有限元法模拟退变性腰椎侧凸后路矫形及内固定应力分析研究

In this study, computer aid engineering (CAE) soft was used to establish finite element model(FEM) of the lumbar function spinal unite (FSU), and compared three different models under several behaviour of the FSU to find out the best modeling method. Then use the optimized modeling method to construct five FEMs of the degenerative lumbar scoliosis and validated the final model. On the basis, we simulated the main steps of the posterior correction surgery using the FEMs and An inverse method based on Finite Element Analysis was used to apply forces to the implant screw model such that it was deformed the same after surgery. Then compared the effective of the Key-segmental instrumentation techniques and all segmental pedicle screws strategy.investigate eorreetion effectiveness with different uPPer instrumented vertebra(UIV) and lowest instrumenied vertebra(LIV).

本研究应用计算机辅助工程软件 (Computer Aided Engineering，CAE)软件建立腰椎运动节段的有限元模型，运用最佳建模方案建立4例退变性腰椎侧凸有限元模型，并对模型有效性进行了验证和材料参数的优化；在证实仿真有效的4例有限元模型上模拟后路侧凸矫形，并对每一椎弓根螺钉应力分布进行测算；通过对椎弓根应力分布分析推算出"关键椎"节段，二次建模后模拟了 "关键椎"置钉方案的后路矫形，探讨目前临床上争论比较多的退变性脊柱侧凸近端融合椎以及远端融合椎如何选择的问题，并与实际手术结果进行对比研究。

背景：随着我国人口老龄化的进展，老年脊柱疾病患者明显增多，其中退变性脊柱侧凸是常见的脊柱退变性疾病之一。退变性腰椎侧凸的治疗包括非手术治疗和手术治疗两种方式，当非手术治疗方法效果欠佳时，需要考虑手术治疗。手术治疗在取得良好疗效的同时，也存在一些问题。随着科学技术的发展，手术带来的问题已在逐渐减少，但骨科医生和患者的需求则是更好的手术效果和更少的并发症。基于上述状况，立项了本项目并展开了相关研究。主要研究内容：本项目首先成功建立了退变性腰椎侧凸有限元模型并进行了优化，利用模型模拟了矫形术中不同节段内固定、不同术式及不同融合器的工况，分析各椎体及内固定物的应力情况，探索最合理的手术方式及内固定物，与此同时，也模拟了内固定物临近节段的应力情况，为减少临近节段退变等手术并发症提供参考依据。由于退变性腰椎侧凸的患者往往合并骨质疏松症，骨质疏松引起的内固定相关并发症较多，在本研究中，我们建立了退变性腰椎侧凸伴骨质疏松的有限元模型，模拟矫形术中不同内固定物并进行应力分析。继骨水泥螺钉之后，皮质骨轨迹螺钉被报道，它是一种新的适用于骨质疏松的螺钉，具有很大应用前景。本研究中对皮质骨轨迹螺钉的置钉参数进行了解剖学测量。重要结果：1、成功建立了退变性腰椎侧凸的T12至S1的完整三维有限元模型，与前人建立的模型相对比，有限元模型精确度高、网格划分更加均匀，模型几何相似性高。2、内固定矫形时放置cage后整体刚度增强，cage分担了钉棒的应力，椎体的应力增加了，融合导致交界区应力的集中，这可能导致邻近节段的退变。3、骨水泥螺钉相比于普通椎弓根螺钉在退行性腰椎侧凸伴骨质疏松患者的矫形中优势性更强。4、本研究总结得出的皮质骨轨迹螺钉置钉参数是安全、可靠、准确的，可以为骨质疏松伴腰椎退变性疾病患者进行置钉提供参考依据；对骨质疏松患者行后路置钉固定时，皮质骨轨迹螺钉较椎弓根螺钉稳定性更好。科学意义：1、本项目建立的模型几何相似性高，模拟手术时测试得出的数据更加精准，实用意义更强。2、融合器的使用提升了矫形效果，降低了断钉断棒风险，但增加了临近节段退变风险。3、在退行性腰椎侧凸伴骨质疏松患者中应用骨水泥螺钉的矫形效果更好，并发症更少。4、皮质骨轨迹螺钉应用前景大，本项目测算的数据为今后开展此置钉技术提供了参考。5、在本项目研究的基础上，我们正在建立脊柱后凸有限元模型，为今后进一步研究做准备。