三维有限元分析脊柱中胸段(T6-8)结核经肋椎单元植入物固定的应力变化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.17.025

中国组织工程研究 ›› 2015, Vol. 19 ›› Issue (17): 2762-2767.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.17.025

• 数字化骨科 digital orthopedics • 上一篇下一篇

三维有限元分析脊柱中胸段(T₆_-8)结核经肋椎单元植入物固定的应力变化

赵岩¹，江建明²，李筱贺³，霍洪军¹，左媛¹，肖宇龙¹，杨学军¹

¹内蒙古医科大学第二附属医院脊柱外科，内蒙古自治区呼和浩特市 010030；²南方医科大学南方医院脊柱骨病外科，广东省广州市　510515；³内蒙古医科大学基础医学院解剖教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010059

出版日期:2015-04-23 发布日期:2015-04-23
通讯作者: 江建明，教授，主任医师，博士生导师，南方医科大学南方医院脊柱骨病外科，广东省广州市 510515
作者简介:赵岩，男，1977年生，内蒙古自治区赤峰市人，汉族，2012年南方医科大学毕业，博士，副主任医师,主要从事脊柱外科研究。

Three-dimensional finite element analysis on stress changes after rib-vertebral unit fixation for tuberculosis of thoracic spine (T₆_-8)

Zhao Yan¹, Jiang Jian-ming², Li Xiao-he³, Huo Hong-jun¹, Zuo Yuan¹, Xiao Yu-long¹, Yang Xue-jun¹

¹Department of Spine Surgery, the Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China; ²Department of Orthopedic and Spinal Surgery, Nanfang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou 510515, Guangdong Province, China; ³Department of Anatomy, Basic Medical College, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Online:2015-04-23 Published:2015-04-23
Contact: Jiang Jian-ming, Professor, Chief physician, Doctoral supervisor, Department of Orthopedic and Spinal Surgery, Nanfang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou 510515, Guangdong Province, China
About author:Zhao Yan, M.D., Associate chief physician, Department of Spine Surgery, the Second Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010030, Inner Mongolia Autonomous Region, China

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前关于T₆-T₇-T₈经肋椎单元固定缺乏相关生物力学模型，另外关于临床断钉断棒、骨融合质量差和邻近节段退变的原因及合理解释，也无基础研究参数支持。

目的：建立T₆_-₈结核病灶清除植骨、后路经肋椎单元固定系统三维有限元模型，分析其所受应力并对其进行改进。

方法：获取1例男性(身高172 cm，体质量71 kg，年龄39岁)T₇椎体结核病患进行螺旋CT扫描，将所得数据导入计算机，通过Mimics 13.0软件和Ansys 11.0有限元软件建立T₆_-₈后路病灶清除植骨、经肋椎单元固定系统三维有限元模型，并在椎体上表面施加500 N压力和10 N•m的力矩模拟脊柱前屈、后伸、侧屈3种生理载荷，观察不同载荷下固定器械的应力分布，并对其进行比较。

结果与结论：在前屈和后伸运动状态下，螺钉尾部是应力最为集中的部位，上位螺钉大于中、下位螺钉；对于连接棒，中部总是小于下端，且中部应力为零；侧弯位，上、中位螺钉尾部应力相当，连接棒单侧应力相当。同一部位在3种运动状态下比较，连接棒中段在侧弯运动下应力增大，下位螺钉末端在3种运动状态下应力相当。提示T₆_-₈运动节段后路椎间植骨、经肋椎单元内固定的结核患者在做前屈、后伸、侧弯这3种运动时，上位螺钉尾部较中、下位螺钉更容易发生疲劳性断裂；在做前屈、后伸运动时连接棒下端和在做侧弯运动时连接棒中段更容易发生疲劳性断裂。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

全文链接：

关键词: 植入物, 数字化骨科, 中段胸椎, 肋椎单元固定, 有限元分析, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: At present, there is lack of relevant biomechanical model for the T₆-T₇-T₈ rib-vertebral fix unit. In addition, there is no support of parameters of basic studies on reasons and reasonable explanation of screw breakage, poor quality of bone fusion and adjacent segment degeneration.

OBJECTIVE: To develop a three-dimensional finite element model of bone graft with vertebral tuberculosis debridement and posterior rib-vertebral unit fixed system through tuberculosis of thoracic spine (T_6-8), and to analyze the stress so as to improve it.

