付林[1]2017年在《不同棘突间撑开高度对融合椎上位椎间稳定性的生物力学作用研究》文中提出目的:腰椎间盘突出症是骨科的常见病、多发病之一,自1934年提出至今,发病率呈上升趋势。腰椎融合术在治疗腰椎退行性变方面疗效显着,其主要的远期并发症为邻近节段退变。棘突间动态稳定系统,作为一种腰椎后路的非融合技术具有手术创伤小,可进行二次手术等特点。棘突间动态固定系统常用于治疗间歇性跛行等轻度腰椎管狭窄而引起的症状。本研究主要探究棘突间动态固定系统在延缓邻近节段退变过程当中的生物力学作用,为临床应用提供实验依据。方法:选用新鲜羊腰椎脊柱(L1-L5)样本,剔除附着肌肉,两端(L1头端、L5尾端)进行牙托粉包埋固定。分为4组进行实验:正常对照组—(CG组)脊柱骨性结构及韧带结构完整;不稳定组—(IG组)行L3/4节段双侧关节突关节切除;置钉组—(FG组)行L3/4节段双侧关节突关节切除、L3/4后路椎弓跟钉固定;混合固定组—(HG组)在FG组干预基础上,行L2/3节段间不同撑开高度的棘突间撑开(6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm)。样本包埋后用X线片确认脊柱完整性,然后在关节突关节处贴电阻应变片,贴片位置选取脊柱运动时关节突关节应变最大处。贴片完成后,校准叁维动态捕捉系统,定义空间叁维坐标系和脊柱转动角度正负值,应用克式针把刚体与椎体相连接,并通过软件定义克式针针尖为刚体的运动中心,克式针植入椎体中心。此后把样本固定在多自由度脊柱力学试验机上,调整机器参数,设定运行程序,采用扭矩控制,每组动作重复3次测定脊柱屈伸、侧弯和扭转方向上的活动度。实验开始后,应用MTS多自由度力学试验机在最大扭矩为5N·M的工况下测量脊柱前屈、后伸、侧屈、轴向旋转的活动度,同时应用NDI叁维动态捕捉系统获取单个腰椎节段(L2、L3、L4)的活动度变化,应用电阻应变片测量关节突关节的应力值变化。各实验组顺次进行。结果:(1)全腰椎活动度:后伸活动度、轴向旋转活动度组间有统计学差异。16mm、18mm HG组与CG组、IG组、FG组相比,后伸活动度有统计学差异;18mm HG组与10mm、12mm HG组相比,后伸活动度有统计学差异。IG组与FG组、HG组相比,轴向旋转活动度有统计学差异(P<0.05)。(2)单节段椎体活动度:各组L2、L3、L4节段活动度在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转方向上差异均无统计学意义(P>0.05)。线性回归分析显示,前屈工况下L3活动度、后伸工况下L2活动度与撑开距离呈正相关(P<0.05)。(3)关节突关节应变值:在前屈、同侧侧弯、对侧侧弯工况下时,18mm HG组L4下关节突关节应变值与其他各组有统计学差异(P<0.05)。在轴向旋转时,18mm HG对侧组L2上关节突关节应变值与CG组和FG组及其他撑开距离HG组间差异有统计学意义(P<0.05);IG组L2上关节突关节应变值与8mm、12mm HG组有统计学差异(图2.5,P<0.05)。结论:(1)联合应用单节段椎弓根钉固定和棘突间撑开装置能够在后伸工况下限制脊柱的运动。较小的棘突间撑开距离不会影响全腰椎活动度,较大的撑开距离能够限制腰椎矢状面活动度,显着减少腰椎活动度。(2)联合应用单节段椎弓根钉固定和棘突间撑开装置能够使融合节段的头侧节段以及融合节段的上位节段的活动度随着撑开距离的不断增大而减小,有利于提高腰椎的稳定性。单节段固定组与完整组相比,在后伸工况下,椎弓根钉固定节段头侧段和上位节段活动度均增加且两者运动方向相反,而固定节段的尾侧段活动度减少,这些都会加速上位邻近节段退变的发生。(3)联合应用单节段椎弓根钉固定和棘突间撑开装置,能够使邻近节段的关节突关节应力减小、减少非融合装置上位节段的应力,从而延缓邻近节段退变。临床工作中选择合适的撑开器,能够限制腰椎运动的同时减轻固定节段邻近节段以及撑开节段头侧节段的应力。(4)联合应用单节段椎弓根钉固定和棘突间撑开装置能够改变腰椎关节突关节的应力分布,限制某些节段的活动,进而延缓邻近节段退变。
谢利军[2]2003年在《不同内固定方式对腰椎生物力学作用的实验研究》文中研究说明背景资料：胸腰椎爆裂性骨折临床上非常多见，可导致脊柱的严重不稳和神经功能的损伤，在过去的几十年中其治疗方法取得了快速发展。稳定性手术由于具有阻止神经功能的进一步损伤、对骨折进行复位、允许患者早期活动等优点而被广泛采用。后路椎板钩—棒系统利用撑开和韧带的牵拉作用来纠正畸形和复位骨折块，但复位效果不完全且融合节段较多。后路椎弓根系统具有更好的后凸畸形纠正能力和固定节段少等优点，但椎管减压效果仍不够理想。许多作者建议对爆裂性骨折先行后路减压复位内固定，术后再进行病情评估，对仍有椎管压迫的患者二期行前路减压和结构性植骨。随着前路内固定的应用，后路的分期手术可在前路被一次完成；即在直视下的椎管彻底减压、前柱的结构性植骨和重建脊柱的稳定性(即刻内固定稳定)均一次完成，避免了后路的再次手术和允许患者早期活动。 浙江大学硕土学位论文 然而，对于骨折伴脱位、创伤后后柱融合的后凸畸形、不稳定爆裂性骨折和肿瘤侵入椎体前后柱结构等术中需切除脊柱的前后路结构的患者需采用前后路联合手术和环形稳定治疗。脊柱减压后的重建所涉及的因素非常广泛，在手术设计过程中，生物力学的因素也应被充分考虑。但对于脊柱结构破坏到何种程度需要前后路联合固定尚无统一量化标准。作者采用离体人脊柱标本试验对前路ZTlate钢板、后路Tenor椎弓根系统以及前后路Z个late和Tenor联合固定结构的生物力学特性作一评价，旨在为临床选择提供参考。 目的：评价脊柱短节段内固定器械前路Z中 钢板、后路Tenor椎弓根系统在前路、后路及前后路联合固定时对腰椎的生物力学作用。 方法：采用 10具新鲜人腰椎标本几；一LJ，剔除除椎间盘、韧带、小关节囊以外的所有软组织后，双层塑料袋包扎毛0 oC低温保存备用。用适当方法在L。节段造成爆裂性骨折后（其中一个失败不予采用），遵循临床治疗要求对H个标本行前路减压结构性植骨和ZTlate钢板固定、叁个标本行后路Tenor椎弓根系统固定、叁个标本行前路减压结构性植骨和前后路联合固定。按稳定性试验要求，在前屈／后伸。左／右旋转、左／右侧屈 6个运动方向给予“纯力矩”进行生物力学测试，用激光全息一散斑法记录L。椎体及相邻椎间盘的位移，得出叁个实验组在各个方向的载荷一位移曲线。 结果：前后路联合固定较前路钢板在前屈／后伸、左／右旋转、左／右侧屈6个运动方向有更好的稳定性；后路椎弓根系统固定较前路钢板在后伸、左／右旋转、左侧屈运动方向有更好的稳定性；前后路联合固定的稳定性最好。 2 浙江大学硕土学位论文 结论：后路和前后路联合固定较前路固定有更好的稳定性。
