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以三维有限元模型分析短节段腰椎椎弓根螺钉系统固定后螺钉应力的分布

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中国组织工程研究与临床康复筹』2誊第39期2008JournalofClinicalRehabilitative7]ssueEngineeringResearch—09—23出版2iSeptember2008V0112No39..以三维有限元模型分析短节段腰椎椎弓根螺钉系统固定后螺钉应力的分布☆敖Str俊ess,方国芳,冯伟o,张m辉b,于博,薛忠林,靳安民followdistributionefluarpediclescrewsingshortsegmentfixationbasedOilthreedimensionalfmiteAodunlemFatnentmodel,,gGuofangFengWeiZhangHuiY,,uBo,XueZhonglin,JinAnminAbstracBACKGROUNDphysiological0BJECTIVE.:No.reportsarefose.undaboutthreescrewstressibutiondistrofnonfusealowlumbarvertebraconditionunderornearDepartmentofOrthopaedics,stressZhujiangHospital3sof:TodevepDESIGNDeosteirorlumb~.internlopalfiaLgment—dimensionl(3D)faioniteiteelementmodeldelandtoevaluatethedstressofscrewinfSoutheGuanmMedicalUniversityxationTlMEANDSETTING.:Biomechanicalnaalysisif3Dfnelemersverentmowasfperormeatthe.laboratoryluogzhou510282,GuProAvngHospitalofSouthernMedicalUnivfOrthopaedicsZhujiaMATERIALS:Continuoushorizontalscanningimagesofnormal1umbarcollectedbyspiralCTf0625mmthickness)partmentoityfrteombraJanuarytoJune2008froma32yearoldmale—ince,angdongChinavonteerwerenJun☆Studying,..fordoctorate,METHoDSo:Thegeometrica.lmodelwascreateintotheSimpleware21andpediclefposteriorlumbarinternalifxationpressurewasscrew.ifxadbyMimics111basedtionsystemwasshiftedin.onwCTdataofL3Esegment.ThemondelsiteeweremithSTLformattoesta.blish3Dfile.importedentmodelsAttendingphysician,The3Dfiaceon.iteanelement󰀀modelsfwereloadedextenson.theuppersufrfL3d15N.mmomentsoimportedintoAbaqus651andanalyzed500NwasloadedtosimulatelumbaraxialcompressionscrewsscrewswDetrartmentof0rthopaedics.Zhujia,SouG,gHospitalthernMedicalnofantedingandroMAINOUTCOME_M咂ASURES:Stressimex.lfionnion1ateralbedialntationa1_hestressthepeodicleasrecordedUniv.ersity,gesandpeakoastressfpedicleunderlumbaraxialcompression。anteflexiontheuangzhou,extenslbendingRESULTS:Mostofstresio,510282GuProvlateranarotation.ince,angdongChina.sconcentratedcomonthetaansrtesswasminimalunderaxpresspeionitdLmaxilpartimfthlunelowscrews.Underdiffe.rentloadingsofIowpediclewsscrews.a000jun@163rresncornderon,axialrotationCoNCLUSl0Nrfequent:UndertheconditionofpedicleascrewsumifxaitstressconcentrasitondiclepegGFscrewbreakageZhantferoraon.barvertebrafuioninoperationpresecouldntsattareduceilpartsofscrestressinduced。