METHODS: Spiral CT data of one male patient (172 cm, 71 kg, 39-year-old) with T₇ vertebral tuberculosis were imported into computer to develop a three-dimensional finite element model of bone graft with vertebral debridement and posterior vertebral unit fixed system through tuberculosis of T₆_-₈ by Mimics 13.0 and Ansys 11.0 finite element software. 500 N pressure and 10 N•m torque were loaded to the vertebral body by 3 kinds of physiological loads which simulated flexion, extension and lateral bending. The stress distribution of fixation devices under different loads was compared.

RESULTS AND CONCLUSION: At the positions of anteflexion and extension, the stress mainly concentrated to screw tail, and the stress of upper screw was greater than the middle and lower screws. For connecting rods, the stress of the middle was always less than the lower middle and the middle stress was zero. At lateral bending position, the stresses of upper and middle screw tail were quite, and the unilateral stress of connecting rod was also equivalent. For three different dynamics at the same point, the stress of middle connecting rod increased in the lateral bending motion, and the stress of lower screw tail was equivalent. These data suggested that it is prone to fatigue fracture at upper screw tail by bone graft with vertebral tuberculosis debridement and posterior rib-vertebral unit fixed system through tuberculosis of thoracic spine (T₆_-₈) at the three positions of anteflexion, extension and lateral bending. The lower connecting rod at the positions of anteflexion and extension and the middle connecting rod at the position of lateral bending easily cause fatigue fracture.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

全文链接：

Key words: Thoracic Vertebrae, Tuberculosis, Internal Fixators, Bone Nails, Finite Element Analysis, Biomechanics

中图分类号:

R318

赵岩，江建明，李筱贺，霍洪军，左媛，肖宇龙，杨学军. 三维有限元分析脊柱中胸段(T₆_-8)结核经肋椎单元植入物固定的应力变化[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(17): 2762-2767.

Zhao Yan, Jiang Jian-ming, Li Xiao-he, Huo Hong-jun, Zuo Yuan, Xiao Yu-long, Yang Xue-jun. Three-dimensional finite element analysis on stress changes after rib-vertebral unit fixation for tuberculosis of thoracic spine (T₆_-8)[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(17): 2762-2767.

图/表（结果） 4

2.1 T₆-T₇-T₈运动节段椎间植骨经肋椎单元后路固定三维立体有限元模型本研究用Mimics 13.0和Ansys 11.0软件成功建立了T_6-8运动节段椎间人工植骨及经肋椎单元后路固定的三维立体有限元模型。模型由26 321个单元、27 634个节点组成，模型与实体病例相比具有较好的几何相似性。

2.2 T₆-T₇-T₈运动节段椎间植骨经肋椎单元后路固定限元模型的验证本研究的模型是根据Kalani等^[8]已经通过验证的模型的建模方法而建立的，为了验证本模型的有效性，模拟对模型进行垂直压缩、扭转、屈曲作用中的平均刚度测定，与前人研究结果进行比较，结果表明，本模型试验结果与相关文献报道基本吻合，达到了建模精度与研究需要，所建的三维有限元模型是有效可靠的，可以应用于临床试验研究。

2.3 各种运动载荷下所建模型的应力分布在3种运动状态下，T_6-8运动节段前路椎间植骨、后方经肋椎单元脊柱内固定器的应力见图3和表2。

在相同运动状态下(表3)：在前屈和后伸运动状态下，对于螺钉，其尾部是应力最为集中的部位，上位螺钉大于中、下位螺钉(以上两个运动上位与中、下位螺钉间尾部应力比较均为P < 0.05)，对于连接棒，中部总是小于下端，且中部应力为零；侧屈位，上、中位螺钉尾部应力相当，连接棒单侧应力相当。