刘小勇[3]2017年在《记忆合金可扩张椎体支架微创治疗椎体骨折的研制与相关基础实验研究》文中认为第一部分可扩张椎体支架的设计(一)椎体解剖与可扩张椎体支架的短缩的分析目的:研究国人脊柱椎体的解剖特点和记忆合金特性,利用几何数学原理分析探讨记忆合金可扩张椎体支架(EVS)的设计参数与短缩,探讨EVS椎体内扩张的安全性。方法:10具完整干燥脊柱标本,测量椎体前(A)、中(H)、后(B)的高度和椎体终板截面内倾距离长L与R及中心线长M,以M为EVS长度设计参数;Excel软件统计分析;运用几何原理分析EVS的短缩关系。结果:T4~L5椎体终板水平截面L/R长度为(22.3±2.6/22.4±1.8)mm(测量范围为18mm~35mm),中心线M为(20.6±1.7~28.8±2.0)mm(测量范围为17mm~32mm),M略小于L/R;椎体中高H为(15.7±1.8~22.8±1.3)mm(测量范围为12mm~26mm);椎体中高与椎体上终板矢状轴前后缘的比值H/M为0.70~0.80;弧长f取23mm可以满足临床国人胸腰段椎体压缩骨折EVS的设计要求。EVS的短缩差在1.0mm~6.0mm之间:临床常见的胸腰段椎体EVS短缩差为2.0mm~3.0mm之间;特殊设计球形EVS短缩差为4.0mm~6.0mm。结论:椎体侧位前后缘距离M可作为EVS的设计参数和应用规格的选择依据;EVS在椎体内可以安全的扩张。(二)记忆合金椎体可扩张支架设计参数的探讨目的:测算记忆合金椎体可扩张支架的表面积、体积与质量,初步测算可扩张椎体支架的镍离子游离量,探讨其作为体内植入物的可行性。方法:对本设计的叁、四、五、六瓣叶可扩张椎体支架表面积和自身体积进行测算,记忆合金镍离子相关资料数据,推算可扩张椎体支架的镍离子游离度;对照正常人体血镍浓度、人体日生理摄入量,对其结果进行对照。结果:本设计可扩张椎体支架每只的表面积在420mm2~900mm2之间,体积为110mm3~280mm3,质量为772mg~1968mg。可扩张椎体支架的镍离子体外Hanks液的测算最大峰值游离量为7517.4×10-6μg~16852.44×10-6μg;设计最大规格的可扩张椎体支架在Hanks液释放镍离子的理论峰值占正常人体血镍离子量的0.0034%。结论:可扩张椎体支架的镍离子极微量游离,可作为椎体内的植入物。第二部分可扩张椎体支架的基础实验(一)椎体标本内扩张效果的初步影像观察——脊柱椎体压缩骨折的微创动力内固定(MIVDIF)设计目的:影像观察记忆合金板材研制的记忆合金椎体可扩张支架(SMA-EVS)在椎体内的初步实验复形与椎体的空腔形成情况,探讨其临床意义。方法:0.75mm厚的记忆合金板材初步研制的六瓣EVS 5枚,3枚置入两节未行骨折预处理的椎体标本,顶瓣旋转植入观察椎体内空腔的形成情况;另2枚置入一节行压缩骨折预处理的椎体内,一枚旋转植入,另一枚正常角度植入对照观察。标本摄片和CT叁维重建,观察EVS对椎体标本的空间构建。结果:未骨折预处理的标本植入的3枚EVS顶瓣侧向旋转后,椎体内仍形成良好的空腔,EVS扩张后未见明显骨块卡入;骨折预处理的标本EVS顶瓣旋转置入,CT重建可见骨折椎体内的松质骨块可经宽的侧瓣间隙卡入EVS的空腔内,另一枚EVS顶瓣按设计要求置入,CT重建未见骨块卡入EVS空腔内。结论:EVS在椎体内可以产生预期的空间作用;六瓣EVS瓣叶的旋转植入椎体内可能对EVS的空腔产生影响。初步实验的影像结果为不同类型椎体压缩骨折临床应用提供了实验基础。(二)可扩张椎体支架填充材料的体外初步探究目的:观察体外可吸收填充材料的性能与记忆合金可扩张椎体支架(EVS)体外生物力学。方法:测试1.0mm厚度记忆合金板材研制的3瓣叶、4瓣、5瓣各一枚和0.8mm厚度的记忆合金板材研制的5瓣2枚,EVS应力-位移曲线,位移设定为7mm;测试水调制的α半水硫酸钙(SCS)调制的干燥模块生物力学;测试EVS填充SCS干燥后的生物力学;位移均设为5mm。调制磷酸钙(CP)、硫酸钙(SCS)与羟基磷灰石(HAP)至团状,直接置入水中,观察其变化。结果:在测试的应力-位移曲线结果中,单纯支架最大力学区间位于136.4-246.8N;水调制的SCS模块干燥后生物力学范围为128.3N~151.1N;EVS支架填充SCS干燥后最大位移的生物力学459.9N~602.5N之间;叁者生物力学有显着差异,P<0.05;单纯水调制的磷酸钙(CP)、硫酸钙(SCS)与羟基磷灰石(HAP)在水中后均不能成型。结论:EVS有良好的生物力学;SCS、CP、HAP虽然在干燥环境中产生良好的生物力学强度,但不能在水中干结成型,水调剂样品不能实现单独对椎体骨折胶合固定。(叁)可扩张椎体支架椎体内扩张与生物材料填充效果影像观察目的:影像观察记忆合金研制的可扩张椎体支架(SMA-EVS)椎体内扩张复形及材料填充效果。方法:自行研制的记忆合金支架六瓣7枚。3枚置入两节未行骨折预处理的椎体标本;另2枚置入一节行压缩骨折预处理的椎体内;观察椎体空腔与自体松质骨填充。一枚六瓣植入椎体侧边,直接填充可吸收填充材料;另一枚五瓣支架两次植入一侧灌注过骨水泥的标本内,观察支架椎体内的扩张影响,一次植入改良后的可吸收填充材料植入扩张空腔内。标本摄片和CT叁维重建,观察支架对椎体标本的空间构建与填充材料灌注效果。结果:所植入的支架7枚8次在椎体标本内完全扩张6次,2次不全扩张。骨折预处理后的植入支架均获得扩张,可形成良好的空腔,部分骨折椎体内松质骨卡入支架空腔内;靠近椎体侧缘植入的支架部分扩张,填充可吸收生物材料后影像显示填充效果不理想;两节椎体预先一侧填充骨水泥,支架均仅获得部分扩张,随后改良填充材料植入支架空腔内,获得良好填充。将此椎体做了骨折处理,支架获得扩张。结论:记忆合金可扩张椎体支架在骨折椎体内可达到自行扩张复形并产生预期的空间作用;未做骨折预处理的椎体标本可能受皮质骨以及松质骨自身强度和其他因素(椎体强化)的影响,支架不能完全扩张;传统的可吸收填充材料并不能很好的填充支架的空腔;改良后的填充材料具有良好的可操作性。第叁部分可扩张椎体支架的生物力学研究(一)不同瓣叶可扩张椎体支架的生物力学初步测试目的观察自行研制的记忆合金可扩张椎体支架的初步力学性能。方法对1.0mm厚度记忆合金板材研制的3瓣、4瓣、5瓣各1枚和0.8mm厚度的记忆合金板材研制的5瓣2枚、6瓣1枚可扩张椎体支架进行初步的压力测试,观察支架的应力-位移曲线变化。结果在测试的力学-位移结果中,可扩张椎体支架压力位移曲线呈“S”形变化,随着压力增大,支架的力量逐渐增大;当支架位移压缩7mm时,4瓣5瓣支架的极限张力为100~246N;所测试的支架在完全压缩后没有断裂;压缩后的支架置于温水中,支架均完全扩张,支架高度没有丢失。结论记忆合金可扩张椎体支架具有良好的初始张力,可以为骨折椎体提供初始的复位、扩张和支撑。(二)Kyphon球囊与可扩张椎体支架的生物力学观察目的:观察自行研制的记忆合金可扩张椎体支架(Shape Memory Alloy Expandable Vertebrae Stent,SMA-EVS)的力学性能与Kyphon球囊的生物力学性能。