椎体后凸成形术治疗脊柱胸腰段骨质疏松性椎体压缩性骨折的相关有限元研究

摘要

第一部分:胸腰段骨质疏松有限元模型的建立
　　目的：探讨利用螺旋CT建立骨质疏松胸腰椎三维有限元模型的高度数字化方法，为胸腰椎骨质疏松的生物力学实验提供标准模型。
　　方法：选取老年男性正常人体脊柱标本1具，范围从T11一L2，先行X线检查以排除可见的脊椎病变及损害。经螺旋CT沿横断面0.699mm层厚扫描，以jpg格式输出其断面图像并转入微机保存。利用三维重建软件Mimics建立T11-L2段正常脊柱骨性结构的三维模型，再经过自由造型系统进行表面光滑化处理及对0.699mm层厚引起的数据丢失予以修补。利用有限元软件patran的前处理功能，在脊柱模型骨性结构的基础上，补充建立终板、椎间盘、髓核、前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带等结构。采用合适的材料性质和实体单元类型对模型进行智能有限元网格划分。
　　结果：①正常胸腰段脊柱三维模型有限元网格划分结果：利用三维重建软件Mimics和有限元软件patran成功进行正常胸腰段脊柱三维模型有限元网格划分。完整的脊柱胸腰段三维有限元模型包括共276580个四面体单元,8532个六面体单元,673个杆单元，总计共95219个结点。建立的模型负荷正常椎体的几何特性。②骨质疏松胸腰椎三维有限元模型的建立：利用有限元软件patran的前处理功能，对不同组织的物理特性进行定义，皮质骨、终板、后部结构模量建少33％，松质骨减少66%，同时考虑髓核脱水，弹性模量增加一倍，符合真实的生物力学要求，真实模拟了骨质疏松椎体的材料特性，成功建立骨质疏松胸腰椎三维有限元模型。
　　结论：建立的骨质疏松胸腰椎三维有限元模型接近真实的生物力学标本，是理想的研究骨质疏松胸腰椎生物力学的数字化模型，可应用于骨质疏松胸腰椎KP术的评估。
　　第二部分:比较单椎体和双椎体行KP术后的生物力学影响的有限元研究
　　目的：研究胸腰椎节段双椎体行KP术与单个椎体行KP术后对邻近椎体、间盘、终板的生物力学影响。
　　方法：建立胸腰段(T11-T12-L1-L2)三维有限元模型，模拟T12行KP术后骨水泥强化与T12、L1两个椎体骨水泥强化，分别研究在中立位，前屈位、后伸位、左弯位、左旋位10度时邻近椎体和邻近椎间盘、终板的应力变化，两者进行比较。
　　结果：在各种体位加载情况下，双椎骨水泥强化模型与单个椎体骨水泥强化模型相比对于邻近的上位椎体的应力影响差异不大。与单椎骨水泥强化模型相比T11-T12间盘在双椎骨水泥强化时在各种体位情况下应力都有轻微的增高，但差别不是很大。T12-L1间盘在双椎骨水泥强化时在中立位应力比单椎体骨水泥强化的应力增加了16.36%,在前屈位加载时应力比单椎模型的增加10.03%,后伸位两种情况下应力没有明显差别，左弯位加载时双椎强化模型的应力比单椎强化的模型增加10.36%,左旋位双椎模型的应力比单椎模型的应力增加17.40%。T11下终板在双椎骨水泥强化时在各种体位情况下应力与单椎体模型没有明显的差异。
　　结论：无论是单椎骨水泥强化还是双椎骨水泥强化，对邻近椎体的应力和刚度没有明显的差异。对邻近椎间盘的应力略有增加但没有明显的差异。对邻近椎体的相邻终板应力影响差异不大。双椎骨水泥强化会造成两个强化的椎体间的椎间盘应力有明显增加。多节段椎体预防性骨水泥强化不建议采用。
　　第三部分:后凸成形术后骨水泥椎间盘内渗漏对邻近结构的生物力学影响
　　目的：研究胸腰椎节段KP术后骨水泥往椎间盘内渗漏后对邻近椎体、间盘、终板的生物力学影响。
　　方法：建立胸腰段(T11-T12-L1)三维有限元模型，模拟T12行KP术后骨水泥强化后，分别模拟骨水泥往相邻的上下椎间盘内渗漏的情况，研究在中立位，前屈位、后伸位、左弯位、左旋位时椎体和邻近椎间盘、终板的应力变化。
　　结果：与骨水泥无渗漏的情况进行比较，骨水泥椎间盘内渗漏后T11、T12、L1椎体的应力没有明显的变化。T11-T12间盘出现骨水泥的渗漏，那T11-T12椎间盘的压力，左旋位时增加特别显著，T11-T12间盘的压力比无渗漏的情况下增加了39.89%。T12-L1间盘出现骨水泥的渗漏，那T12-L1间盘的压力，左旋位时增加特别显著，T12-L1间盘的压力比无渗漏的情况下增加了40.52%。骨水泥渗漏对于邻近椎体的邻近终板整体的应力没有什么影响，在出现T11-T12间盘内渗漏的情况下，T11下终板中部的应力在前屈位、后伸位、左弯位时会出现明显的应力集中，前屈位时比无渗漏时增加了528%，后伸时增加了854%，左弯时增加了658%。中立位和左旋位变化不明显。出现T12-L1间盘内渗漏的情况下，L1上终板中部的应力在前屈位、后伸位、左弯位时会出现明显的应力集中，前屈位时比无渗漏时增加了218%，后伸时增加了574%，左弯时增加了1191%。中立位和左旋位变化不明显。
　　结论：骨水泥椎间盘内渗漏与无渗漏的情况相比，对于邻近正常椎体的刚度和最大应力没有明显的变化。骨水泥渗漏进椎间盘后，能导致椎间盘的压力在旋转体位时比无渗漏情况下显著增加，长期会导致椎间盘的退变。骨水泥渗漏进椎间盘后与无渗漏的情况下比较，对于邻近椎体的邻近终板的整体应力没有显著变化，但能引起终板应力的再分布，终板中部的应力更加集中，会导致终板中部的骨折和邻近椎体的骨折。骨水泥间盘内渗漏短期看影响不显著，但长期影响不能忽视，要采取办法防止其发生。

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中文摘要

英文摘要

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前言

参考文献

第一部分 胸腰段骨质疏松有限元模型的建立

材料和方法

结果

讨论

结论

参考文献

第二部分 单椎体和双椎体行PKP术后的生物力学影响的有限元研究

材料与方法

结果

讨论

结论

参考文献

第三部分 Kyphoplasty术后骨水泥椎间盘内渗漏的相关有限元生物力学研究

材料与方法

结果

讨论

结论

参考文献

综 述

英文缩写和中英文对照词表

在读期间发表论文

致谢