胸腰椎骨折去除內(nèi)固定后“蛋殼樣椎體”與椎體矯正度丟失關(guān)系的有限元分析.pdf

1、目的:通過有限元方法分析胸腰椎骨折采用后路手術(shù)治療，去除內(nèi)固定后“蛋殼樣椎體”與椎體矯正度丟失的關(guān)系。
　　方法:選取正常成年男性志愿者一例，志愿者年齡29歲，通過X線檢查脊柱無病變。采用64排螺旋CT機(jī)在管電壓:120KV，管電流:200mA條件下，對該志愿者的L1-L3椎體進(jìn)行掃描。設(shè)定掃描條件為:掃描層厚為1mm，層間距為1mm。將掃描所得數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)入交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)Mimics14.0，分別對椎體皮質(zhì)骨及

2、松質(zhì)骨部分進(jìn)行三維重建，獲得L1-L3椎體模型（該模型皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨為獨立的兩部分，但不包含椎間盤及韌帶組織）。通過美國參數(shù)技術(shù)公司(Parametric TechnologyCorporation，PTC公司)的參數(shù)化建模軟件Creo Parametric2.0的草繪功能，繪制出(φ)6.5mm×50mm的椎弓根螺釘，并在Mimics14.0軟件的3-matic模塊中按照腰椎椎弓根螺釘?shù)闹萌朐瓌t，分別將L1、L3椎體模型與椎弓根螺釘模

3、型進(jìn)行組裝，獲得L1、L3兩節(jié)椎體置有椎弓根螺釘?shù)淖刁w模型，并在此模塊中分別對椎體模型與椎弓根螺釘模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，運(yùn)行布爾減運(yùn)算，獲得L1、L3去除椎弓根螺釘后的椎體模型。將此模型以STL格式導(dǎo)入到自動化逆向工程軟件Geomagic Studio12.0，通過該軟件的裁剪、封閉、偏移、膨脹等功能，按照正常椎體的解剖結(jié)構(gòu)分別在L1-L2、L2-L3椎體間添加椎間盤及髓核，并添加前縱韌帶、后縱韌帶及黃韌帶，所有新建模型均在Mimics14

4、.0軟件的3-matic模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。同法，建立L2椎體為“蛋殼樣椎體”的一組L1-L3椎體模型，由于空腔的形狀多不規(guī)則，本研究將空腔定義為球體。該組模型中設(shè)定變量為椎體內(nèi)空腔的大小及位置，分別為:①空腔位于椎體中心，空腔直徑分別為椎體高度的1/5，2/5，3/5，4/5,5/5（不突破椎體上、下皮質(zhì)終板）;②空腔直徑為椎體高度的3/5，空腔球心分別位于椎體中心、椎體垂直徑的上1/3、體垂直徑的下1/3、椎體矢狀徑的前1/3及椎體

5、矢狀徑的后1/3處。成功建模后，將所建模型中椎體、椎間盤及髓核部分以cdb格式導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench，前縱韌帶、后縱韌帶及黃韌帶以STL格式導(dǎo)入。導(dǎo)入后，定義前縱韌帶厚度為0.8mm，后縱韌帶厚度為0.6mm，黃韌帶厚度為1.2mm。并在ANASYS Workbench中重新對椎體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。椎體模型、椎間盤模型及髓核模型采用六面體網(wǎng)格劃分，前縱韌帶、后縱韌帶及黃韌帶模型采用五面體與六面體交互式網(wǎng)格進(jìn)行劃分

6、。正常椎體模型共獲得節(jié)點431557個，單元248752個。設(shè)定兩節(jié)椎體之間關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的接觸為不分離接觸(No separation)，其他部位的接觸方式均定義為綁定接觸(Bonded)，參照表1(Tab.1)賦予各材料屬性。假定L3底面及后部固定，在L1上表面施以260N的軸向壓力及10N·m的力矩，模擬椎體的前屈、后伸、左右側(cè)彎運(yùn)動，觀察正常椎體與蛋殼樣椎體在上述運(yùn)動情況下的應(yīng)力分布特點以及椎體內(nèi)空腔大小及位置變化對椎體應(yīng)力分布的影

7、響。
　　結(jié)果:從椎體的Von Mises應(yīng)力分布圖可以看出:①正常腰椎椎體的應(yīng)力主要集中在椎體終板的后部及近椎弓根處，并向后外側(cè)呈放射狀分布;②椎體皮質(zhì)骨所受應(yīng)力明顯高于松質(zhì)骨，且在椎體邊緣部位皮質(zhì)骨內(nèi)表面的應(yīng)力高于外表面的應(yīng)力;③當(dāng)椎體向一側(cè)做屈曲運(yùn)動時，屈側(cè)及伸側(cè)均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且皮質(zhì)與松質(zhì)交界處應(yīng)力增高明顯;④有空腔的椎體在上述四種運(yùn)動下，椎體內(nèi)的松質(zhì)骨所受應(yīng)力將會增大，并在屈側(cè)及伸側(cè)的皮質(zhì)松質(zhì)交界處的應(yīng)力集中現(xiàn)象將

8、更加明顯，同種運(yùn)動狀態(tài)下，椎體內(nèi)空腔越大，椎體內(nèi)的松質(zhì)骨所受應(yīng)力越大，空腔椎體并不會對其鄰近椎體的應(yīng)力造成影響;⑤椎體內(nèi)空腔使該椎體皮質(zhì)骨所受應(yīng)力變小，隨著空腔的增大，椎體皮質(zhì)骨所受應(yīng)力也將增大，但始終小于無空腔椎體的皮質(zhì)骨所受應(yīng);⑥椎體內(nèi)空腔大小及位置相同時，不同的運(yùn)動方向除了會使對應(yīng)的屈側(cè)及伸側(cè)的皮質(zhì)松質(zhì)交界處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象外，無其他明顯影響;⑦椎體內(nèi)空腔大小相同時，當(dāng)空腔接近椎體上下終板時，鄰近終板的松質(zhì)骨的應(yīng)力集中現(xiàn)象將