方法:对1.0mm厚度记忆合金板材研制的3瓣、4瓣、5瓣各1枚和0.8mm厚度的记忆合金板材研制的5瓣2枚、6瓣1枚EVS进行初步的压力测试,观察支架的应力-位移曲线变化,Kyphon球囊压入2ml液体,球囊应力值在80PSI左右,同法在生物力学测试仪上测试应力-位移曲线,设定位移值为5mm。结果:在测试的力学-位移结果中,EVS压力位移曲线呈"S”形变化,随着压力增大,支架的力量逐渐增大;在支架的极限位移7mm时,4瓣5瓣支架的极限张力为100~246N;Kyphon的应力-位移为一渐进的曲线,5mm位移时Kyphon球囊的应力值为150PSI,所测压力值为123N。结论:可扩张椎体支架与Kyphon球囊为两个不同的力学体系,球囊的工作压力可作为椎体内松质骨的应力参照;记忆合金可扩张椎体支架可以为骨折椎体提供初始的复位、扩张和支撑。(叁)不同工艺可扩张椎体支架的生物力学初步测试目的:对先期研制的记忆合金可扩张椎体支架椎体内扩张后,对改进工艺参数的不同瓣叶不同工艺可扩张椎体支架的力学强度进行测试,目的进一步探索支架工艺与生物力学强度的关系,探讨支架的设计参数与制造工艺间的关系,寻求支架的最佳工艺。方法:支架的工艺可由记忆合金板材与管形材料加工而成。最初椎体内扩张成功的支架为记忆合金板材加工而成。本次支架生物力学性能的检测以此其基础,在改进其设计参数研制的支架中进行。本次支架生物力学强度的检测分如下几组:参照组:与椎体内扩张成功的同批次6瓣0.8mm记忆合金板材支架生物力学强度为参照组:其记忆合金板材设计参数厚0.8mm,瓣叶宽约1.2mm。因此,以其生物力学强度作为初始参照。第一组:3枚1.0mm记忆合金板材(3瓣、4瓣、5瓣各1枚)与0.8mm记忆合金板材(5瓣共2枚),共计5枚;本组为第一批支架的生物力学检测,所以在测试其生物力学强度时采用瓣叶接近全压缩状态,其压力位移设为7mm。此组作为支架生物力学强度的对照标准组。第二组:1.0mm厚度记忆合金板材6瓣1枚;0.8mm厚的记忆合金管形材料8瓣支架1枚;0.8mm厚度的记忆合金板材6瓣2枚、5瓣3枚;此组生物力学强度测定作为本设计支架的可能生物力学强度区间,压力位移设为5mm。第叁组:0.8mm厚的记忆合金管形材料6瓣支架1枚、8瓣1枚;探索设计预期最理想的管形材料研制的支架性能与生物力学强度,压力位移为9mm。第四组:1.0mm厚度6瓣支架和0.8mm管形材料8瓣支架对应瓣叶的应力重复测试,观测本设计支架的记忆效应,压力位移为5mm。第五组:1.0mm厚度板材6瓣支架;检测瓣叶不同放置位置时的生物力学强度变化。衡仪生物力学测试仪测试记录支架的应力-位移曲线变化。结果:参照组:椎体内扩张的6瓣同批次的支架生物力学强度测定,压缩位移在7mm时,生物力学强度值为90N;第一组:各型瓣叶支架生物力学强度参照组:板材工艺的记忆合金可扩张椎体支架在测试的力学-位移结果中,压缩位移在7mm时,对应的生物力学强度为136N~236N之间;椭球体的支架压力位移曲线呈"S”形变化,在位移压缩2mm左右,支架生物力学强度范围在50N-75N,随后支架力学强度随着位移曲线呈弧形增加,出现一个“平台期”;随着压力-位移的进一步增大,压力-位移曲线再次出现陡的曲度变化,其压力位移终末时压力强度达到136N~236N之间,平均168N;其中1.0mm板材3瓣的支架瓣叶的支架在整个测试过程中生物力学强度最大,4瓣的其次,0.8mm板材制作的6瓣支架生物力学强度压力位移曲线对应值最小。第二组:支架生物力学强度区间组:本组结果中,1.0mm厚度记忆合金板材的6瓣支架生物力学强度在整个测试过程中最大,5mm的压缩位移终末值为238N。第叁组:管形材料支架生物力学强度测试结果0.8mm厚度的管形材料研制的支架形状大致为菱形,即瓣叶非椭球形结构,为单一弧形结构。在压缩1mm时对应压力为45N-65N左右,在2mm处达到约73N,这一位移过程,支架的应力高于对应的板材工艺支架;随后支架随压力位移进入“平台期”,8瓣支架在压力位移近终末期略有所增加,6瓣的略有所下降;至设定的最大位移9mm时压力值为72N-110N,无板材加工的椭球形结构的“S”形尾端生物力学强度增加的情形。第四组:1.0mm厚度6瓣支架和0.8mm管形材料8瓣支架的应力重复测试,支架生物力学强度变化测试结果。第五组:1.0mm厚度6瓣支架瓣叶不同放置位置时的生物力学强度变化。结论:支架具有良好的生物力学性能和记忆特性;不同厚度、不同瓣叶与不同工艺的支架其生物力学性能有所差异。(四)可扩张椎体支架椎体内生物力学分布有限元分析目的:应用脊柱有限元分析方法分析生理载荷作用下,椎体内植入记忆合金可扩张椎体支架后,椎体与支架生物力学强度的变化。方法:老年骨质疏松女性L1CT扫描资料,利用一系列计算机辅助设计软件构造相对应的L1骨质疏松性椎体的叁维有限元模型。分析轴向压缩、前屈、后伸、侧向5种加载状态下正常椎体、植入支架前后,记忆合金可扩张椎体支架与L1椎体的应力变化情况。结果:在椎体未植入支架的单纯负载模拟实验中,椎体侧弯、后伸、前屈、旋转、直立时所受的应力分别为:17.1MPa、21.1MPa、44.0MPa、13.1MPa、11.4MPa。植入支架后,椎体载荷模拟实验中,所受应力与未植入支架时无变化。而椎体内支架在侧弯、后伸、前屈、旋转、直立时所受的应力分别为:82.7MPa、49.8MPa、42.6MPa、79.1MPa、22.8MPa。当模拟支架撤出椎体内,椎体内支架空槽应力结果在侧弯、后伸、前屈、旋转、直立时所受的应力分别为:82.7MPa、49.8MPa、39.2MPa、79.1MPa、22.8MPa。在本实验组的叁维有限元的分析结果中,椎体植入支架前后仅在前屈位时椎体应力出现变化,无支架时椎体前屈最大应力为44.0MPa,植入支架后,最大应力为42.6MPa,当椎体内支架模拟从椎体内移除时,椎体最大应力为39.2MPa。结论:记忆合金可扩张椎体支架植入椎体后,在椎体多数运动状态下椎体受力无明显变化;在前屈状态下,椎体植入支架前后最大应力有所变化,提示植入支架后的初期依然要减少前屈运动对椎体前缘的应力。第四部分脊柱结构的基础研究(一)椎体截面的数理学原理分析与脊柱病变的探讨研究背景:脊柱结构由椎体与椎间盘相间连接构成,这样的复合体对于脊柱的结构与力学有何特殊意义?临床上,在脊柱的椎体骨折与椎间盘退变中有何内在的结构因素?目的:测量脊柱椎体终板截面的横径与矢径,利用数理学原理分析脊柱椎体—椎间盘受力传递规律,分析人体脊柱椎体—椎间盘的受力规律与临床病理联系。方法:测量10具完整脊柱标本C2-S1各椎体上下截面的横径(L)、矢径(H),运用几何学相似原理:椎体/椎间盘上下截面面积变化可近似用数学方程表达,S1/S2=(a*b)/(A*B),S=π/4*L*H,分析椎体上下截面的结构规律;根据椎间盘的结构,利用物理学静水液压原理:F1/F2=S1/S2,分析椎间盘压力变化规律;根据数理学原理推测脊柱椎体—椎间盘的结构与力学规律。