前后路聯(lián)合不同融合節(jié)段治療Denis B型爆裂骨折的生物力學(xué)分析.pdf

1、目的:應(yīng)用三維有限元模型對前后路聯(lián)合不同融合節(jié)段治療Denis B型爆裂骨折的生物力學(xué)性能進行分析。
　　 方法:選取因DenisB型爆裂骨折行后路復(fù)位椎弓根螺釘固定+前路雙節(jié)段融合術(shù)，后路復(fù)位椎弓根螺釘固定+前路單節(jié)段融合術(shù)的志愿者各1名，經(jīng)術(shù)后1年回訪，符合影像學(xué)椎間融合標準，納入研究對象。采用64排螺旋CT對已經(jīng)選定的對象進行螺旋掃描及斷層圖像處理，管電壓120kV，管電流200mA，掃描層厚1mm，層間距1mm，以DIC

2、OM格式DVD刻盤保存。將圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)Mimics軟件，進行預(yù)處理進而重建T11-L2三維模型。由于椎骨形狀不規(guī)則，椎間盤和椎體之間、上下小關(guān)節(jié)面之間的界限很難區(qū)分，本研究大量采用手工分割的方法，在Mimics三維視窗里與CT工作站重建的3D模型進行相互參照，并將初步重建的三維圖像經(jīng)FEA—remesher導(dǎo)人Mimics自帶的剛格劃分程序Magics9.9(MIMICSremesher)劃分面網(wǎng)格

3、。經(jīng)過Mimics中的FEA模塊對所研究的3D模型優(yōu)化并劃分面網(wǎng)格后，在有限元分析軟件ANSYS前處理器中利用Mesh工具將面網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化為體網(wǎng)格模型。建立椎間盤模型，椎間盤的上下表面由1.0mm厚的軟骨終板構(gòu)成，纖維環(huán)纖維由只承受拉應(yīng)力的truss單元構(gòu)建，纖維在環(huán)狀體中呈剪刀狀方式走行，并與椎間盤平面成平均25°～40°的夾角。單元類型為SOLID92(10節(jié)點四面體)。導(dǎo)入ANSYS體網(wǎng)格化后再重新導(dǎo)人Mimics中賦予其材料屬性

4、。各部位的彈性模量及泊松比選擇文獻公認的資料。按照脊椎的結(jié)構(gòu)在ANSYS組裝各個模型單元，同時補充前縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、黃韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶、橫突間韌帶等主要韌帶，因前路徹底減壓時，部分切除了后縱韌帶，遂各模型中均未補充后縱韌帶。以彈簧單元模擬上述韌帶結(jié)構(gòu)。韌帶單元采用3D單元LINK8，韌帶單元只承受拉應(yīng)力不承受壓應(yīng)力。組裝上述結(jié)構(gòu)并賦予其有限元模型的材料參數(shù)，按各部分在空間的相對位置組裝好后，根據(jù)實際解剖情況定義接觸面。以上下

5、終板為主面，椎間盤上下面為從面;上下小關(guān)節(jié)間的接觸定義為標準滑動接觸(standard)，摩擦系數(shù)為0.2，主面選取上關(guān)節(jié)面。至此，三維有限元模型完整建立，模型1獲得單元546609個，節(jié)點877237個;模型2獲得單元480621個，節(jié)點769041個。所獲得模型用以模擬前后路聯(lián)合雙節(jié)段融合（模型1）和前后路聯(lián)合單節(jié)段融合（模型2）的2種治療方法。行前后路聯(lián)合單節(jié)段融合手術(shù)的研究對象在取出后路椎弓根螺釘后，依照上述方法建立T11-L2

6、三維有限元模型（模型3），獲得單元434404個，節(jié)點688093個。將上述3個模型分別導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS，施加約束和載荷分別加載260N壓力和10N·m的力矩，模擬椎體前屈、后伸、左彎、右彎、左扭轉(zhuǎn)、右扭轉(zhuǎn)運動，觀察各應(yīng)力作用下3個模型最大位移以及T11-T12椎間盤的受力情況。
　　 結(jié)果:從椎體位移分布情況來看，模型3在大多數(shù)加載條件下，脊柱活動度較模型1有明顯的增加;模型2較模型1略有增加。其中260N的軸向

7、壓力以及10N·m扭矩加載時，模型2在前屈、后伸測試時沿x軸的最大位移較模型1分別高13.1％和26.0％，而模型3則分別高310.3％和263.8％;模型2在左、右側(cè)彎沿y軸的最大位移較模型1分別高3.8％和13.6％，而模型3則分別高143.7％和230％;模型2在左、右扭轉(zhuǎn)沿z軸的最大位移較模型1高2.3％和23.2％，而模型3則分別高130.6％和223.4％。從應(yīng)力分布情況來看，模型2與模型3在上述6種加載條件下，T11-T1

8、2椎間盤最大VonMises應(yīng)力較模型1均有不同程度的降低。其中260N的軸向壓力以及10N·m扭矩加載時，模型2在前屈、后伸測試時，椎間盤最大VonMises應(yīng)力較模型1分別低58.2％和54.9％，而模型3則分別低69.0％和67.8％;模型2在左、右側(cè)彎測試時，該節(jié)段椎間盤最大VonMises應(yīng)力較模型1分別低10.1％和20.8％，而模型3則分別低15.2％和29.3％;模型2在左、右扭轉(zhuǎn)測試時，最大VonMises應(yīng)力較模型1