骨質(zhì)疏松椎體經(jīng)皮骨移植增強(qiáng)的有限元研究.pdf

1、目的： 1.建立骨質(zhì)疏松腰椎三維有限元模型，作為今后有限元分析的基礎(chǔ)。 2.評(píng)價(jià)松質(zhì)骨粒和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)增強(qiáng)后對(duì)治療節(jié)段和相鄰非治療節(jié)段椎體生物力學(xué)影響。 材料與方法： 1.建立正常腰椎功能脊柱單位(functional spinal unit，F(xiàn)SU)有限元模型 1.1標(biāo)本選擇和圖像采集 選取青壯年男性正常人體脊柱標(biāo)本1具，范圍為L(zhǎng)1-L2，先行X線檢查以排除可見的脊椎病變

2、及損害，經(jīng)螺旋CT沿橫斷面以1mm層厚掃描，將掃描信息進(jìn)行存盤。 1.2建立L1-L2三維有限元模型 在L1-L2骨性結(jié)構(gòu)三維模型的基礎(chǔ)上，利用Mimics軟件，補(bǔ)充建立終板、椎間盤、髓核、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、橫突間韌帶、棘間韌帶及棘上韌帶等結(jié)構(gòu)。 1.3模型優(yōu)化 L1-L2骨性結(jié)構(gòu)的三維模型再經(jīng)Geomagic軟件進(jìn)行圖像優(yōu)化，利用有限元軟件平臺(tái)Ansys11.0，建立L1-L2三維有限元模型

3、。功能脊柱單元有限元模型有23440實(shí)體單元。 2.經(jīng)皮椎體增強(qiáng)的有限元分析 2.1建立骨質(zhì)疏松模型 根據(jù)Polikeit對(duì)骨質(zhì)疏松模型的定義，所有骨性結(jié)構(gòu)的彈性模量因骨質(zhì)疏松而減少，松質(zhì)骨的彈性模量減少66％，皮質(zhì)骨、骨性終板的彈性模量減少33％，后部元素的彈性模量也減小33％，椎間盤與韌帶結(jié)構(gòu)的彈性模量與正常狀態(tài)一致。 2.2松質(zhì)骨粒增強(qiáng)的有限元模型 采用已建立的L1-L2骨質(zhì)疏松性椎體的三維

4、有限元模型，以Ansys11.0有限元建模分析軟件為平臺(tái)，模擬PKP過程，經(jīng)單側(cè)椎弓根注射松質(zhì)骨粒。 2.3PMMA增強(qiáng)的有限元模型 采用已建立的L1-L2骨質(zhì)疏松性椎體的三維有限元模型，以Ansys11.0有限元建模分析軟件為平臺(tái)，模擬PKP過程，經(jīng)單側(cè)椎弓根注射PMMA。 3.骨質(zhì)疏松性椎體、松質(zhì)骨粒和PMMA置入三種有限元模型的有限元分析 骨質(zhì)疏松性椎體、松質(zhì)骨粒和PMMA置入三種有限元模型均做軸向

5、壓縮、前屈、后伸測(cè)試。所有壓縮荷載均為400N。前屈和后伸荷載在軸向400N加載基礎(chǔ)上，加上7.5Nm的矢狀方向彎距，前屈加載時(shí)方向向前，后伸加載時(shí)方向向后。加載方式按脊柱三柱載荷分布，脊柱前中柱承載約85％力和力矩，椎骨后部元素承載約15％力和力矩。分析三種載荷條件下治療節(jié)段和相鄰非治療節(jié)段椎體的Von Mises Stress/Strain大小和分布。 結(jié)果： 1.增強(qiáng)前后相鄰非治療節(jié)段椎體、椎間盤及后部元素的應(yīng)力和

6、應(yīng)變情況 分別比較骨質(zhì)疏松性椎體、松質(zhì)骨粒和PMMA增強(qiáng)后三種有限元模型軸向壓縮、前屈、后伸3種加載狀態(tài)下相鄰非治療節(jié)段椎體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、終板、椎間盤及關(guān)節(jié)突軟骨的應(yīng)力和應(yīng)變，結(jié)果顯示增強(qiáng)前后的應(yīng)力和應(yīng)變的大小及分布變化極小。 2.增強(qiáng)前后治療節(jié)段椎體的應(yīng)力和應(yīng)變情況 (1)增強(qiáng)后治療節(jié)段椎體皮質(zhì)骨的Von Mises Stress/Strain大小和分布較術(shù)前變化甚微。 (2)在壓縮、前屈、后伸3種加

7、載狀態(tài)下，強(qiáng)化材料對(duì)治療節(jié)段的增強(qiáng)區(qū)的應(yīng)力增加非常明顯，同時(shí)強(qiáng)化材料的存在使強(qiáng)化區(qū)的最大應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)大。相反，增強(qiáng)區(qū)的Von Mises Strain顯著減少。 (3)在單純軸向壓縮、前屈加載狀態(tài)下，松質(zhì)骨粒強(qiáng)化致增強(qiáng)區(qū)周圍松質(zhì)骨的最大Von Mises Stress分別下降11％、6％，上終板分別下降5％、4％； PMMA強(qiáng)化致增強(qiáng)區(qū)周圍松質(zhì)骨的最大Von Mises Stress分別增加3％、6％，終板分別下降8％、8％。