结果:脊柱椎体截面的结构从C2下截面到L4下截面面积呈“S”形曲线递增,L4下截面面积最大,L4下截面到S1上截面递减;椎体—椎间盘间截面横径矢径决定其椎体截面面积、压力系数K,K=L*H。结论:脊柱椎体—椎间盘自身结构决定了脊柱特有的力学传递与分布规律;建立数理学方程来认识脊柱的结构与力学传递规律能更直观的理解与观察脊柱力学特性与临床脊柱病变规律。(二)脊柱骨折的分型研究随着临床治疗研究的进一步认识,以及影像学技术的发展,尤其是螺旋CT的影像重建技术和MRI技术的出现,给临床脊柱骨折的诊断与认识提供了更为直观的影像学依据。随着临床技术的发展,特别是近半个世纪来脊柱外科治疗技术的普及应用,近30年来脊柱微创外科的发展,临床上对脊柱骨折的治疗和认识有了更深刻的变化。根据脊柱自身结构与骨折规律,以及半个多世纪以来临床脊柱外科骨折治疗进展,根据临床症状、体格检查、影像学依据,结合脊柱骨折类型、影像学诊断和神经损伤程度综合考虑,我们在此引入脊柱骨折神经柱概念,将脊柱骨折分为叁柱叁型,以便适应新的临床技术变化与应用。
张桦[4]2009年在《新型扩张式腰椎椎间融合器的研制和相关研究》文中提出目的研制一种新型微创化具有高度自稳性能的融合器,单独应用不附加椎弓根螺钉固定,并评价其生物力学稳定性。方法通过测量国人腰椎干燥标本和活体MRI获得与植入操作及cage设计有关的解剖数据,据此设计具有坚强的界面稳定性能和自稳性能的扩张式融合器。通过体外生物力学实验和腰椎椎间融合叁维有限元模型分析评价比较扩张式融合器与圆柱状(Interfix)和箱形融合器(Telamon)的生物力学稳定性和自稳性能。同时分析融合器的应力分布情况。构建山羊侧后入路腰椎椎间融合模型以及研究单侧关节突关节切除对椎间融合影响情况。结果研制的扩张式融合器箱形体为主体,上下表面分布长倒齿,在植入椎间隙后,通过内芯将主体前部分向四周撑开扩张,同时将倒齿结构牢固地嵌入到骨性终板中。最大扩张角度为8°,设计的新型融合器型号分为:7、8、9、10mm规格。Expended组在前屈、后伸、侧屈和旋转各种状态下ROM值均小于Interfix组和Telamon组,扩张式融合器最大拔出力分别比Telamon和Interfix高98.1%和32.4%。有限元模型中扩张式融合器位移最小,平均0.085mm(左旋0.05mm～前屈0.11mm),其次是Interfix,Telamon位移最大。动物实验表明切除单侧关节突关节将显着影响椎间融合。结论新型扩张式融合器具有良好的界面稳定性能和自稳性能,在适应证下具有一定的临床应用价值。
庄新明[5]2016年在《骶1双皮质椎弓根钉单点矫正和叁维固定在腰骶固定的生物力学研究》文中指出背景:骶骨固定广泛用于腰椎-骨盆固定融合,是治疗脊柱畸形、腰椎滑脱、骶骨肿瘤、感染等疾病的主要手段之一。老龄化加剧,使需要手术治疗的腰椎退行性脊柱畸形患者不断增多。骶1(S1)椎弓根钉则是腰椎-骨盆固定手术首选的远端固定点。尽管S1椎弓根钉在矫正畸形和稳定重建方面获得了较好的临床效果,但内固定失败、假关节形成等并发症的发生率仍然较高,主要表现在螺钉的断裂、松动或拔出等形式。目前S1椎弓根钉大多采用双皮质固定。双皮质S1椎弓根钉置入方向的准确性和在合适区域的骶前方皮质锚定对其获得有效的生物力学固定强度和降低骶前血管损伤风险至关重要。由于切口深在、腰骶腱膜和多裂肌等软组织的推挤以及髂后上棘骨性结构的遮挡,S1椎弓根钉置入过程中,易于内倾不足从而脱离导向孔穿透至S1孔上方皮质,发生“脱轨”现象,往往通过术中透视发现。此种情形易发生万向椎弓根螺钉和骨质疏松骶骨上。为了获得有效的固定强度和避免骶前重要血管的损伤,往往需要术中即刻退出矫正。潜意识上,调整螺钉方向,增加了螺钉的有效锚定长度和使其固定在更高骨密度区的骶前皮质会挽回螺钉固定强度的丢失。在胸腰椎,其固定“力核”在椎弓根,而骶骨固定在于骶前、后皮质和富含松质骨的“椎弓根”。调整螺钉会破坏钉-骨界面的完整性,而且骶前皮质的固定强度明显受骨质疏松程度的影响,均会影响螺钉的固定强度。因而有必要评价矫正后螺钉的生物力学稳定性如何,为临床决策提供生物力学依据。因此,我们做了不同骨质状态下矫正脱轨S1双皮质椎弓根钉对其生物力学稳定性影响的实验研究。通过此研究结果发现在骨质薄弱状态下对于脱轨的S1双皮质椎弓根钉单点矫正无效。既往研究结果表明增加固定点,如骶骨侧翼钉、骶2(S2)钉或髂骨钉等,可以增强腰椎-骨盆尾端固定强度,但是临床报道仍然存在内固定失败。骶前、后皮质固定对S1双皮质椎弓根钉固定起主要作用,骨质疏松却使皮质变薄易导致固定失效。而退行性腰椎侧弯患者多为老年患者伴有不同程度的骨质疏松。腰骶部应力集中、骶骨骨质薄弱和椎弓根不典型等因素是此处内固定失败的主要原因。因而强化单点,单点到多点的传统固定模式不能有效增强骶骨固定。因此,我们提出固定由点扩散到面,并通过“锁定”增强其不典型椎弓根实现骶骨的“叁维”固定。因此,我们做了进一步生物力学实验,设计了锁定型骶骨椎弓根钉-板系统(骶骨叁维固定器械),并进行了锁定型骶骨椎弓根钉-板系统对腰骶固定结构稳定性影响的生物力学研究。所以本实验的目的是通过对S1椎弓根钉单点矫正和叁维固定在腰椎-骨盆固定的生物力学研究,期望获得腰骶固定结构远端的最佳骶骨固定方式。方法:1.收集18具新鲜冰冻人体腰椎-骶骨标本用于本实验。使用双能X线吸收测定仪(dual-energy X-ray absorptiometry,DEXA)评价腰椎L1-4的骨密度(bone mineral density,BMD)。根据BMD值将标本分为骨质正常组(大于0.8g/cm2)和骨质疏松组(小于0.8g/cm2)。切除完整骶骨后,在同一骶骨标本的S1右侧椎弓根按标准双皮质S1椎弓钉固定技术置入一枚螺钉(对照组);于其对侧椎弓根,按照标准双皮质S1椎弓根钉的置钉方向制备导向孔,然后减少内倾,螺钉尖指向骶前孔的垂直上方旋出骶前皮质(脱轨S1椎弓根钉),然后退出并探查钉道状况,矫正方向沿原导向孔置入并穿透前方皮质获得双皮质固定(矫正组)。加载于MTS材料实验机,对螺钉尾部进行30~250N的疲劳载荷2000次。然后,测定椎弓根螺钉的下沉位移和轴向拔出力并进行统计学分析。2.利用11具福尔马林固定的成人尸体腰椎-骨盆标本,DEXA测定评价腰椎L1-4的BMD值。分别置入L3、4、5、S1、S2和髂骨钉(iliac screw,IS)。每一标本均先行L3-S1固定(对照组)并进行生物力学测试。测试完后,建立叁种长节段腰椎-骨盆固定结构。A组:L3-S2固定;B组:L3-S1-髂骨固定;C组:取下S1、S2钉,选择锁定型骶骨椎弓根钉-板系统(locked sacral pedicle screw-plate system,LSPS)并使用配套的锁定型S1椎弓根钉、S2钉和S1侧翼钉,然后行L3-S1-LSPS固定。