胸腰段椎體骨折后路內固定術后傷椎骨缺損的生物力學有限元分析.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、目的:
  對胸腰椎骨折術后出現(xiàn)傷椎終板塌陷的病人,建立有限元模型對該類患者是否適合取出內固定進行生物力學分析。
  方法:
  (1)實驗對象:招募男性志愿者一名,通過病史詢問及X線等影像學檢查,脊柱無畸形、無外傷、無腫瘤等其他脊柱病變。
  (2)資料采集設備:志愿者取自然狀態(tài)平臥位,自T11-L3椎體行水平薄層掃描,獲得144張相應節(jié)段水平截圖。掃描的數(shù)據(jù)資料以DICOM格式導出,并刻錄光盤儲存,以便于Mi

2、mics15.0醫(yī)學圖像處理軟件處理圖像數(shù)據(jù)。
  (3)建立T11-L3的胸腰椎三維有限元模型:將數(shù)據(jù)導入到Mimics15.0醫(yī)學圖像處理軟件中,利用Draw Profile Line及Thresholding功能,將圖像閾值調節(jié)為462-2676HU,使腰椎各部分的界限更清楚。利用區(qū)域增長可將上述蒙版上彼此不相連的分割區(qū)域形成一個新的蒙版。利用Region Growing功能可粗略提取感興趣的腰椎各個節(jié)段。利用軟件的三維空間

3、建模功能,將經過斷層圖像處理后的數(shù)據(jù)進行三維模型建模,建立各個椎體的,獨立的三維表面骨骼模型。為了使模型更加真實平滑,對各個模型分別設定適當?shù)膮?shù),從而更加清楚直觀的地再現(xiàn)胸腰段椎體骨結構的三維立體形態(tài)。由此建立的三維圖像,可以在軟件中進行垂直壓縮、左右平移及旋轉,可以對脊柱功能進行全方位的演示。還可根據(jù)研究的實際情況,對不需要的功能進行隱藏、刪除,增加、合并需要的功能以獲得不同的外觀和效果。SolidWorks軟件包含網(wǎng)格處理向導及曲

4、面生成向導功能,利用這兩個功能可以將各椎體的點云文件生成實體零件,處理過程包括對模型進行除噪點、平滑、曲面擬合等,同時使用草圖功能繪制釘棒系統(tǒng)的輪廓圖,并使用拉伸、旋轉等功能獲得釘棒系統(tǒng)的實體模型,然后使用工程圖精確定位裝配模型。將SolidWorks軟件中建立的裝配體導入HyperMesh軟件,利用HyperMesh軟件強大的網(wǎng)格制作及剖分功能,將裝配體網(wǎng)格化,同時構建皮質骨,設定厚度1mm,四面體網(wǎng)格劃分尺寸分別為:腰3-腰5為2m

5、m,骶1為3mm,釘棒系統(tǒng)為1mm。按照解剖部位和形態(tài),補充胸腰段各附屬解剖結構,如終板、纖維環(huán)、髓核、關節(jié)突軟骨,用Truss單元模擬椎體間存在的7種不同的韌帶結構,包括前縱韌帶、后縱韌帶、橫突間韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、黃韌帶、關節(jié)囊韌帶等結構,以及上下關節(jié)突,軟骨等結構,獲得胸11-腰3的三維有限元模型,該模型具有147064單元和39157個節(jié)點組成。
  (4)驗證模型的有效性及精確度:本模型中各項材料賦值是根據(jù)國內外醫(yī)

6、學者公認的文獻賦值,并且運算加載的數(shù)據(jù)參數(shù)也是根據(jù)最新的研究成果來設定的。本實驗采用網(wǎng)格劃分功能較強的Hypermesh軟件來劃分網(wǎng)格,提高了網(wǎng)格的質量,并采用了自適應能力強的C3D4四面體單元,能夠在可接受的時間內運算出精確的結果。
  (5)建立傷椎缺損椎體模型:建立5種傷椎上終板的骨缺損模型,缺損體積設定為占傷椎前柱體積的1/5、2/5、3/5、4/5、5/5。分別對裝配內固定及取出內固定的5種模型施加各類載荷,對其受力情況

7、進行生物力學分析,統(tǒng)計數(shù)據(jù)做圖表及趨勢圖分析。
  結果:
  從正常椎體受力云圖中我們可以發(fā)現(xiàn),垂直狀態(tài)下椎體前2/3及椎體終板的后部及近椎弓根處是正常椎體的應力集中區(qū),并向后外側呈放射狀分布;很明顯皮質骨尤其是椎體前緣所受應力高于松質骨;當椎體前后及側向屈伸運動時,屈側及伸側以及椎弓根附近均出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。在打入釘棒系統(tǒng)的模型中,5種上終板塌陷(缺損體積分別為椎體前柱的1/5、2/5、3/5、4/5、5/5)模型,在垂

8、直、前后屈、側屈、左右旋轉下的應力分布圖可以看出,植入內固定后,隨著傷椎缺損體積不斷增大,應力也相應增大,且隨著傷椎上終板塌陷及前柱骨缺損體積逐漸增大,應力逐漸向內固定集中。而取出內固定后,5種上終板塌陷模型的受力圖顯示隨著內固定的取出,失去了內固定的支持后,隨著缺損體積的增加,應力逐漸變大。從點線圖中可以看出,取出內固定后在應力逐漸增加的趨勢下,隨著缺損體積的增加,當缺損體積達到傷椎前柱4/5并繼續(xù)增加時,E組(4/5缺損組→5/5缺

9、損組應力差)傷椎所承受的7種工況的綜合應力增加幅度最大。意味著此時傷椎對載荷承載能力顯著下降,增加的集中應力將導致傷椎前柱再次骨折。此時取出內固定,塌陷的傷椎不足以維持穩(wěn)定性,增加的生物力學應力有導致其出現(xiàn)繼續(xù)壓縮甚至再次骨折的風險。
  結論:
  通過有限元法模擬傷椎上終板塌陷,計算分析隨缺損體積變化的傷椎應力改變,當缺損體積達到傷椎前柱4/5并繼續(xù)增加時,傷椎所承受的7種工況的綜合應力增加幅度最大。意味著此時傷椎對載荷

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