在不同运动状态下(表4)：连接棒中段在侧弯运动下应力增大，下位螺钉末端在3种运动状态下应力相当。

应变云图(图4)：从应变云图上可知，T₆-T₇-T₈固定3种运动状态下，连接棒应变均较螺钉小。

参考文献

[1]韦兴,何建军,侯树勋,等.胸椎椎弓根-肋骨复合体的解剖及影像学研究[J].中华外科杂志,2010,48(17):1313-1316.
[2]谢陶敢,陈其昕,李方才,等.胸椎椎弓根-肋骨单元与椎弓根的CT测量[J].中国脊柱脊髓杂志,2008,18(9):665-668.
[3]徐荣明,刘观焱,赵红勇,等.胸椎关节突关节解剖学测量与经关节螺钉固定的关系[J].中国骨与关节损伤杂志,2010,48(6):1115-1116.
[4]Lee GY, Massicotte EM, Ramperaaud YR, et al. Clinical accuracy of cervicothoracic pedicle screw placement:a comparison of the“open”lamino-foraminotomy and computer-assisted techniques.J Spinal Disord Tech. 2007; 20(1):25-32．
[5]Xu WX, Xu RM, Jiang WY,et al. Clinical study on surgical treatment for thoracolumbar burst fractures.Zhongguo Gu Shang. 2011;24(7):547-552.
[6]Lefranc M, Peltier J, Fichten A, et al.Dual, minimally invasive fixation in acute, double, thoracic spine fracture.Minim Invasive Neurosurg. 2011;54(5-6):253-256.
[7]Molina C, Sciubba DM, Chaput C,et al. A computed tomography-based feasibility study of translaminar screw placement in the pediatric thoracic spine. J Neurosurg Pediatr. 2012;9(1):27-34.
[8]Kalani MY, Martirosyan NL, Little AS, et al.Tumoral calcinosis presenting as a deformity of the thoracic spine. J Neurosurg Pediatr. 2011;8(6):584-587.
[9]Sun BF, Dong Y, Lü JY, et al.Expansive pedicle screws fixation combined with Wright artificial bone implantation for treatment of thoracolumbar burst fracture of the elderly patients.Zhongguo Gu Shang. 2011;24(7):544-546.
[10]Dvorak M, MacDonald S, Gurr KR, et al.An anatomical，radiographic，and biomechanical assessment of extrapedicular screw fixation in the thoracic spine. Spine(Phila Pa 1976). 1993;18(12):1689-1694.
[11]Hussain M, Natarajan RN, Chaudhary G,et al.Simulation of inhomogeneous rather than homogeneous poroelastic tissue material properties within disc annulus and nucleus better predicts cervical spine response: a C3-T1 finite element model analysis under compression and moment loadings. Spine (Phila Pa 1976). 2011;36(4):245-255.
[12]郝志强,刘志斌.脊柱结核外科诊疗进展[J].中华临床医师杂志(电子版),2013,7(15):7135-7137.
[13]Fei Q, Li QJ, Yang Y, et al.Three-dimensional finite element model of thoracolumbar spine with osteoporotic vertebral compression fracture. Zhong hua Yi Xue Za Zhi. 2010;90(41): 2943-2946.
[14]He D, Wu L, Chi Y, et al.Facet joint plus interspinous process graft fusion to prevent postoperative late correction loss in thoracolumbar fractures with disc damage: finite element analysis and small clinical trials. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2011;26(3):229-237.
[15]Cheng FH, Shih SL, Chou WK, et al.Finite element analysis of the scoliotic spine under different loading conditions. Biomed Mater Eng. 2010;20(5):251-259.
[16]刘观鼓,徐荣明,赵红勇,等.胸椎后路经关节肋骨螺钉固定技术的提出及其解剖学研究[J].中华外科杂志,2010,48(14):1115-1116.
[17]胡哲,张少杰,王星,等.肋横突关节关节面的形态特点及其意义[J].中国临床解剖学杂志,2014,5(32):538-543.
[18]李筱贺,李少华,由博,等.中下胸椎肋凹位置的研究及侧前方置钉数字化模拟[J].中国临床解剖学杂志,2010,28(3): 251-254.
[19]He D,Wu L,Chi Y,et al.Facet joint plus interspinous process graft fusion to prevent postoperative late correction loss in thoracolumbar fractures with disc damage:finite element analysis and small clinical trials. Clin Biomech(Bristol,Avon). 2011;26(3):229-237.
[20]Woldtvedt DJ, Womack W, Gadomski BC. Finite element lumbar spine facet contact parameter predictions are affected by the cartilage thickness distribution and initial joint gap size. J Biomech Eng. 2011;133(6):061009.
[21]Galbusera F, Schmidt H, Neidlinger-Wilke C, et al. The effect of degenerative morphological changes of the intervertebral disc on the lumbar spine biomechanics: a poroelastic finite element investigation. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2011;14(8):729-739.
[22]Jackson AR, Huang CY, Gu WY. Effect of endplate calcification and mechanical deformation on the distribution of glucose in intervertebral disc: a 3D finite element study. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2011;14(2):195-204.
[23]Kim HJ, Chun HJ, Kang KT, et al. A Validated finite element analysis of never root stress in degenerative lumbar scoliosis. Med Biol Eng Comput. 2009;47(6):559-605.
[24]Li XF, Liu ZD, Dai LY, et al. Dynamic response of the idiopathic scoliotic spine to axial cyclic loads. Spine (Phila Pa 1976). 2011;36(7):521-528.
[25]Dall'Ara E, Schmidt R, Pahr D, et al. A nonlinear finite element model validation study based on a novel experimental technique for inducing anterior wedge-shape fractures in human vertebral bodies in vitro. J Biomech. 2010;43(12):2374-2380.
[26]Zeinali A, Hashemi B, Akhlaghpoor S.Noninvasive prediction of vertebral body compressive strength using nonlinear finite element method and an image based technique.Phys Med. 2010;26(2):88-97.
[27]Park WM, Park YS, Kim K,et al.Biomechanical comparison of instrumentation techniques in treatment of thoracolumbar burst fractures:a finite element analysis. J Orthop Sci. 2009; 14(4):443-449.
[28]Mirzaei M, Zeinali A, Razmjoo A, et al.On prediction of the strength levels and failure patterns of human vertebrae using quantitative computed tomography (QCT)-based finite element method.J Biomech. 2009;42(11):1584-1591.
[29]Bottlang M, Helzel I, Long WB, et al. Anatomically contoured plates for fixation of rib fractures. J Trauma. 2010;68(3): 611-615.
[30]闫广辉,张庆胜,靳宪辉,等.经腰椎椎弓根动态内固定研究进展[J].生物骨科材料与临床研究,2012,9(6):31-34.

