基于三維有限元模型的腰椎骨折術(shù)后生物力學特性研究.pdf

1、隨著社會的發(fā)展，脊柱骨折的發(fā)生率日益升高。而其中胸腰段脊柱作為生物力學上應(yīng)力最集中的節(jié)段，骨折發(fā)生率占了脊柱骨折的很大一部分。目前臨床對胸腰段椎體壓縮性骨折的研究非常廣泛，治療方法很多，需根據(jù)患者癥狀、體征及影像學資料決定。從治療原則上看，對壓縮<50％或發(fā)生在單個平面的穩(wěn)定骨折常采取保守治療；若椎體高度丟失>50%或后突畸形>20%或存在連續(xù)多發(fā)壓縮骨折者，多建議手術(shù)治療。迄今有關(guān)生物力學的研究尚顯不足，導致臨床治療存在很多需要解決的

2、問題。為提高臨床治療效果，極快的恢復患者的功能，其有關(guān)生物力學的研究就顯得相當重要。在諸多脊柱生物力學研究方法中，有限元分析方法雖然起步較晚，但因為其具有可重復性、可操作性強，模擬治療方法簡單及計算精確度高等優(yōu)點，已逐漸被脊柱生物力學研究者所追捧。
　　目的：
　　應(yīng)用三維有限元分析法對胸腰段脊柱骨折及后路椎弓根釘固定治療胸腰椎骨折的生物力學性能進行分析，為臨床上治療胸腰椎骨折提供理論基礎(chǔ)。
　　方法：
　　選取

3、正常志愿者（男，18歲）、腰1椎體骨折志愿者（男，43歲）及腰1椎體骨折復位內(nèi)固定術(shù)后志愿者（女，49歲），行X線檢查初步排除其他脊柱疾病及明確診斷，分別使用CT機（GEHISPEEDNX/I）于胸腰段進行層厚5mm的連續(xù)掃描，利用CTDicom數(shù)據(jù)和Mimics軟件建立以下三種T12-L2節(jié)段胸腰椎三維有限元模型：正常胸腰段、腰1椎體骨折胸腰段及腰1椎體骨折復位內(nèi)固定術(shù)后胸腰段。將所得腰胸段脊柱模型經(jīng)過精度精減，去冗余，三角形自交測試

4、、體網(wǎng)格劃分及賦材質(zhì)等多個步驟處理后，將所得的三個有限元模型分別導入ANSYS有限元分析軟件進行前處理后，在軸向500N載荷和10Nm力矩下，模擬人體腰椎正常生理軸向載荷、前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)，比較三種模型在不同生理活動下的位移、旋轉(zhuǎn)角度和應(yīng)力的變化，并進行分析。
　　結(jié)果：
　　位移：腰1椎體骨折胸腰段脊柱模型在垂直載荷、前屈、背伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)五種工況下分別較正常胸腰椎模型增加96.41%、97.13%、75.80%、4

5、4.48%、67.11%。腰1椎體骨折復位內(nèi)固定術(shù)后胸腰段脊柱模型在垂直載荷、前屈、背伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)五種工況下分別較正常胸腰椎模型減小31.74%、37.26%、46.94%、25.86%、22.59%。
　　旋轉(zhuǎn)角度：腰1椎體骨折胸腰段脊柱模型在垂直載荷、前屈、背伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)五種工況下分別較正常胸腰椎模型增加116.80%、151.27%、137.72%、153.22%、116.13%。腰1椎體骨折復位內(nèi)固定術(shù)后胸腰段脊柱模型

6、在垂直載荷、前屈、背伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)五種工況下分別較正常胸腰椎模型減小70.23%、35.48%、41.99%，32.21%、56.03%。
　　應(yīng)力：腰1椎體骨折胸腰段脊柱模型在垂直載荷、前屈、背伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)五種工況下分別較正常胸腰椎模型增加65.40%、32.81%、36.32%、19.52%、163.33%。腰1椎體骨折復位內(nèi)固定術(shù)后胸腰段脊柱模型在垂直載荷、前屈、背伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)五種工況下分別較正常胸腰椎模型增大545.4

7、3%、693.31%、722.01%，949.06%、1595.81%。
　　結(jié)論：
　　1、脊柱骨折后腰椎剛度及穩(wěn)定性明顯下降。
　　2、脊柱內(nèi)固定術(shù)后剛度及穩(wěn)定性高于正常水平。
　　3、腰椎骨折內(nèi)固定術(shù)后患者胸腰段運動范圍較前減少，旋轉(zhuǎn)運動可能是造成內(nèi)固定斷裂的高危因素。
　　4、綜合利用Mimics和ANSYS軟件可在圖像三維重建過程中最大限度地排除了人為的干擾，體現(xiàn)便捷、高效、準確、自動化的優(yōu)勢，提