A组、B组和C组要顺序性建立并测试。在MTS材料实验机上,给腰椎-骨盆重建结构均分别施加5个循环的0~800N轴向压缩载荷和-7 Nm~7 Nm扭转载荷的测试,记录并计算L3-骨盆固定结构在压缩载荷下的下沉位移以及压缩刚度和扭转刚度,并以对照组进行标准化处理,然后进行统计学分析。结果:1.(1)在骨质正常组,对照组和矫正组的下沉位移分别为0.40 mm和0.33 mm;对照组和矫正组的最大拔出力分别352 N和364 N。矫正组的下沉位移明显高于对照组(P<0.05),然而,在最大拔出力方面,二者无统计学差异(P>0.05)。同一标本两组下沉位移差值(ΔS)比率和最大拔出力差值(ΔP)比率与BMD值无显着相关性(P>0.05),线性回归系数R2分别为0.01和0.06。(2)在骨质疏松组,对照组和矫正组的下沉位移分别为0.74 mm和1.16 mm;对照组和矫正组的最大拔出力分别249 N和161 N。在此种骨质状态下,矫正组的下沉位移显着高于对照组,同时,其最大拔出力亦显着低于对照组,差别具有统计学意义(P<0.05)。同一标本两组下沉位移差值(ΔS)比率和最大拔出力差量(ΔP)比率均与BMD值成明显的负相关性(P<0.05),线性回归系数R2值分别为0.78和0.77。2.(1)轴向压缩载荷下,A组、B组和C组压缩刚度分别为对照组的116.4%、150.9%和141.7%,A组、B组和C组均高于对照组(P<0.05)。其中B组与C组差异无统计学意义(P>0.05),但二者显着高于A组(P<0.05)。对照组、A组、B组和C组的压缩载荷下的下沉位移分别为3.41 mm、2.97 mm、2.31 mm和2.46 mm,其中B组和C组间的下沉位移无明显差异(P>0.05),但明显小于对照组和A组(P<0.05)。(2)在扭转测试中,A组、B组和C组扭转刚度分别为对照组的113.4%、144.6%和120.3%,A组、B组和C组均高于对照组,差异具有统计学意义(P<0.05)。其中,B组的扭转刚度最高,均明显高于A组和C组(P<0.05),而A组和C组间差异无统计学意义(P>0.05)。结论:在骨质正常状态下,矫正脱轨S1双皮质椎弓根钉可以获得同等固定强度,然而,在骨质疏松状态下,试图矫正无法有效阻止螺钉固定强度的丢失,此时,应优先考虑追加强化固定技术或增加固定点。对于长节段腰椎-骨盆固定,增加S2钉或髂骨钉可以增强固定结构的生物力学稳定性,而应用锁定型骶骨椎弓根钉-板系统不但能使之获得与采用髂骨钉的腰椎-骨盆固定结构同等的固定强度,还能抑制S1椎弓根钉下沉的作用,有利于降低切割所致的松动。
刘建航[6]2013年在《腰椎后路多节段内固定技术的有限元研究及临床观察》文中研究指明背景随着现代化社会进程,特别是交通业和建筑业空前发展和人们生活观念的改变,腰椎疾患的发病率逐年上升,病种也日趋复杂,使脊柱外科面临新的挑战,迫切需求对其进行深入研究。腰椎是脊柱中重要的解剖结构,不仅承受较大载荷,而且具有一定范围的生理活动度,在复杂受力的条件下,腰椎极易出现退变导致损伤性疾病。因此,对腰椎解剖、生物力学和损伤机制的研究越来越受到临床医生的关注。腰椎生物力学研究是人体生物力学研究中的重要组成部分。许多研究者指出生物力学因素在探求腰椎疾患的病因机制、治疗和预防等方面起到重要的作用。以往对腰椎的生物力学研究多采用传统实验生物力学测试的手段,但是由于使用这种方法耗资巨大,实验手段复杂,对于多种载荷下工况的模拟则耗费时间长,效率低,同时也存在无法准确反映出模型在各种工况下其内部的生物力学特性。近年来,随着计算机技术和数字化技术的进步,研究者开始把数值计算的方法应用到生物力学的研究中,即以传统的力学分析理论为基础,应用有限元方法(finite element method, FEM)等数值计算的方法,通过进行非线性和线性的应力和变形进行分析,以求解决传统实验生物力学测试所存在的不足。利用FEM仿真模拟出各种脊柱疾患,从而使得对脊柱的骨骼几何结构、边界条件和材料的不均匀性等问题的生物力学研究有了可能。FEM具备强大的建模功能,能够在动静两种状态下对复杂的几何形状、材料参数和不同受力条件下的物体进行模拟仿真研究,并正在越来越多的被应用于人体生物力学中。而人体的腰椎骨关节、韧带等结构复杂,各种组织有各自的属性特点和参数,因而在进行有限元建模时工作量较大,相对于其他大关节研究难度更大。现有文献报道的各种腰椎有限元模型,大部分的结构建立不够完善,无法用于长节段腰椎生物力学相关的研究。在总结以往研究的基础之上,本我们对腰椎有限元模型的构建方法进行了有效的探索,构建出解剖结构比较精细的正常L3-S1的有限元模型,分别在模型中模拟行Dynesys动态中和内固定系统、ISOBAR TTL半坚强动态内固定系统及USS传统坚强内固定系统,比较叁种动态内固定系统与传统坚强内固定系统在生物力学上的差异以及叁种动态内固定系统之间在生物力学上的差异。并对应用两种弹性内固定系统的患者进行随访,观察评价疗效,以期为腰椎后路动态内固定技术的临床应用提供实验基础和理论依据,评价其应用前景。目的1.依据1名正常男性志愿者中立位下螺旋CT扫描的腰椎影像学资料,探讨利用Mimics11.1、Geomagic studio10.0、HyperMesh10.0和Abaqus6.8等软件构建出解剖结构精细的正常腰椎(L3-S1)叁维有限元模型的方法,并对其进行有效性验证,使其能反映正常腰椎(L3-S1)的生物力学特性。施加相同的载荷和扭矩,2.根据所建立的正常腰椎(L3-S1)的叁维有限元模型,根据USS坚强内固定系统、ISOBAR TTL半坚强内固定系统和DYNESYS动态中和内固定系统技术要求,重建叁种术后腰椎模型有限元模型。施加相同的载荷和扭矩,比较各运动工况下椎间活动度、邻段椎间盘应力、叁种内固定系统应力分布及应力峰值。3. IsobarTTL内固定系统以及Dynesys内固定系统治疗的腰椎退行性疾病(腰椎退行性滑脱、腰椎管狭窄、腰椎间盘突出),经临床随访,对其进行疗效与影像学分析。方法1.选择一位26岁正常男性,身高177cm,体重75kg,采用0.625mm薄层CT扫描,利用Mimics11.1、Geomagic studio10.0软件对扫描成像图片进行筛选、预处理、提取边界坐标生成表面叁维图像和叁维实体模型,然后通过HyperMesh10.0软件将此实体模型进行网格化,再导入Abaqus6.8软件构建出正常人下腰椎(L3-S1)叁维有限元模型。设定完边界后,对模型施加150N预载荷及10Nm纯力矩,使模型可以模拟产生前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动状态,计算出各种工况下的椎间活动度,与Yamamoto的尸体标本生物力学实验结果进行比较,以验证模型的有效性。2.在正常人L3-S1叁维有限元模型基础上,模拟L4-L5腰椎后路减压、椎弓根内固定术,重建L3-S1内固定模型。