前路植骨固定+后路单侧椎弓根钉固定治疗胸腰椎骨折的三维有限元分析

【摘要】： 目的 应用三维有限元分析法对前路植骨固定+后路单侧椎弓根钉固定治疗胸腰椎骨折的生物力学性能进行分析,为临床上治疗胸腰椎骨折及骨折节段内固定方式的改进提供理论基础。 方法 选取一名无慢性腰痛及腰椎外伤手术史的青年志愿者(男,20岁),先行x线检查,初步排除脊柱疾患,用CT机(Philips Brilliance 64 CT)对腰椎行层厚为0.45mm的连续扫描,利用3D-CT图像和Simpleware建模软件以及Auto CAD作图软件建立以下五种T12-L2节段胸腰椎三维有限元模型：正常节段、单纯L1椎体骨折节段、后路植骨固定的单纯L1椎体骨折节段、前路固定的单纯L1椎体骨折节段及前路植骨固定+后路单侧椎弓根钉固定的单纯L1椎体骨折节段,将五种模型分别导入ANSYS12.0有限元分析软件进行前处理后,在轴向500N载荷和10N·M力矩下,模拟人体腰椎正常生理轴向载荷、前屈、后伸、左右侧弯和左右扭转,比较五种模型在不同生理活动下的位移、旋转角度和应力变化,并进行分析。 结果 胸腰椎骨折模型在垂直压载、前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左扭转、右扭转工况下位移和旋转角度都是最大的,特别是在前屈和后伸工况下,经三种的内固定系统固定后,模型的位移和旋转角度都明显减小,而前路植骨固定+后路单侧椎弓根钉固定模型在各种工况下的位移和旋转角度均小于单纯前路固定模型和单纯后路固定模型。其中在位移方面,后路固定模型在垂直压载工况下分别较胸腰椎骨折模型减小72.64%,前路固定模型在垂直压载工况下分别较胸腰椎骨折模型减小75.28%,前路植骨固定+后路单侧椎弓根钉固定模型在垂直压载工况下较胸腰椎骨折模型减少91.62%。而前路植骨固定+后路单侧椎弓根钉固定模型在垂直压载工况下较后路固定模型、前路固定模型的位移分别减少69.36%、66.06%。在旋转角度方面,后路固定模型在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左扭转、右扭转工况下分别较胸腰椎骨折模型减小75.05%、75.51%、15.13%、14.99%、50.99%、50.98%,前路固定模型在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左扭转、右扭转工况下分别较胸腰椎骨折模型减小70.05%、69.60%、61.31%、82.85%、22.18%、22.16%,前路植骨固定+后路单侧椎弓根钉固定模型在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左扭转、右扭转工况下分别较胸腰椎骨折模型减小88.49%、88.75%、83.03%、82.98%、53.06%、52.79%。而前路植骨固定+后路单侧椎弓根钉固定模型在、前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左扭转、右扭转工况下分别较后路固定模型减小53.85%、54.05%、80.01%、79.97%、4.23%、3.70%；较前路固定模型减小61.57%、62.99%、56.15%、0.75%、39.68%、39.35%。后路固定、前路固定、前路植骨固定+后路单侧椎弓根钉固定模型在各种工况下的最大应力均出现在旋转工况下,分别为195.OOMPa、321.00MPa、226.00MPa,前路器械的应力集中发生在前路板与连接杆的交合处,椎弓根钉器械的应力集中发生在横连和连接杆的交合处。前路植骨固定+后路单侧椎弓根钉固定模型中的内固定应力峰值较单纯前路固定明显改善,较后路固定系统的应力峰值虽偏高,但不同工况下的应力集中点分布更为平均。 结论 1、前路植骨固定+后路单侧椎弓根钉固定能有效提高胸腰椎骨折椎体的刚度和稳定性,且在恢复胸腰椎的刚度和稳定性以及应力分布方面优于单纯后路椎弓根钉固定及前路植骨固定。 2、前路植骨固定+后路单侧椎弓根钉固定的最大应力出现在旋转工况下,主要发生在前路板与连接杆的交合处,提示为避免造成内固定失效,术后早期应避免腰椎旋转动作。