关键词:
腰椎
脊椎滑脱
内固定器
计算机辅助设计
有限元分析
生物力学
摘要:
目的设计改良椎板钩系统,并与传统椎板钩系统固定腰椎峡部裂的生物力学特性进行比较。方法收集2021年1月至2022年8月中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院门诊体检的20名男性健康青年军人腰骶椎薄层CT数据。受试者年龄20~30岁[(25.0±3.0)岁]。通过三维建模软件,建立L_(5)椎体三维模型,测量L_(5)双侧椎板中间区域厚度、纵向最长径、下缘弧度半径、上下面尾端之间的夹角、下缘厚度及下缘最长径,进而设计新型改良椎板钩。再选择1名上述受试者,利用三维虚拟软件建立L_(4)~S节段线性有限元模型(正常模型,A模型),并在此基础上构建L_(5)双侧峡部裂模型(B模型)、改良与传统椎板钩固定模型(C、D模型)。通过约束骶骨两边,于L_(4)椎体上施加400 N纵向载荷模拟身体上1/3重力及沿X、Y、Z 3个方向上10 N·m的弯矩模拟前屈、后伸、侧弯及旋转等状态,评估A模型L_(4/5)节段和L_(5)/S_(1)节段活动度,并与既往研究进行对比,验证A模型的有效性;比较A、B、C、D模型的整体活动度、L_(4/5)和L_(5)/S_(1)节段活动度、整体最大位移、峡部的最大位移与最大应力,C、D模型中内固定的应力分布和最大应力,以及C、D模型中椎体的应力分布和最大应力。结果(1)A模型L_(4/5)节段在前屈、后伸、侧弯、旋转时的活动度分别为5.01°、4.03°、3.91°、1.42°,L_(5)/S_(1)节段活动度分别为4.62°、2.51°、2.40°、1.23°。(2)A、C、D模型的整体活动度、L_(4/5)和L_(5)/S_(1)节段活动度、整体最大位移在轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯及左旋转时结果相似,而B模型则明显增大。(3)A、C、D模型在不同运动状态下峡部的最大位移差异不明显,而B模型峡部的最大位移均明显高于A、C、D模型,尤其在旋转时更明显,较A、C、D模型分别增大295%、277%、276%。C模型峡部的最大应力分别为0.938 MPa、1.698 MPa、0.410 MPa、2.775 MPa、1.554 MPa,D模型峡部最大应力分别为0.590 MPa、1.297 MPa、0.520 MPa、3.088 MPa、2.072 MPa,C、D模型在轴向压缩、前屈时峡部最大应力相似,但C模型在后伸、侧弯、旋转时峡部应力均小于D模型,C模型较D模型分别减小21.1%、10.2%、25.0%。(4)C模型在前屈、后伸、左侧弯、左旋转时内固定最大应力分别为135.220 MPa、130.180 MPa、200.940 MPa、306.340 MPa,D模型分别为131.840 MPa、112.280 MPa、349.980 MPa、370.140 MPa,2种模型在前屈、后伸时内固定的最大应力变化相当,但在左侧弯及左侧旋转时C模型较D模型减小42.6%、17.2%。(5)C模型在前屈、后伸、左侧弯、左旋转时椎体的最大应力分别为79.787 MPa、36.857 MPa、37.943 MPa、96.965 MPa,D模型椎体的最大应力分别为80.104 MPa、64.236 MPa、196.010 MPa、193.020 MPa,且2种模型最大应力均分布在与内固定接触区域,尤其在后伸、左侧弯、左旋转时C模型较D模型分别减少42.6%、80.6%、49.8%。结论改良椎板钩更符合国人椎板解剖结构。与传统椎板钩系统相比,改良椎板钩系统能有效降低腰椎峡部裂在各方向的位移及活动度,使内固定及椎体的应力明显减小,具有更好的生物力学性能。