胸腰段椎體骨折后路內(nèi)固定術(shù)后傷椎骨缺損的生物力學有限元分析.pdf

1、目的:
　　對胸腰椎骨折術(shù)后出現(xiàn)傷椎終板塌陷的病人，建立有限元模型對該類患者是否適合取出內(nèi)固定進行生物力學分析。
　　方法:
　　(1)實驗對象:招募男性志愿者一名，通過病史詢問及X線等影像學檢查，脊柱無畸形、無外傷、無腫瘤等其他脊柱病變。
　　(2)資料采集設(shè)備:志愿者取自然狀態(tài)平臥位，自T11-L3椎體行水平薄層掃描，獲得144張相應(yīng)節(jié)段水平截圖。掃描的數(shù)據(jù)資料以DICOM格式導(dǎo)出，并刻錄光盤儲存，以便于Mi

2、mics15.0醫(yī)學圖像處理軟件處理圖像數(shù)據(jù)。
　　(3)建立T11-L3的胸腰椎三維有限元模型:將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Mimics15.0醫(yī)學圖像處理軟件中，利用Draw Profile Line及Thresholding功能，將圖像閾值調(diào)節(jié)為462-2676HU，使腰椎各部分的界限更清楚。利用區(qū)域增長可將上述蒙版上彼此不相連的分割區(qū)域形成一個新的蒙版。利用Region Growing功能可粗略提取感興趣的腰椎各個節(jié)段。利用軟件的三維空間

3、建模功能，將經(jīng)過斷層圖像處理后的數(shù)據(jù)進行三維模型建模，建立各個椎體的，獨立的三維表面骨骼模型。為了使模型更加真實平滑，對各個模型分別設(shè)定適當?shù)膮?shù)，從而更加清楚直觀的地再現(xiàn)胸腰段椎體骨結(jié)構(gòu)的三維立體形態(tài)。由此建立的三維圖像，可以在軟件中進行垂直壓縮、左右平移及旋轉(zhuǎn)，可以對脊柱功能進行全方位的演示。還可根據(jù)研究的實際情況，對不需要的功能進行隱藏、刪除，增加、合并需要的功能以獲得不同的外觀和效果。SolidWorks軟件包含網(wǎng)格處理向?qū)Ъ扒?/p>

4、面生成向?qū)Чδ?，利用這兩個功能可以將各椎體的點云文件生成實體零件，處理過程包括對模型進行除噪點、平滑、曲面擬合等，同時使用草圖功能繪制釘棒系統(tǒng)的輪廓圖，并使用拉伸、旋轉(zhuǎn)等功能獲得釘棒系統(tǒng)的實體模型，然后使用工程圖精確定位裝配模型。將SolidWorks軟件中建立的裝配體導(dǎo)入HyperMesh軟件，利用HyperMesh軟件強大的網(wǎng)格制作及剖分功能，將裝配體網(wǎng)格化，同時構(gòu)建皮質(zhì)骨，設(shè)定厚度1mm，四面體網(wǎng)格劃分尺寸分別為:腰3-腰5為2m

5、m，骶1為3mm，釘棒系統(tǒng)為1mm。按照解剖部位和形態(tài)，補充胸腰段各附屬解剖結(jié)構(gòu)，如終板、纖維環(huán)、髓核、關(guān)節(jié)突軟骨，用Truss單元模擬椎體間存在的7種不同的韌帶結(jié)構(gòu)，包括前縱韌帶、后縱韌帶、橫突間韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、黃韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶等結(jié)構(gòu)，以及上下關(guān)節(jié)突，軟骨等結(jié)構(gòu)，獲得胸11-腰3的三維有限元模型，該模型具有147064單元和39157個節(jié)點組成。
　　(4)驗證模型的有效性及精確度:本模型中各項材料賦值是根據(jù)國內(nèi)外醫(yī)

6、學者公認的文獻賦值，并且運算加載的數(shù)據(jù)參數(shù)也是根據(jù)最新的研究成果來設(shè)定的。本實驗采用網(wǎng)格劃分功能較強的Hypermesh軟件來劃分網(wǎng)格，提高了網(wǎng)格的質(zhì)量，并采用了自適應(yīng)能力強的C3D4四面體單元，能夠在可接受的時間內(nèi)運算出精確的結(jié)果。
　　(5)建立傷椎缺損椎體模型:建立5種傷椎上終板的骨缺損模型，缺損體積設(shè)定為占傷椎前柱體積的1/5、2/5、3/5、4/5、5/5。分別對裝配內(nèi)固定及取出內(nèi)固定的5種模型施加各類載荷，對其受力情況

7、進行生物力學分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)做圖表及趨勢圖分析。
　　結(jié)果:
　　從正常椎體受力云圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，垂直狀態(tài)下椎體前2/3及椎體終板的后部及近椎弓根處是正常椎體的應(yīng)力集中區(qū)，并向后外側(cè)呈放射狀分布;很明顯皮質(zhì)骨尤其是椎體前緣所受應(yīng)力高于松質(zhì)骨;當椎體前后及側(cè)向屈伸運動時，屈側(cè)及伸側(cè)以及椎弓根附近均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在打入釘棒系統(tǒng)的模型中，5種上終板塌陷（缺損體積分別為椎體前柱的1/5、2/5、3/5、4/5、5/5）模型，在垂

8、直、前后屈、側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)下的應(yīng)力分布圖可以看出，植入內(nèi)固定后，隨著傷椎缺損體積不斷增大，應(yīng)力也相應(yīng)增大，且隨著傷椎上終板塌陷及前柱骨缺損體積逐漸增大，應(yīng)力逐漸向內(nèi)固定集中。而取出內(nèi)固定后，5種上終板塌陷模型的受力圖顯示隨著內(nèi)固定的取出，失去了內(nèi)固定的支持后，隨著缺損體積的增加，應(yīng)力逐漸變大。從點線圖中可以看出，取出內(nèi)固定后在應(yīng)力逐漸增加的趨勢下，隨著缺損體積的增加，當缺損體積達到傷椎前柱4/5并繼續(xù)增加時，E組（4/5缺損組→5/5缺

9、損組應(yīng)力差）傷椎所承受的7種工況的綜合應(yīng)力增加幅度最大。意味著此時傷椎對載荷承載能力顯著下降，增加的集中應(yīng)力將導(dǎo)致傷椎前柱再次骨折。此時取出內(nèi)固定，塌陷的傷椎不足以維持穩(wěn)定性，增加的生物力學應(yīng)力有導(dǎo)致其出現(xiàn)繼續(xù)壓縮甚至再次骨折的風險。
　　結(jié)論:
　　通過有限元法模擬傷椎上終板塌陷，計算分析隨缺損體積變化的傷椎應(yīng)力改變，當缺損體積達到傷椎前柱4/5并繼續(xù)增加時，傷椎所承受的7種工況的綜合應(yīng)力增加幅度最大。意味著此時傷椎對載荷