引言

中下段胸椎结核、创伤和肿瘤常导致相应椎体压缩性骨折、椎管狭窄，从而引起中下段胸椎前、中柱稳定性降低，在这种情况下，毗邻胸椎的心脏、肺及大血管的功能常常会受到影响。目前，临床医生主要应用椎体病灶清除植骨联合经椎弓根后路固定来对其进行治疗，并取得了一定的临床效果^[1]。

在进行中下段胸椎椎体病灶清除植骨固定过程中，临床医生常常联合应用经椎弓根后路固定，并取得了一定的临床效果。然而，由于中下段胸椎椎弓根细小，以及其周围毗邻重要的脏器、血管和神经，因而使其临床应用受到严重的限制^[2]。20世纪90年代Dvorak等提出了椎弓根外置钉的方法。之后，许多学者通过尸体解剖测量及体外生物力学实验来研究该方法的临床可行性，但由于各种原因，如尸体来源有限、体外生物力学测量误差较大等，至今尚无关于该方法的较为准确的基础实验数据。关于临床断钉断棒、骨融合质量差和邻近节段退变的原因及合理解释，也无基础研究参数支持。如何避免传统脊柱内固定器械的缺点、如何进行脊柱内固定器械性能的改进及内固定技巧的提高，成为每位脊柱外科医生急需解决的问题，但关于这方面的研究，至今尚无报道^[3-4]。

文章通过应用逆向工程软件来三维重建T₆_-₈椎体病灶清除植骨+经肋椎单元后路固定系统模型，应用大型通用有限元分析软件来分析T₆-T₇-T₈经肋椎单元后路固定系统内植物的应力、应变分布，从而为该修复方案的应力特点和内植物改进提供数字物理模型参考。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
全文链接：

材料方法

设计：数字化医学、三维有限元分析。

时间及地点：于2011年在内蒙古医科大学第二附属医院完成。

对象：试验对象为1名成年男性志愿者(年龄39岁、身高172 cm、体质量71 kg)，排除脊柱疾患，应用GE Medical System Brilliance 64排CT机对其相应脊柱节段(T₅-T₉)进行连续水平扫描，扫描参数为：层厚0.625 mm、球管电压200 mA、电压120 kV，扫描层数为280层，在CT工作站中对图像进行处理及保存，图像以Dicom格式导入移动硬盘进行保存。