coincidentw.ithCopo—ndea.cet0:JinAProfeminscrewbreakagesessorChief,physicianTutoroen.ftAnxaJ,Fan,FengW—,iftionbasedonthree一dimgHYuBXueZLiniteelemenensionalf,,12(392008;):760l7604(China)[www.zrpediclescrewsfollowingshotntmodelZhongguoZuzhiGongchengYa~iuyuLinchuagKangfuejournal/upfiles/0839/39k7601(ps)pdf]zglckfcom/glckf/,JinAM,.StressdistributionoflumbargmentdoctorDcpartm0fOrthopaedicsZhujiangHospitalof—一..SouthernMedicalUniversity摘要背景:作者未查及生理负荷状态或接近生理负荷状态下下腰椎非融合状态时螺钉应力分布的文献报道目的:建立b,节段三维有限元模型观察前路b,椎弓根螺钉内固定后的应力特点设计时间及地点:三维有限元模型的生物力学分析于200801106在南方医科大学珠江医院骨科实验室完成材料:采集1名32岁男性青年自愿者的正常腰椎螺旋CT层厚0625nlln的连续水平扫描图像方法:将CT扫描所得的数据以Dicom格式转入计算机借助Mimics111软件建立bs节段的几何模型将几何模型转入Simpleware21软件同时将椎弓根螺钉系统以STL格式转入Simpleware软件进行匹配模拟h5椎间椎弓根螺钉内固定从而建立有限元模型导入Abaqus65l进行分析在b上表面施加500N压力模拟轴向压缩再施加15Nm的力矩模拟腰椎前屈后伸侧屈和旋转等各种生理载荷观察不同载荷下螺钉的应力分布主要观察指标:椎弓根螺钉在轴向压缩前屈后伸侧屈和旋转等各种生理载荷下的应力云图和峰值结果:椎弓根螺钉在下方螺钉钉尾部应力集中明显:在各种加载运动模式中下方螺钉钉尾部应力值在轴向压缩载荷下最小在旋转时最大结论:在模拟正常腰椎活动情况下仅予以腰椎椎弓根螺钉系统固定情况下螺钉疲劳断裂的部位易发生在下方螺钉钉尾部融合相应节段可减少因螺钉应力集中引起的螺钉疲劳断裂关键词:腰椎;椎弓根螺钉固定;生物力学:有限元分析。一Guangzhou,510282GuProvinc~,angdonangChiiinanmin@163RAeceiveccecorn,。d:20080624、,。20080805pted:.。,.,—。.,,,󰀀,.,、、、,。南方医科大江医院骨科,学珠广东市、、、。省敖广州,510282,。,,,。敖俊方国芳冯伟张辉于博布【中国组织工程研究与临床康复J】,,,,.,薛忠林2008,,靳安民—.以三维有限元模型分析短节段腰椎椎弓根螺钉系统固定后螺钉应力的分[www.,12(39):76017604zglckf.com/zglckf/ejounral/39k7601(psupfiles/0839/—)pdt].俊☆男年生贵州奄毕苛南金沙县汉族主治医人师南方医科大学在读博士主要从事脊柱外科研究aoOOjun@163tom,,1970,,,,,。.>>本文导读<<街筒露石层力和位移时矩的一:在用有限元研究分析腰椎内固定的应裁应力和扭同万妒笏:应用有限元方肟席应用烂:实验结果提通讯作者:靳安民教授主任医师博士生导师南方医科大学珠江医院骨科广东省广州市,,,,,,目前尚无对其节段长度以及加一法研究腰椎椎弓根螺钉系统示下腰椎内固定时应采取有效植骨融合,510282个较为统的标准本文所采用的应力和扭矩为。固定后螺钉的应力分布是骨且固定后需长,jinanmin@163.com国内较常用的数据软件结果值较Ans,既往的研究中,,发现,Abaqus分析科领域的热点颖,,实验立题新研究结果对一期有效外固定直至骨愈合可以ys软件偏高这些偏差,对螺钉应力设计合理。有效减少螺钉断裂,同中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:16738225(2008)39076014)4的准确分析值会有影响但对螺钉应力分布特点的影响应该不大(均为相对值比较)。临床治疗具有义。定指导意时,该结果可为螺钉的设计。收稿日期:2008睢24.