三维有限元法分析内固定类型及骨质疏松对斜外侧椎间融合的影响

摘要

背景:目前斜外侧椎间融合是否需要内固定尚有争议,骨质疏松的存在是否会对应用斜外侧椎间融合时内固定类型的选择造成影响也缺乏生物力学研究支持.目的:运用三维有限元法分析开展斜外侧椎间融合时骨质疏松及后路椎弓根钉棒的不同固定类型对腰椎生物力学的影响.方法:获取健康人L3-L5节段CT扫描数据,运用Mimics、Geomagic、Solidworks、ANSYS软件建立L3-L5正常三维有限元模型(M0)和骨质疏松模型(N0),并分别以M0、N0为基础在L4-L5节段建立斜外侧椎间融合正常腰椎单纯融合固定(stand-alone)模型(M1)、单侧椎弓根钉棒固定模型(M2)、双侧椎弓根钉棒固定模型(M3)及骨质疏松腰椎单纯融合固定模型(N1)、单侧椎弓根钉棒固定模型(N2)、双侧椎弓根钉棒固定模型(N3).在L3上表面施加500 N垂直载荷及7.5 N?m力矩,模拟脊柱前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转等生理活动,观察各有限元模型不同工况下L4-L5节段的相对活动度、L5上终板、融合器和钉棒系统的应力分布,并记录Von Mises应力峰值.结果 与结论:①无论是在正常模型中还是骨质疏松模型中,随着后路内固定的增加,L4-L5活动度、L5上终板应力、融合器应力总体上均呈现下降趋势;②M2内固定的应力相比M3最大增大了115.26％;N2内固定的应力相比N3最大增大了78.87％;③同种内固定类型下,骨质疏松模型的L4-5活动度、L5上终板应力、融合器应力均较正常模型增大;④N2内固定的应力相比M2最大增幅为39.59％,N3内固定的应力相比M3最大增幅为43.30％;⑤提示骨密度正常、无明显序列失衡的腰椎应优先考虑单纯融合固定或单侧椎弓根钉棒固定;若腰椎存在明显序列失衡,则应联合双侧椎弓根钉棒固定;骨质疏松腰椎应联合双侧后路椎弓根钉棒进行固定,有助于降低其融合器沉降、终板塌陷的发生率,提高固定安全性.