后路固定内植物建模：本试验应用的内固定器械为山东威高骨科材料有限公司提供的UPASS脊柱后路内固定系统，所用螺钉均为万向螺钉，螺钉直径均为6 mm，钉长均为40 mm；纵向棒长为110 mm，横连长度为20 mm；中型压紧螺母，垫片单孔型号45105000、中型；应用Pro-e4.0机械建模模块建立UPASS脊柱后路肋椎单元内固定系统模型，文件输出、保存格式为.iges。

电脑硬件及软件配置：本试验所用电脑为联想笔记本电脑(Thinkpad X220i，CPU，2 G内存)；软件为：WindowsXP系统，Geomagic Studio V9由杰魔(上海)软件有限公司提供，Ansys 10.0由美国安士公司提供，Mimics 13.0试用版(Materialise公司提供)，Pro-E4.0由美国PTC公司提供。

方法：

建立正常的T₆-T₇-T₈节段(图1)：将CT扫描所得数据导入Mimics 13.0软件，应用其自带的域值设定(Threshold)选择拟重建部分。在软件中以不同颜色来区别各个拟重建结构，其在图像上就表现为不同的蒙面(Mask)。通过应用图像编辑(Edit)功能，如“添加”或“擦除” 操作来对图像边界进行精细的边界划分，从而使重建图像更接近真实。利用Mimics 13.0软件的区域增长功能(Region growth)可对椎骨、椎间盘的图像进行分割。最终应用三维计算功能(3D calculation)来对每个蒙面进行重建，从而可清楚、直观地重现椎体及椎间盘的结构，并建立前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带的数字模型。以stl将3D 模型输出保存。

建立T₆_-₈运动节段经肋椎关节后路固定有限元模型(图2)：将正常T₆_-₈运动节段三维立体模型导入Geomagic Studio V9软件，然后在该软件中其进行外形修饰，利用该软件的删除功能来模拟部分切除T₆_-₇的椎体，保留椎体后方结构，进而建立T₆_-₇椎体病灶清除模型，Stl格式输出、保存。然后将该模型导入Mimics 13.0软件，参考临床活体真实的T₆_-₇椎体测量数据，通过应用Mimics 13.0的MedCAD建模功能建立直径25 mm、高18 mm的移植骨块，将该骨块导入建好的T₆_-₇椎体病灶清除模型中。同时应用Mimics 13.0软件的配准模块实现这两个配件的配准，即将移植骨块恰好填充于T₆-T₇椎体之间，固定方法参考文献[5-9]。应用Mimics 13.0软件的Remesh自动网格重划及修改功能来对固定系统中的各组件进行面网格优化。以.lis后缀名输出Ansys面网格文件，利用ANSYS PRODUCTS 11.0转化体网格并导回Mimic 13.0来对材料进行赋值。Mimics13.0FEA功能是基于扫描图像数据为体网格的每一单位计算所得的亨氏单位灰度值，进而依据不同灰度范围来对相应材料进行定义。参照以往文献[10]对各材料进行赋值(表1)，并建立其相应的有限元模型。

加载及计算：

加载方法：①固定T₈椎体模型下缘表面，在T₆椎体模型上表面持续施加500 N载荷，并使载荷均匀分布于T₆椎体模型表面的各个节点上。②参考文献[11]，在加载500 N载荷的同时，另外在T₆椎体上表面施加10 N•m力矩，分前屈、后伸、侧屈等3种情况进行加载。

计算及设计：本研究应用定性和定量两种方法来对模型的应力分布进行表示，前者用应力分布云图表示。后者计算方法为：螺钉及棒的平均VonMises应力的计算：将螺钉平均分为3段，取其中的后两段，将连接棒平均分为3段。在螺钉的中段、尾段以及连接棒的上、中、下段的每段均匀选取15个节点，然后计算各节点应力，取平均值为该节段螺钉及棒的应力。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

全文链接：

讨论

3.1 T₆-T₇-T₈固定的设想脊柱结核是骨关节结核的最常见形式，近年来其发病率呈上升趋势。由于脊柱结核可引起椎体骨质破坏、脊柱后突畸形，椎管内神经系统受累，严重者可导致截瘫，严重危害人体健康。胸椎结核在脊柱结核中占比例较高，仅次于腰椎结核，中下胸椎结核病灶常可造成严重的脊髓压迫损伤。严重破坏椎体结构，多需手术处理。该处病灶位置特殊，毗临重要结构，且椎体较小，椎弓根较细，为病灶清除及内固定带来较大困难。既通过手术彻往多采用保守治疗或单纯病灶清除术，卧床时间长，易产生各种并发症，一般医院不易开展。随着医学科学发展，发现底清除结核病灶，完全减压椎管内神经压迫，纠正脊柱畸形，重建脊柱稳定性，是治疗胸椎结核的有效方法^[12]。

