椎弓根螺钉钉道对椎体强度影响的有限元分析

摘要

目的：
　　应用有限元分析法探讨腰椎骨折伤椎椎弓根螺钉植入术后，椎体内钉道对椎体生物力学稳定性的影响，为临床椎弓根螺钉置入方式的选择提供理论依据。
　　方法：
　　1.抽取20位因腰椎骨折在南昌大学第一附属医院骨科行椎弓根螺钉内固定术治疗，且椎弓根钉取出术后患者，即刻分别对志愿者的伤椎及邻近椎体进行CT扫描，测量带钉道椎体的皮质骨、松质骨及钉道壁的CT值。比较不同骨质之间的CT值差异。
　　2.选择1位健康男性志愿者，采用64排螺旋CT对腰椎节段进行薄层扫描（层厚0.75mm），将扫描所得的数据以DICOM格式导入交互式医学影像控制系统Mimics16.0进行三维重建，并使用hypermesh13.0软件对椎体皮质骨及松质骨部分进行网格划分，获得L1椎体的六面体网格划分模型（该模型皮质骨及松质骨为独立的两部分，不包括椎间盘及韧带组织），并用Mimics16.0软件根据腰椎椎弓根螺钉的植入原则，于L1椎体适当位置构建单、双侧及不同直径(4.5mm，5.5mm，6.5mm)的钉道模型。最终分别建立单个正常、单侧和双侧有钉道椎体模型，Abaqus软件进行边界约束后施加不同大小的垂直压力载荷。比较各模型在不同情况下的受力情况。
　　结果：
　　1.钉道壁的CT值为：375.077±51.869，松质骨的CT值为：114.615±33.336，皮质骨的CT值（403.308±52.733）。钉道壁骨质与皮质骨CT值无显著性差异（P=0.149）。
　　2.各个椎体模型中，椎体本身的皮质骨最先达到极限应力值。当皮质骨达到最大应力时，双钉道、单钉道、正常椎体模型所能承受的载荷分别为：3.97Mpa、3.83Mpa和3.78Mpa，逐渐减小。而松质骨则趋势相反；在钉道壁达到极限应力时，单钉道椎体模型所能承受载荷小于双侧钉道椎体模型，所能承受的载荷分别为：22.83Mpa和23.02Mpa；单双侧椎弓根螺钉钉道所受应力主要集中在螺钉钉道的中后部；随着钉道孔径的逐渐增大，椎体模型皮质骨达到最大应力时，椎体所能承载的载荷逐渐增大，而松质骨和钉道则相反。
　　结论：
　　1、椎弓根螺钉使钉道壁骨质皮质化改变；
　　2、有钉道椎体模型抗载荷能力要强于正常椎体模型，双侧钉道模型抗载荷能力较单侧钉道模型更强，因此临床置钉可尽可能的双侧置钉；
　　3、随着椎体内钉道直径的增加，椎体所能承载的载荷增大，椎弓根螺钉钉道能增加椎体的抗载荷能力。

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中英文缩略词表

第1章 前言

第2章 资料与方法

2.1 椎体骨质及钉道壁的CT值测量

2.2 CT数据采集

2.3 椎体三维有限元模型的建立

2.4 模型的材料属性

2.5 统计学分析

第3章 结果

3.1 椎体不同骨质的CT值

3.2 正常椎体与带钉道椎体模型承载极限载荷的比较

3.3 不同直径钉道椎体模型承载极限载荷的比较

第4章 讨论

第5章 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果

综述: 有限元分析在骨科中的应用及研究进展