利用逆向工程软件Geomagic studio10.0的建模功能,绘制连接棒、腰椎的实体模型。将腰椎后路钉棒系统各部件模型导入HyperMesh10.0,参照后路不同内固定系统(USS、ISOBAR TTL、 DYNESYS)的手术固定方式,对内固定系统的每一部件进行可视化调整,完成空间位置装配。导入Abaqus6.8软件,并根据叁种内固定系统对椎间融合术的需求进行椎间融合设定,完成叁种腰椎后路内固定系统术后重建的叁维模型。对模型施加150N预载荷及10Nm力矩,使其模拟产生前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转运动状态,分别记录各种模型不同工况下椎间活动度、邻段椎间盘应力、叁种内固定系统应力分布及应力峰值。3.自2007年至2012年来自广东、广西、江苏等多中心的临床数据,对分别使用IsobarTTL内固定系统以及Dynesys内固定系统治疗的腰椎退行性疾病(腰椎退行性滑脱、腰椎管狭窄、腰椎间盘突出)100例,通过日本矫外科协会下腰痛功能评分(JOA评分)来评价临床效果,并对腰椎活动度变化的情况进行影像学测量评价。结果1.建立了正常腰椎L3-S1叁维有限元模型,包括32,341单元和162,044节点。模拟加载的作用下,对模型进行前屈、后伸、左右侧屈和左右旋转作用下的各椎间活动度进行测定,并与其他作者实测法所得的各椎间活动度进行比较,结果表明本模型在不同工况下的各椎间活动度,与Yamamoto实验实测法所得的结果是吻合的。因此,可以认为本模型是有效的,可以进一步用于临床和实验研究。2.在各加载模式下,叁种内固定系统应力均主要分布在螺钉钉身处,应力峰值主要集中在螺钉中部。不同内固定系统应力峰值有差异,但应力峰值均不超过100MPa。叁种内固定系统重建后,IsobarTTL半坚强内固定系统和Dynesys动态中和内固定系统在各工况下的下腰椎整体活动度与正常模型无明显差异,而USS内固定系统的整体活动明显下降,在屈伸工况下最为明显。内固定重建后邻段节段的椎间盘应力均有不同程度的增加,其中USS系统增幅最大,Dynesys系统增幅最小。结论1.本实验构建出了正常L3-Sl的叁维有限元模型,包括L3-Sl腰椎椎体皮质骨和松质骨、腰椎椎间盘中的纤维环和髓核、上下终板、双侧关节突关节、椎板、椎弓根、横突、棘突、主要韧带(前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘韧带和关节囊韧带)。将该叁维有限元模型在前屈后伸、左右侧屈、左右旋转的各种工况下的腰椎椎间活动范围与国外相关文献资料一致,验证了模型的有效性,可进行下一步的生物力学实验研究。2.叁种内固定系统椎弓根钉应力分布主要集中在螺钉中部。而不同内固定系统应力峰值有差异,但均低于钛合金屈服强度,无明显断钉风险。叁种内固定系统重建后,IsobarTTL半坚强内固定系统和Dynesys动态中和内固定系统在各工况下的下腰椎整体活动度与正常模型无明显差异,而USS内固定系统的整体活动明显下降,在屈伸工况下最为明显。内固定重建后邻段节段的椎间盘应力均有不同程度的改变,其中USS系统对邻段椎间盘影响最大,Dynesys对邻段椎间盘影响最小。因此,我们认为2种动态内固定系统IsobarTTL和Dynesys均能有效的维持术后腰椎活动度,同时Dynesys系统能更有效的避免邻段退变的发生。3.结合临床疗效及影像学随访观察,Dynesys动态内固定系统与术前活动度有改善,而Isobar TTL动态内固定系统与术前活动度比较有轻度下降。两种弹性内固定系统在治疗腰椎退行性病变的JOA评分在随访期间较术前均有改善,随访期内疗效满意,是治疗腰椎退行性病变的一种有效的非融合、动态稳定方法。主要创新点1.建立了几何相似度较高的腰椎(L3-S1)有限元模型。相比以往模型,网格划分更加细密,包括32,341单元和162,节点。2.首次运用有限元方法建立了腰椎(L3-S1),并运用了叁种不同内固定系统(USS、ISOBAR TTL、DYNESYS)模拟L4-L5腰椎后路减压、椎弓根内固定术,重建L3-S1内固定模型。利用模型分析重建后不同工况下椎间活动度、邻段椎间盘应力、叁种内固定系统应力分布及应力峰值。研究结果表明：1.不同内固定系统应力峰值有差异,但均低于钛合金屈服强度,无明显断钉风险；2. IsobarTTL半坚强内固定系统和Dynesys动态中和内固定系统在各工况下的下腰椎整体活动度与正常模型无明显差异,而USS内固定系统的整体活动明显下降,在屈伸工况下最为明显；3.内固定重建后邻段节段的椎间盘应力均有不同程度的改变,其中USS系统对邻段椎间盘影响最大,Dynesys对邻段椎间盘影响最小。3.对IsobarTTL半坚强内固定系统和Dynesys动态中和内固定系统进行临床疗效及影像学随访观察,结果显示：两种内固定治疗腰椎退行性病变的短期疗效满意,并能一定程度维持整体活动度及防止邻近节段退变,是一种有效的非融合、动态稳定方法。
吴寅良[7]2007年在《选择性切除骶骨后骨盆力学特性及新型骶骨假体设计的实验研究》文中进行了进一步梳理骶骨肿瘤手术通常需要选择性进行骶骨切除，由于骶骨参与组成的骶髂关节是中轴骨和下肢骨之间的唯一力学连接结构，骶骨切除必然会对局部的生物力学结构产生影响，而且对整个骨盆结构的力学传导产生影响。然而，目前国内外鲜见关于选择性切除骶骨后骨盆力学特性的文献报道。基于此，本实验针对选择性切除骶骨进行系列研究，通过标本模型和有限元模型，系统地测试骨盆的力学特性的变化，判断对其稳定性和承重能力的影响；并针对骶骨全切后的情况设计一种新型的人工骶骨假体，以期在结构上恢复中轴骨和骨盆连接的同时，在生物力学上恢复必要的承重和应力传导作用。此课题分以下叁个部分。第一部分骶骨切除的骨盆生物力学分析目的：研究正常骶骨的力学特性和选择性切除骶骨后对骨盆力学结构产生的生物力学效应，探讨骶骨部分切除后重建的必要性。方法：采用6具成人防腐骨盆标本，于检验器具里固定双侧坐骨结节模拟坐姿，通过WE-5电子万能试验机垂直方向实行分级加载0、200、400、600、800、1000N，分别测量并记录骨盆完整时、经S3、S2、S1神经孔上下缘横行切除骶骨时、切除一侧骶髂关节时骨盆的主要应力传导路径和应力分布、应力应变关系、位移趋势以及刚度变化，测量并记录经S1神经孔上缘切除后残余骶骨结构的极限载荷。结果：随着骶骨切除平面越向头侧，经S3孔上缘、经S2孔下缘、经S2孔上缘切除时骶髂关节骶骨侧应力值增加很少。经S1孔下缘切除时骶髂关节应力明显增加为37.10Mpa，经S1孔上缘时应力值急剧增加达48.20Mpa，对整个骨盆轴向刚度影响50～60％，弯曲刚度和位移也明显增大。切除一侧骶髂关节时，未切除侧骶髂关节处应力增加为59.60Mpa。残余的髂骨坍塌并靠向残存的骶骨，重心内移，骨盆环重构。