目前，对于中胸段椎体结核疾患，临床常规实施T₆_-₇ 椎体病灶清除，移植自体骨(肋骨或髂骨)，而只行上、下端后路固定(T₆、T₈后路经椎弓根或肋椎单元固定)，但该固定方法的弊端是移植骨块移位、连接棒中段没有螺钉支撑而应力过于集中。因此本文设计了新的固定方式即除了在传统伤椎上、下节段进行后路固定外，同时在伤椎节段残留的肋椎单元进行后路固定。但此种固定方法尚未有相关生物力学研究和报道，临床也尚未开展^[13-15]。 3.2 T₆-T₇-T₈运动节段椎间植骨、后路经肋椎单元固定的应力分析的意义中胸椎位置比较特殊，毗邻重要结构，且椎体较小，椎弓根较细，有学者研究，T₆_-₈椎弓根外侧皮质宽度小5 mm，如果在该节段固定椎弓根螺钉，不但会导致椎弓根皮质穿破，椎弓根骨折的危险性会更大^[16-18]。也有学者从生物力学的角度研究发现，若椎弓根侧壁损伤，会导致其螺钉固定张力和抗侧屈力下降。后路椎弓根的置入有一定的风险，近年来该节段利用肋椎单元固定可以克服以前术式的缺陷，有学者进行测量研究发现，其横径和钉道长度肋椎单元显著大于该节段椎弓根；其安全置钉角度也交传统椎弓根固定的范围大^[19-22]。肋椎单元固定术式目前文献报道的生物力学研究，主要是在尸体标本上来完成，这种办法研究费用较高，可重复性差，数字化技术可以克服这些缺点，所以建立既准确又精确的中下胸椎肋椎单元有限元模型对进一步的力学分析意义重大^[23]。下胸椎后路经肋椎单元固定虽在临床已被使用，但也有许多螺钉松动和断钉短棒的临床报道。但是，由于目前对于T₆-T₇-T₈经肋椎单元固定缺乏相关生物力学模型，所以本文力求通过有限元分析的方法为其固定器的改进提供数学物理模型^[24-28]。

本试验应用Mimics 13.0、Geomagic Studio V9及ANSYS PRODUCTS 11.0软件，对T_6-8运动节段椎间植骨、后方经肋椎单元固定有限元模型进行了成功地网格划分，建成后的三维有限元模型与实体模型比较具有良好的几何相似性。该固定系统在3种运动状态下，上位较中、下位螺钉尾部所受应力大，所以上位螺钉尾部较中、下位螺钉更容易发生疲劳性断裂；前屈和后伸运动中、连接棒中部应力为零，但在侧弯时突然增大，连接棒最下端应力始终较大，所以在3种运动状态下连接棒下端和在侧弯时连接棒中段更容易发生疲劳性断裂。虽然本次研究中最大的应力值出现在侧弯位G点，为(375.03±7.78) N，但其相对于钛合金螺钉屈服强度894-1 034 MPa来讲^[29-30]，均低于或远低于此值。故T₆-T₇-T₈后路椎间植骨经肋椎单元内固定的患者在做前屈和后伸运动时连接棒的下端、侧弯时连接棒中段最容易发生疲劳性断裂。

3.3 T₆-T₇-T₈后路椎间植骨、后方经肋椎单元内固定术后及器械改进建议下胸椎后路经肋椎单元固定虽在临床已被使用，但也有许多螺钉松动和断钉短棒的临床报道。本试验应用Mimics 13.0、Geomagic Studio V9及ANSYS PRODUCTS 11.0软件，对T₆_-₈运动节段椎间植骨、后方经肋椎单元固定有限元模型进行了成功地网格划分，建成后的三维有限元模型与实体模型比较具有良好的几何相似性，并对其在3种不同运动状态下的应力进行了有限元分析。

