胸腰椎爆裂骨折后路內(nèi)固定結(jié)合椎體成形術(shù)的有限元分析及可視化術(shù)前計劃.pdf

1、目的:(1)建立人脊柱胸腰段爆裂性骨折的三維可視化模型及其有限元模型。(2)應用有限元方法研究不同椎體成形方式對脊柱胸腰椎爆裂骨折內(nèi)固定后力學性能的影響。(3)探討脊柱胸腰段骨折后路手術(shù)術(shù)前計劃的可視化及其在臨床中的應用和意義。
　　方法:(1)對年輕健康男性志愿者脊柱胸10-腰2節(jié)段進行CT掃描，獲得DICOM格式數(shù)據(jù)，利用MIMICS10.01軟件、逆向工程軟件Geomagic Studio11、Pro/ENGINEER Wi

2、ldfire4.0軟件、有限元分析前處理軟件Hypermesh10及有限元分析軟件Abaqus6.10建立脊柱胸腰段（T10～L2）三維有限元模型并進行有效性驗證。(2)建立通用脊柱骨折內(nèi)固定系統(tǒng)(Universal Spine System，USS)并與脊柱三維模型進行裝配。根據(jù)Denis三柱理論，建立T12不同程度骨折模型:模型1:切除T12椎體椎體上1/2松質(zhì)骨，骨折程度較輕;模型2:切除T12椎體椎體上1/2松質(zhì)骨及皮質(zhì)骨，骨折

3、程度較重。賦予兩種模型上、下終板松質(zhì)骨材料屬性，減少后縱韌帶、棘間韌帶和棘上韌帶的數(shù)量。在T12椎弓根前方添加骨水泥PMMA塊模擬復位后椎體成形術(shù)。其中，單側(cè)強化PMMA體積為2 cm3，雙側(cè)強化4 cm3，中間強化為4 cm3。最終，建立脊柱T12段骨折后單純短節(jié)段內(nèi)固定、內(nèi)固定聯(lián)合單側(cè)強化、內(nèi)固定聯(lián)合雙側(cè)強化及內(nèi)固定聯(lián)合中間強化兩個系列的八個模型。(3)在有限元軟件Abaqus求解器中，約束L1下終板及下關(guān)節(jié)突。軸向壓縮時，在T11

4、上終板及上關(guān)節(jié)突施加500N軸向力，其中，T11上終板施加400N、上關(guān)節(jié)突施加100N;前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)時，軸向500N垂直壓力聯(lián)合不同方向上7.5 N·m力矩。求解各模型在軸向壓縮、前屈、后伸、側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)五種情況下，不同模型的運動范圍，T11椎體下終板與L1椎體上終板及內(nèi)固定物的應力。(4)回顧性分析脊柱胸腰段骨折后路手術(shù)結(jié)合椎體成形術(shù)的10例脊柱骨折患者。術(shù)前、術(shù)后行多層螺旋CT掃描，利用MIMICS軟件重建脊柱胸腰段骨折3

5、D模型，以評估骨折嚴重程度，測量釘?shù)绤?shù)，將CAD軟件制作的螺釘以STL格式導入模型，模擬螺釘經(jīng)椎弓根置入過程，并觀察螺釘與周圍骨結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，確定螺釘置入點;同時預估骨缺損大小評價椎體內(nèi)注入骨水泥的效果。
　　結(jié)果:(1)經(jīng)過CT掃描、圖像數(shù)值化處理三維重建及網(wǎng)格劃分，本研究成功地重建了正常人體脊柱胸腰段(T10～L2)的三維有限元模型。與既往文獻比較，
　　本文建立的模型在不同工況下的運動范圍與文獻一致。說明本文建立的

6、模型可以應用于后續(xù)相關(guān)問題的研究。(2) T12椎體損傷較輕時，與單純內(nèi)固定模型相比，內(nèi)固定聯(lián)合椎體成形術(shù)并未顯著減小T11下終板、L1上終板及內(nèi)固定物的應力;當T12椎體損傷較嚴重時，額外采用椎體成形術(shù)可顯著降低內(nèi)固定物及脊柱自身的應力，椎弓根螺釘應力約減小50％，固定棒應力約減小40％。軸向壓縮及前屈時，單側(cè)強化效果弱于另外兩種強化方式，其他工況下三種強化方式無明顯差異。(3)通過軟件胸腰段骨折3D重建可詳細評價骨折情況，多數(shù)呈現(xiàn)T

7、12椎體呈爆裂性骨折，前后方均可見骨折塊，后方骨折塊突入椎管，椎板兩側(cè)骨折。T11右側(cè)及T12雙側(cè)肋椎關(guān)節(jié)骨折脫位，腰1、2、3右側(cè)橫突骨折等。10例患者術(shù)前骨缺損平均(2.63±0.69) cm3，術(shù)中實際填充平均（2.57±0.65）cm3，差異無統(tǒng)計學意義（t=1.01，P=0.34），復位后傷椎骨缺損得到有效填充。
　　結(jié)論:(1)本研究采用MIMICS、Geomagic Studio、Hypermesh等軟件可快速建立人

8、體脊柱胸腰段T10～L2五節(jié)段的三維有限元模型。有效性驗證說明該模型可以用于后續(xù)的生物力學研究。(2)椎體成形術(shù)對于嚴重的脊柱胸腰段爆裂性骨折內(nèi)固定后整體力學性能有明顯改善，可減小內(nèi)固定物及脊柱應力，起到預防遠期并發(fā)癥的作用。對于相對較輕的胸腰段骨折，椎體成形術(shù)并未在力學方面提供明顯的貢獻，其促進椎體骨折愈合的機制有待進一步研究。(3)術(shù)前計劃的可視化有助于充分了解骨折情況，個性化設(shè)計手術(shù)方案，從而提高脊柱胸腰椎骨折后路手術(shù)的臨床效果。