经S1孔上缘横行切除时其骨盆的破坏载荷为P_(max)=2042.50±46.25N。结论：骶骨的主要应力传导结构位于S1以上。当切除达S1孔平面以上时，随着骶髂关节面积急剧减少，前方骨皮质及其周围骨结构被严重破坏，应力传导方向偏离正常，局部应力产生突变，严重损害了骨盆稳定性，在日常的活动如坐立、行走时有产生骨折的危险。第二部分骶骨切除的叁维有限元模型分析目的：研究正常骨盆和选择性切除骶骨后骨盆力学结构产生的生物力学效应，探讨骶骨切除后重建的必要性。方法：通过一成年男子的骨盆薄层CT扫描数据，建立正常骨盆和不同方式范围切除部分骶骨后的骨盆叁维有限元模型，模拟站立位和坐位时于骶骨底加载正常生理载荷及极限载荷，计算并记录骶骨完整时、经S3、S2、S1孔上下缘平面切除后、累及一侧S1和骶髂关节的骶骨肿瘤刮除术后、切除一侧部分骶髂关节直至S1孔上缘水平以上和切除一侧骶髂关节等10种骨盆模型的主要应力分布、应力传导方向和位移。结果：骶骨应力主要分布在S1以上骶段的前部。随着切除平面的提高，经S3孔上缘、经S2孔下缘、经S2孔上缘切除时骶髂关节骶骨侧应力值增加很少。经S1孔下缘切除时应力值明显增加为2.1倍，经S1孔上缘时应力值急剧增加达4.3倍，而骶髂关节髂骨侧只在经S1孔下、上缘切除时分别增加67.7％和87.5％，对整个骨盆轴向刚度影响50～60％，做更多切除时，骶髂关节骶骨侧应力增加更多，而髂骨侧突变，骤减54.3％。逐步增加载荷，上述部位应力值也明显增加，而且位移增大。切除一侧骶髂关节时，另侧骶髂关节骶骨侧应力增加3.98倍，髂骨侧则增高达4倍，且其最大应力值转移到坐骨切迹部位，远超骶骨侧。残余的髂骨坍塌并靠向残存的骶骨，重心内移。结论：骶骨的主要应力传导结构位于S1以上。当切除达S1孔平面以上时，骶髂关节大部分被切除，骶骨前方骨皮质及其周围骨结构严重破坏，应力传导方向偏离正常，局部应力值急剧增高，位移增大，严重损害了骨盆的稳定性，在正常的活动中有产生骨折的危险。对骶骨切除后进行重建应尽可能恢复这种生理性应力传导结构。对于骶骨切除对骨盆结构的力学影响，标本模型和有限元模型力学分析显示了相同的变化趋势第叁部分新型人工骶骨假体的设计目的：设计一种应用于骶骨全切术后能够稳定骨盆环，承担生理载荷，有效恢复正常应力传导结构的新型人工骶骨假体。方法：采集病人的骨盆CT资料，通过有限元叁维建模分析，确定骶骨主要应力传导结构。运用叁维建模技术设计个体化假体，形状拟合S1前侧主要应力传导的骨结构。组合安装骨盆和假体进行有限元应力分析，判断假体承担载荷、传导应力和维持骨盆稳定的有效性。采集19例正常骨盆CT资料作叁维重建，模拟骶骨切除后安装骶骨假体，测量相关尺寸。结果：由于骶骨切除的范围和残余的髂骨翼的大小不同，假体的规格在术前确定切除范围后决定。假体结构部分可调。有限元分析结果显示，整个骶骨假体内固定系统重建了骨盆环，并形成了稳定的承重结构，可以将腰椎下传的应力通过假体传导至双侧髋关节或坐骨结节。应力传导的叁维空间路径很好地拟合了正常骨盆的应力传导路径，没有出现过度应力集中。结论：设计的新型个体化人工骶骨假体模型既能够很好地承重，又模拟了正常的应力传导路径，并稳定了骨盆环，符合生理需要。但是，能否真正应用于临床还有待进一步研究。综上所述，通过选择性骶骨切除的骨盆生物力学模型和有限元模型的实验研究，发现骶骨主要的应力传导结构位于S1以上，切除骶骨达S1孔以上则产生局部应力突变，严重破坏骨盆的稳定性，在正常的活动中有产生骨折的危险。对骶骨切除后进行重建应尽可能恢复这种生理性应力传导结构，实验设计的新型人工骶骨假体经过有限元模型测试，认为既能够很好地承重，又模拟了正常的应力传导路径，并稳定了骨盆环，符合生理需要。
周灵[8]2018年在《脊柱手法床模拟南少林倒盖金被手法对正常腰椎应力的影响》文中研究说明目的利用叁维有限元分析法(Three-dimensional Finite Element Analysis,3D FEA)观察脊柱手法床模拟南少林倒盖金被手法在不同顶推高度时对正常腰椎L1-L5各节段的生物力学影响,为临床应用脊柱手法床模拟南少林倒盖金被手法提供客观依据。方法1.获取顶推高度参数:利用DR机(东芝,日本)获取腰椎中立位及最大过伸位的腰椎侧位片,测量得出L3约发生了 10cm位移变化。2.模型构建:采用16排螺旋CT机(西门子,德国)获取1名健康自愿者T12-S1节段 CT 图像,利用 Mimics 16.0(Materialise 公司,比利时)、Geomagic Studio 2014(Raindrop 公司,美国)、Hypermesh 13.0(Altair公司,美国)、MSC.Patran 2012(MSC.Software公司,美国)等软件建立正常腰椎叁维有限元模型。3.模型验证:取模型L1椎体上表面施加400N垂直载荷,10 N·m扭矩,模拟前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转等工况,测量不同工况下腰椎活动度,将计算结果与已发表文献结果对比,验证腰椎有限元模型的准确性、有效性。4.生物力学分析:根据脊柱手法床模拟南少林倒盖金被手法操作特点,在已验证的腰椎叁维有限元模型上垂直于L3棘突施加100N载荷,模拟11种顶推高度(Ocm、1cm、2cm、3cm...10cm),采用 MSC.Nastran2012 软件(MSC.Software 公司,美国)计算不同顶推高度下正常腰椎各节段椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带的应力值及分布情况的变化。结果1.本研究所构建的正常腰椎有限元模型共计59172个节点,275652个单元;椎体、椎间关节、纤维环和髓核模型采用四面体单元;韧带采用弹簧单元,全腰椎各结构之间保持网格节点协调对应。模型仿真度高,并通过有效性验证,可反映正常全腰椎结构形态及生物力学特性。2.脊柱手法床模拟南少林倒盖金被手法在0-10cm顶推高度下各结构应力范围如下:(1)椎体:L1椎体为6.79～42.60MPa,L2椎体为14.70～90.10MPa,L3椎体为25.90～117.00MPa,L4 椎体为 16.50～88.60MPa,L5 椎体为 15.70～100.00MPa;应力大小比较为L3>L5>L2>L4>L1(2)椎间关节:L1-L2椎间关节为1.36～11.40MPa,L2-L3椎间关节为3.92～24.30MPa,L3-L4椎间关节 5.17～31.30MPa,L4-L5椎间关节 4.41～29.50MPa;应力大小比较为 L3-L4>L4-L5>L2-L3>L1-L2。(3)椎间盘:L1-L2椎间盘约1.36～7.36MPa,L2-L3椎间盘约1.64～7.82MPa,L3-L4椎间盘约1.52～9.20MPa,L4-L5椎间盘1.25～8.71MPa。应力大小比较为L3-L4>L4-L5>L2-L3>L1-L2。(4)前纵韧带:应力最值基本保持在2.47～21.20MPa之间。3.脊柱手法床模拟南少林倒盖金被手法作用下腰椎各结构应力—顶推高度折线图显示随着顶推高度的升高,各椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带的应力呈近似线性递增趋势。结论1.在脊柱手法床模拟南少林倒盖金被手法过程中,顶推高度是影响正常腰椎椎体、椎间关节、椎间盘、前纵韧带应力的因素。2.应力最大值主要分布在椎弓根、椎板、椎间关节等腰椎后部结构,以腰椎下节段最明显,因而临床应用注意控制顶推高度防止后部结构受损。