根据本试验的研究的结果，建议中下胸段后路椎间植骨后方T₆-T₇-T₈经肋椎单元内固定后也要严格采用可靠支具。因为术后患者严格采用可靠支具，一方面可以承担损伤节段以上身体直接给移植骨及内植物的应力；另一方面可以限制脊柱局部节段的运动，以减少螺钉及连接棒的应力，减小内固定系统疲劳断裂的可能性。即便是以后拆除支具后，也应当避免过度的前屈和后伸运动。为了降低螺钉尾部与连接棒中、下端段应力集中且绝对值较大、容易断裂的问题，可以将肋椎单元钉(连接棒)设计成尾段(中、下段)较前端(上段)粗的锥体形，以提高这两个部位的机械承载能力。

本研究存在的不足之处是仅对1例T₆-T₇-T₈运动节段后路椎间植骨后方经肋椎单元内固定系统有限元分析，试验数据与真实活体数据有一定的差距，因此研究数据不能完全指导临床实践，还需进一步加大有限元研究的标本数量及密切的结合临床实践，以期为临床疾病的诊治提供更全面的基础数据。

综上所述，并研究应用逆向工程软件三维重建了T₆_-₈椎体病灶清除植骨+经肋椎单元后路固定系统模型，同时应用大型通用有限元分析软件分析了T₆_-₈经肋椎单元后路固定系统内植物的应力、应变分布，从而为该修复方案的应力特点和内植物改进提供数字物理模型参考。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
全文链接：

三维有限元分析脊柱中胸段(T₆_-8)结核经肋椎单元植入物固定的应力变化

Three-dimensional finite element analysis on stress changes after rib-vertebral unit fixation for tuberculosis of thoracic spine (T₆_-8)

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 4

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[2]	陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 熊晓燕, 郑利钦, 李木生, 郑永泽, 林梓凌. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折：最佳骨水泥量有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1404-1409.
[3]	周继辉, 李新志, 周游, 黄卫, 陈文瑶. 髌骨骨折修复内植物选择的多重问题[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1440-1445.
[4]	吴刚, 陈建文, 王世隆, 段笑然, 刘海军, 董建峰. 单纯HyProCure跗骨螺钉治疗青少年柔韧性平足合并痛性副舟骨[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 901-905.
[5]	宋成杰, 常恒瑞, 石明鑫, 孟宪中. 侧方入路腰椎融合治疗后的生物力学稳定性的研究与进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 923-928.
[6]	刘钊, 徐西林, 申意伟, 张晓峰, 吕航, 赵军, 王政春, 刘旭卓, 王海涛. 塌陷预测方法联合分期分型对股骨头坏死治疗的指导作用与前景[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 929-934.
[7]	孔令宝, 吕欣. 胫骨后外侧平台骨折手术治疗中植入物选择与入路对支撑作用的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 942-947.
[8]	许玉林, 沈师, 卓乃强, 杨惠麟, 杨超, 李洋, 赵恒, 赵露. 髋臼后柱骨折3种不同钢板固定后站立及坐立位下的生物力学比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 826-830.
[9]	蔡群斌, 邹霞, 胡剑涛, 陈心敏, 郑利钦, 黄培镇, 林梓凌, 姜自伟. 有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 831-836.
[10]	刘正蓬, 王雅辉, 张义龙, 明颖, 孙志杰, 孙贺. 3D打印椎间融合器置入治疗脊髓型颈椎病：颈椎曲度及椎间高度恢复的半年随访[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 849-853.
[11]	谢崇新, 张磊. 保留与不保留残端重建前交叉韧带术后膝关节退变的比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 735-740.
[12]	李兴平, 肖东琴, 赵桥, 陈硕, 白亦光, 刘康, 冯刚, 段可. 钛表面载铜抗菌功能膜的制备及性能[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 553-557.
[13]	吕家兴, 白磊鹏, 杨朝昕, 苗岳松, 金宇, 李哲宏, 孙广普, 徐莹, 张擎柱. 膝关节骨性关节炎老年股骨转子间骨折行股骨近端防旋髓内钉内固定评价[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 391-396.
[14]	周继辉, 李新志, 周游, 黄卫, 陈文瑶. 创伤性胸锁关节脱位多种内置物治疗优劣的比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 443-448.
[15]	刘畅, 韩树峰. 股骨近端联合拉力交锁髓内钉与股骨近端防旋髓内钉、亚洲型股骨近端防旋髓内钉内固定治疗老年转子间骨折的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 477-485.