了椎體間載荷傳遞,更多應力通過Cage傳遞到下椎體。Chiang等通過建立腰椎L3-L5節段有限元模型,比較了單枚、雙枚 Cage配合椎弓根螺釘在生物力學上的差異性,結果表明單/雙枚Cage融合對于在脊柱穩定性的保持沒有顯著差異。王宇等通過對比正常模型與植骨融合模型在前屈、后伸和軸向旋轉載荷等生理活動下腰椎運動和應力分布的對比,認為植骨融合會顯著降低腰椎活動范圍(Range ofMotion,ROM),影響椎體和小關節的應力分布,但對相鄰椎間盤的影響較小,并且小關節對維持脊椎正常的生理功能起到重要作用。顏文濤等探討了單枚融合器TLIF術的植入位置對單側椎弓根螺釘固定腰椎生物力學特性的影響,結果表明,Cage入路側植入時Cage配合椎弓根螺釘系統能達到較好的術式效果。
      本文在正常腰椎 L4-L5節段三維有限元模型基礎上,建立TLIF術式腰椎Cage按不同角度植入時的有限元分析融合模型,通過計算在不同生理活動下(包括前屈與后伸、左右側彎和左右軸向旋轉)各模型的角位移值、椎間盤上下終板與 Cage接觸界面和Cage自身的應力,分析了Cage植入角度對腰椎穩定性的影響規律,從而為腰椎 TLIF融合的臨床手術提供生物力學上的理論依據。
      基于正常志愿者(男,年齡30歲,體重70kg,身高175cm)的腰椎 L4-L5節段的 CT掃描圖像,導入醫學圖像處理軟件 Minics生成三維幾何模型,再利用Hyermesh軟件建立有限元模型,最后導入商業有限元軟件 ABAQUS中進行模擬與計算。建立的正常腰椎模型包含L4、L5椎體,前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶及椎間盤。其中椎間盤根據生理參數將其分割為纖維環和髓核兩部分,纖維環占體積的52%,將椎骨分為皮質骨和松質骨兩部分。皮質骨采用三維 8 節點實體減縮單元(C3D8R),松質骨采用 三 維 4 節 點 四面 體 單元(C3D4)模擬;椎間盤纖維環與髓核以及上下終板均由三維8節點實體單元(C3D8R)模擬。所有韌帶采用殼單元(S4)。引入小關節突接觸,定義為自由滑動,無摩擦。腰椎 L4-L5節段腰椎正常有限元分析模型如圖所示。整個模型包括97684個節點和316649個不同類型的單元。
      有限元模型中所有骨性結構以及椎間盤髓核均簡化為各向同性的彈性材料。纖維環采用 Peng等提出的各向異性超彈性纖維增韌本構模型。將纖維環看作是由多層基質組織構成的復合材料,各層平行排列的纖維與椎體橫截面依次呈 30°和150°。利用FORTRAN 語言針對ABAQUS編寫用戶材料子程序實現纖維環材料參數定義和有限元計算。



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