喻林[9]2009年在《棘板螺钉固定的腰椎棘突间动态内固定器的计算机辅助设计及生物力学研究》文中研究说明随着腰椎棘突间动态内固定器越来越多地应用在退变性腰椎疾病中,大量的实验研究及临床报告揭示了该项技术的优势,但其中也有许多问题,诸如腰椎棘突间动态内固定器对腰椎后柱结构的影响以及对脊柱稳定性的影响等将有待于进一步解决。本研究目的是通过对中国人下腰椎棘突椎板区域相关应用解剖学参数的测量及棘突间叁维空间的测量,由计算机辅助设计新型棘板螺钉固定式腰椎棘突间动态内固定器,从生物力学方面评价在单纯棘突间固定方式时和应用棘板螺钉固定方式时下腰椎稳定性的变化及邻近节段椎间盘、小关节突应力改变,为临床应用提供依据。应用解剖参数测量和计算机辅助设计棘板螺钉固定的腰椎棘突间动态内固定器通过对20具完整脊柱骨骼标本L3-S1双侧棘突椎板区域厚度的测量及20位和40位健康志愿者的L3-S1CT扫描、叁维CT重建,获得中国人下腰椎棘突椎板区域相关应用解剖学参数及下腰椎棘突间叁维空间结构的样本数据。通过计算机转换,以获得棘突间隙的空间数据和图像,根据棘突间隙立体模型进行计算机辅助内固定器设计。内容是:棘板螺钉最佳进钉部位,最佳进钉角度,棘突间间隔物与棘突间空间结构的解剖匹配和最适契合。生物力学研究取新鲜尸体脊柱标本L3-S1节段12具,通过切除拟固定节段上位椎体双侧下关节突内侧1/2及部分黄韧带的方式建立腰椎不稳模型,分别进行双侧棘板螺钉固定和wallis棘突间固定两种固定方式的固定。应用电阻应变式传感器技术和光栅位移传感器技术对非损伤性加载下的前屈、后伸、轴向压缩、侧弯及扭转状态的腰椎的载荷-应变变化、载荷-位移变化及腰椎的应力强度、刚度,腰椎的扭转力学性能、相邻节段力学变化等进行分析研究。选用经过检查无损伤(肿瘤、外伤、手术)的12具成人新鲜冰冻尸体脊柱标本(L3-S1)进行实验分组:1、完整标本(记作N组);2、L4/5上位椎体双侧下关节突内侧1/2及部分黄韧带切除组(记作A1组);3、L4/5上位椎体双侧下关节突内侧1/2及部分黄韧带切除双侧棘板螺钉固定组(记作A2组);4、L4/5上位椎体双侧下关节突内侧1/2及部分黄韧带切除wallis植入组(记作A3组);5、L5/S1上位椎体双侧下关节突内侧1/2及部分黄韧带切除组(记作A4组);6、L5/S1上位椎体双侧下关节突内侧1/2及部分黄韧带切除双侧棘板螺钉固定组(记作A5组)。各组按随机顺序进行4项非损伤性等级加载,最后进行扭转力学试验。用电阻应变式传感器技术和光栅位移传感器技术进行生物力学测量。分析完整标本、不稳定标本及各固定组之间稳定性的差异,以及邻近节段椎间盘及小关节间隙应力变化的差异。结果显示两种固定方式均可使固定节段除扭转外的稳定性恢复至接近正常状态(P>0.05),而在扭转状态时,两种固定方式均较正常标本差(P<0.05)。棘板螺钉固定方式较wallis棘突间固定对降低邻近节段椎间盘和小关节突应变,改善应力集中的作用更明显(P<0.05)。综合比较,棘板螺钉固定方式更接近于正常状态。结论:在腰椎棘突间非融合技术中,采用棘板螺钉固定可以有效的提高术后脊柱稳定性,在降低固定后邻近节段椎间盘及小关节突间隙应力应变方面具有同样良好的效果。将其应用于棘突间间隔物的固定,设计的新型棘突间非融合内固定器在重建植入节段稳定性和降低对邻近节段影响等生物力学作用方面将比现有棘突间动态内固定器更加优越。
李晓辉[10]2006年在《PDLLA Cage重建山羊颈椎节段稳定性的实验研究》文中指出目的：设计制备适合于山羊颈椎前路减压融合的颈椎间融合器PDLLA Cage，通过有限元分析，体外生物力学和体内维持稳定和成骨作用的观察评价，以探讨其对颈椎间融合的生物学和生物力学作用。 方法：(1) 设计制备PDLLA Cage，并进行力学检测。(2) 有限元分析：建立山羊颈椎C3-4融合术后叁维有限元模型，并对其进行生物力学模拟。选取一只雌性成年山羊，进行影像学检查和临床查体排除脊柱疾患后，行螺旋CT扫描，得到的连续断层数据图片以DICOM格式输出，导入医学叁维重建软件MIMICS，经过图片的筛选，预处理，提取边界的坐标值，生成表面叁维图像，再将此图像通过ABAQUS软件生成叁维实体，同时建立PDLLA Cage和叁面皮质髂骨实体，然后将其组合。进行网格划分，赋予材料力学参数，构建出PDLLA Cage和叁面皮质髂骨两种颈椎C3-4融合术后叁维有限元模型。预载荷20N，再加以1.0 Nm的纯力矩模拟前屈、后伸、左／右侧曲、旋转活动，观察两种融合术后脊柱功能单位(functional spinal unite，FSU)的载荷-位移关系，比较ROM和平均刚度。并与体外生物力学实验结果比较。(3) 体外生物力学研究：比较PDLLA Cage、钛合金Cage和叁面皮质髂骨叁种内植物植入山羊颈椎C3-4后的生物力学行为。27只羊颈椎标本随机分为4组，A组：正
参考文献：
[1]. 不同棘突间撑开高度对融合椎上位椎间稳定性的生物力学作用研究[D]. 付林. 天津医科大学. 2017
[2]. 不同内固定方式对腰椎生物力学作用的实验研究[D]. 谢利军. 浙江大学. 2003
[3]. 记忆合金可扩张椎体支架微创治疗椎体骨折的研制与相关基础实验研究[D]. 刘小勇. 苏州大学. 2017
[4]. 新型扩张式腰椎椎间融合器的研制和相关研究[D]. 张桦. 第二军医大学. 2009
[5]. 骶1双皮质椎弓根钉单点矫正和叁维固定在腰骶固定的生物力学研究[D]. 庄新明. 吉林大学. 2016
[6]. 腰椎后路多节段内固定技术的有限元研究及临床观察[D]. 刘建航. 南方医科大学. 2013
[7]. 选择性切除骶骨后骨盆力学特性及新型骶骨假体设计的实验研究[D]. 吴寅良. 苏州大学. 2007
[8]. 脊柱手法床模拟南少林倒盖金被手法对正常腰椎应力的影响[D]. 周灵. 福建中医药大学. 2018
[9]. 棘板螺钉固定的腰椎棘突间动态内固定器的计算机辅助设计及生物力学研究[D]. 喻林. 第二军医大学. 2009
[10]. PDLLA Cage重建山羊颈椎节段稳定性的实验研究[D]. 李晓辉. 四川大学. 2006
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