皮质骨螺钉对于腰椎固定节段与邻近节段影响的生物力学研究：三维有限元分析

作     者：张来 

作者单位：安徽医科大学 

学位级别：硕士

导师姓名：申才良

授予年度：2021年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 1002[医学-临床医学] 100210[医学-外科学(含：普外、骨外、泌尿外、胸心外、神外、整形、烧伤、野战外)] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 10[医学] 

主      题：皮质骨螺钉 皮质骨轨迹 邻近节段退变 三维有限元分析 腰椎 

摘      要：研究目的应用三维有限元分析的方法（3D-FEM）比较皮质骨钉道螺钉和传统椎弓根钉道螺钉两种固定方式对于腰椎固定节段和邻近非固定节段所产生的影响,并对其生物力学特点进行考察。材料与方法选择一名健康且正常的志愿者作为研究对象,并进行了CT扫描,建立准确、较为详细的L3-S1腰椎三维有限元模型,并根据实际临床技术模拟TT螺钉与CBT螺钉两种置钉方式对L4/5椎体节段进行模拟置钉,并将椎间盘材料改为松质骨和椎间融合器以模拟椎间融合手术。将建立完整的模型与文献中的相关数据和生物力学测试结果进行对比验证,从而证明有限元模型的有效性。然后模拟前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋、右旋六种生理运动过程,比较不同钉道螺钉对于固定节段和邻近节段的小关节突、终板、椎间盘、椎体的应力大小、分布。还需要比较各节段自由度（ROM）,进而分析两种轨道螺钉对于固定节段以及邻近节段所产生的影响。研究结果（1）所建立的L3-S1椎体模型与实际椎体呈高度相似性,将均匀分布的400 N表面载荷施加到椎体的上表面,同时将7.5 N·m的力矩施加到椎体的上表面。模拟六个不同方向上的生理运动状态:前屈,后伸,左侧弯,右侧弯,左旋和右旋,比较两种轨迹螺钉之间的差异。（2）在六种运动方式下,CBT螺钉的钉棒系统在L4/5节段承受最大应力比TT更强,最大接近TT螺钉两倍（3）CBT螺钉模型在L4/5节段的小关节突以及L4下终板、L5上终板的最大应力比TT螺钉更小,而在邻近节段L3/4和L5/S1小关节应力以及L3下终板、L4上终板、L5下终板、S1上终板的应力比TT更大。（4）两种螺钉在邻近节段L3/4椎间盘最大应力以及L3椎体、S1椎体的最大应力几乎无明显差别;CBT螺钉在L4、L5椎体以及邻近节段L5/S1椎间盘上所产生的最大应力比TT螺钉更大。（5）CBT螺钉在L4/5节段的活动度度比TT螺钉更小,在L3/4和L5/S1上的活动度比TT更大。结论对于L3-S1三维有限元模型的生物力学分析中表明,在六种不同的生理运动状态下,CBT螺钉和TT螺钉都能对腰椎起到较明显固定作用,但对邻近节段的椎间盘、椎体、小关节、终板以及活动度都会造成一定的影响。相较于TT螺钉,CBT螺钉承载更大的应力,保护固定节段的小关节、终板等不易发生退变,并且可以更好降低固定节段的活动度,提高稳定性;而在邻近节段中,CBT螺钉对于小关节、终板、椎间盘等造成的影响相比较TT螺钉没有明显的优势,活动度较TT螺钉更高,在部分结构中产生的最大应力与TT螺钉相近,有些甚至比TT螺钉更大。