改进提供理论基础修回日期:2008.0805—(54200806230005/M‘A、IssN16738225.CN2Ji539,R.CoDEN:ZLKHAH7601《醪刀尼鼽0。。刊帆。敖俊等氍三维有碾元模型分辑通苇段睽稚椎弓根螺钌系统函定后螺钉理力的分商本试验模拟的椎弓根螺钉系统中椎弓根螺钉直径引言为65.mm。,长度为55mlTl。关节突关节的摩擦系数均3设置为0.前、后纵韧带和横突问韧带等结构设置为。椎弓根螺钉系统是目前治疗腰椎退行性病变最为常用的内固定器械具有固定脊柱三柱及复位功能所,,NoCompression具体模型见图1。以成为腰椎内固定的金标准。但是,在该固定方式的并发症中较高,螺钉断裂较为常见,特别在腰椎滑脱等退变性,疾病节段不融合或后方植骨未融合的内固定中,发生率逐渐引起了骨科医师的关注…。作者尚未查及到短节段椎弓根螺钉在腰椎非融合中应力分布特点的相关报道。实验以有限元方法为研究手段伸,通过对非融合状态、下的腰椎椎弓根螺钉系统固定后的轴向压缩、前屈、后侧屈和旋转等各种生理载荷下的应力峰值进行比分析螺钉的应力分布特点。较1,材料和方法设计:i维有限元模型的生物力学分析。时间及地点:实验于2008江医院骨科实验室完成。—0I/06在南方医科大学珠材料:CT图像:选择1名32岁男性青年自愿者的正常腰椎.,进行螺旋CT层厚0625m/n的连续水平扫描nce。主要仪器和设备:PhilipsBrillia64排螺旋CT。,扫描层厚Abaqu0625.mlTl,图像格式为标准111软件;Simple.DICOMware.格式相关软件:Mimicss21软件,651软件.。方法:建立腰椎短节段椎弓根螺钉系统内固定的三维有限元模型:将CT扫描所得的数据以Dicom格式转入计算机。,借助Mimics111软件.,建立b软件,~5节段的几何模型将几何加载与计算:模型转入simpleware同时将椎弓根螺钉以STL格,式转)'Simple,ware软件进行匹配模拟L4,5通用椎弓根螺,加载方法:①约束模型k椎体下表面上表面持续施加500N,在L3椎体于k、钉系统固定,从而建立有限元模型。导入Abaqus6.5l进载荷,并使此载荷均匀分布于行分析材料参数设置见表一表面各节点。②在轴向加载15”J。500N载荷的同时、,椎体上表面施加N󰀀m力矩,分前屈后伸侧弯及旋转等情况加载结果计算:采用定性和定量两种方法表示应力分布图显示。。前者用ises后者记录各加载情况下的VonM,峰值并直接进行比较伸未涉及统计学方法。主要观察指标:椎弓根螺钉在轴向压缩、、前屈、后。侧屈和旋转等各种生理载荷下的应力云图及峰值设计、实施、评估者:实验设计为第,一、七作者,,资料收集为第二作者为第四、实施为第一、三、六作者评估七作者,评估未采用盲法。7602PnBoxl200Sh~yang110004kf23385083@sina.com@2疋死2,应力峰值在垂直压缩载荷下均最小在旋转时最结果大,见表2。在轴向压缩下:钉棒系统整体应力较小。在棒下部略有应力集中。在屈曲、后伸时:,应力集中在上位螺钉及下位棒钉结合处以下位螺钉应力集中更为明显。在侧弯时:应力集中于连接棒的主干部和下位螺钉钉尾部。在旋转时:棒的主干和下位螺钉尾部应力明显高于其他几种载荷在各种载荷下:均在下方椎弓根螺钉的钉帽结合部内侧应力最大应力集中非,。常明显,峰值位于该区域,见图23讨论。腰椎退行性疾病引起的腰痛是临床上的常见病因不少患者需要手术治疗。,尽管弹性内固定系统已经取得,了与刚性内固定系统相同的内固定效果但仍缺乏前瞻性研究的支持f4J。故采用椎管减压,、植骨融合及内固定疼痛一是目前临床主要治疗方法该治疗方法的常见并发症和再手术等一但是,固定后螺钉断裂也是、。断钉引起的矫正丢失系列问题,成为临床医生关注焦点之。本实验用三维有限元模型模拟L4/5节段内固定近腰椎后方减压-,接、'IN植骨未内固定而不予植骨或者后~融合时的情形,研究的腰椎加载负荷和扭矩均接近正常,生理状态下腰部活动水平结果表明:椎弓根螺钉的应。力在轴向压缩时种负载下,,螺钉各段的应力均很小,而在其他几螺钉分布的应力急剧增高。下位螺钉的钉帽结合部应力集中尤其明显螺钉的屈服强度894~其应力峰值大幅超过钛合金a1034MP【5J。因此,,在固定后如果其出现扭矩参与的频繁大幅度腰部活动此处的持续应力,使螺钉发生疲劳性断裂可能性增大他几种载荷下,。除轴向压缩外仅次于峰值,棒的下部应力较大,,尤其是旋转时最为显著因此。,临床上长期的应力疲劳可能循环负荷次数引。在此处引起断棒或脱棒螺钉的断裂与局部应力大小钉局部应力结果看、、操作技术和椎弓根螺钉设计等诸多因素有判,从本实验螺J。为了尽量降低螺钉疲劳断裂的可能因为性,术中实施内固定节段的植骨融合是必要的¨腰椎退变性疾病往往与腰椎不稳和腰部长期较重应力负荷息息相关,特别是术中椎板一、关节突等后部结构部,分切除减压等措施进步破坏了脊柱稳定性更加应该植骨融合峭J。目前植骨常采用椎间融合或后外侧融合,。