PEEK棒椎弓根螺钉内固定系统的三维有限元分析与临床应用研究

摘要

目的：
　　 1、通过三维有限元软件建立正常L3-L5模型、L4/5植钉PEEK棒融合前、L4/5植钉钛棒融合前、L4/5植钉PEEK棒融合后、L4/5植钉钛棒融合后共5种模型。采用三维有限元方法，分析植骨融合前手术节段的椎间应力，及植骨融合前后不同运动状态下手术节段的螺钉应力，相邻节段椎间盘应力。
　　 2、使用PEEK棒椎弓根螺钉内固定系统治疗下腰椎退行性疾患，并进行临床疗效和影像学分析。
　　 方法：
　　 1、利用Mimics11.0读入扫描得到的DICOM文件重建下腰椎L3-L5的STL格式的三角面片形式模型，再将STL文件导入到Geomagic软件中，经过点云阶段-多边形阶段-形状阶段生成体模型。在Pro/E软件中建立内固定系统模型，将模型以导入到有限元分析软件Ansys中。约束住L5椎体下表面的所有自由度，在L3椎体上表面施加400N的面载荷，来模拟人体上身的自重。在L3椎体的上表面节点上加载40Nm的力矩分别来模拟人体在屈伸、侧弯和轴向旋转时的作用力矩。模型共分正常L3-L5模型、L4/5植钉PEEK棒融合前、L4/5植钉钛棒融合前、L4/5植钉PEEK棒融合后、L4/5植钉钛棒融合后共5种模型，比较每种模型分为屈伸、侧屈和轴向旋转各三种运动情况植骨融合前后手术节段的椎间应力，螺钉应力及相邻节段椎间盘应力。
　　 2、对比分析分别采用Peek棒内固定及传统钛棒固定术(PLIF腰椎后路椎体间融合)治疗腰椎退行性病变的两组患者，分别为13例和15例，每组平均随访时间6个月以上，通过JOA评分评价临床疗效，并对比观察两组间手术时间、术中输血量、以及末次随访时椎间融合率及相关并发症。
　　 结果：
　　 1、将L3-L5骨组织曲面模型以IGES格式导入到有限元分析软件Ansys中，建立L3-L5有限元模型，正常L3-L5节段模型共有5513266个单元，777592个节点，模型在屈伸、侧屈及旋转状态下活动度与文献报道的一致。屈伸、测屈和轴向旋转三种运动情况下，PEEK棒内固定组的椎间纤维环和髓核应力明显高于钛棒组。植骨融合前后两种状态，PEEK棒内固定组L4、L5螺钉的应力及相邻节段的纤维环和髓核应力明显小于传统钛棒组。
　　 2、所有患者术后均经过6个月以上的随访，两组JOA评分改善率、两组手术时间、术中输血量无明显统计差异，影像学观察发现末次随访时椎间骨融合率PEEK棒组高于普通钛棒组。
　　 结论：
　　 PEEK棒椎弓根螺钉内固定系统与传统钛棒相比，在植骨融合前能增加椎间应力，促进植骨融合，并能减少螺钉应力，有利于减少术后断钉情况的发生，且在植骨融合前后均能明显降低相邻节段椎间盘内的应力，有利于预防相邻节段退变的发生，有望成为一种较好的腰椎内固定装置。