椎间融合和后外侧融合的很多指征相互重叠旧J究竟使用哪种融合术,目前仍有争议,尽管有学者实验表明若下腰椎前方的承载能力尚存,使用侧后方植骨融合可获得lsSN16738225.cN211s39,R.CoDEN:ZLKHAH7603ww ̄.zglcI ̄.corn 敖俊 等以三维有限元模型分板短书段鼹椎椎弓根螺钉系统茜定后螺钌应力的分布 充分稳定性 ‘“。也有Duffield等 的实验表明,影响 内置物应力载荷及稳定性最大的因素还是脊柱前中柱 的稳定性。前中柱承受生理载荷的70%~90%,其缺损则 载荷大部分加于后方内固定器械上。而横突问植骨处 于张力带侧,缺乏应力刺激,活动度较大,而且横突 间植骨的暴露面积较大、出血较多,加之横突周围有 大量软组织附着,因而制备出好的横突问融合的植骨 床并不容易,难以保证融合效果lI 。 Jutte等ll 发现后 3 Ma H.Zhao J.Lian XF,et a1.Zhonghua Guke Zazhi 2007;27(4): 282.286 马辉,赵杰,连小峰,等.腰椎滑脱后路不同融合术式的有限元研 究….中华骨科杂志,2o07,27(4):282—286 4 Sengupta DK.Dynamic stabilization devices in the treatment of low 5 back pain.Orthop Clin North Am 2004;35(11:43—56 ZOH DW Yang HLJin DD,et a1.Beijing:People’s Militry Mediacal Press 2008:65—66 邹德威,杨惠林,金大地,等.脊柱功能重建外科学一高级理论和技 巧[M].北京:人民军医出版社,2008:65.66 6 Zhang JD,Xu 0R,Hu G et a1.Shanghai Yixue 20o7;30(9):7l8 7l9 张继东,徐卿荣,胡光宇,等.椎弓根螺钉内固定术后松动、断裂 的原因分析及对策[J】.上海医学,2oo7,30(9):718—719 7 Fritzell P'H菹g叠O,Wessberg et a1.20ol V0lvo Award Winner in Clinical Studies:Lumbar fusion versus nonsurgical treatment for chronic low back pain:a multicenter randomized controlled tialr from 外侧融合附加椎弓根螺钉固定的螺钉断裂率远远高于 椎体间融合附加椎弓根螺钉固定,尤其在脊柱滑脱复 8 the Swedish Lumbar Spine Study Group.Spine 200l;26(231: 2521.2532 Li GL,Lu S W i et a1.Zhongguo Jiaoxing W ke Zazhi 2007; 位内固定患者。很多学者[14-15]认为用后外侧融合方法融 合附加椎弓根螺钉固定取得了与椎间融合相近的治疗 效果,但并发症较多,矫形效果较差,且融合率相对较 低。术后必须使用支具保护固定节段脊柱前屈等腰部活 动,尤其是防止旋转活动,尽量保持腰椎在轴向压缩位, 使力通过脊柱前中柱向下传导,避免椎弓根螺钉过度承 重,是十分必要的。而后路椎问融合可以和其他手术程 序一并在同一体位和切口下完成,还可完成360。融合, 所以近年来短节段附加椎弓根螺钉固定的手术适应证 有越来越扩大的趋势[16-17]。 在脊柱屈、伸、侧弯及旋转时,螺钉在下方椎弓根 螺钉的钉帽结合部内侧应力最大,因此在置入螺钉时, 应尽量深的拧入,以缩短螺钉外露部分,减少螺钉一骨界 面间的弯曲力臂u引。另外,还可通过在设计下位椎弓根 螺钉时,钉尾适度增粗,可增加力学强度,减少螺钉疲 劳断裂的可能性。 本实验结果中,螺钉的应力分布和应力集中情况与 Chen 艮告的情况近似,表明植骨前与植骨融合后螺 钉的应力分布和应力集中情况基本相似。提示弹性模量 大的金属内置物仍是主要的应力承受区,可能引起螺钉 疲劳断裂,这与临床观察相符合 l。 4参考文献 Jutte Pc.castelein RM.Complications of pedicle screws in lumbar and lumbosacral fusions in l05 consecutive primary operations.Enr Spine J 2002;l 1(6):594.598 2 Chen CS,Chang CK,Liu CL.A biomechanical comparison of posterolateral fusion and posterior fusion in the lumbar spine.J Spinal Disord Tech 2002:15f】):53.63 7604 15(2l1:l607.1609 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