可动人工腰椎置入后的生物力学性能有限元分析
王彦飚1 陈俊2 张敬乙1 曹臣1 王家林1 刘斌峰1 张博1 连笑宇1 高延征1
1 河南省人民医院脊柱脊髓外科， 450003； 2 青岛市市立医院骨关节与运动医学科266000
Finite element analysis of biomechanical properties after implantation of movable artificial lumbar spine
Wang Yanbiao, Chen Jun, Zhang Jingyi, Cao Chen, Wang Jialin, Liu Binfeng, Zhang Bo, Lian Xiaoyu, Gao Yanzheng.
摘要 目的 探讨可动人工腰椎置入后对腰椎活动度、关节突关节及终板应力的影响，为其临床应用奠定生物力学基础。 方法 选取1名健康成年男性的全腰椎CT数据，构建生理有限元分析模型并进行有效性验证（生理组）。将生理组模型L3 椎体及邻近椎间盘切除后复制两组，一组置入可动人工腰椎各组件构建非融合模型（非融合组），另一组置入钛笼、钛板等构建融合模型（融合组）。于三组加载500 N的轴向载荷和10 Nm扭矩载荷，模拟前屈、后伸、左右侧弯、左右扭转6个方向的运动，对比相同工况下三组手术部位（L2~3 、L3~4 ）及邻近节段（L1~2 、L4~5 ）腰椎活动度和邻近节段关节突关节（J1~2 、J4~5 ）、L2下终板及L4上终板应力峰值。 结果 非融合组手术部位在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左扭转、右扭转6个方向的活动范围分别为L2~3 3.9°~8.7°、L3~4 3.6°~8.4°，较融合组（L2~3 0.1°~0.2°、L3~4 0.1°~0.1°）明显增大，较生理组（L2~3 2.3°~6.0°、L3~4 2.3°~7.1°）略有增加。非融合组邻近节段活动范围分别为L1~2 1.4°~4.3°、L4~5 1.4°~6.0°，小于融合组（L1~2 2.1°~6.1°、L4~5 3.3°~8.6°），与生理组（L2~3 2.3°~6.0°、L4~5 2.3°~7.1°）较相似。非融合组邻近节段关节突关节在后伸、左右侧弯、左右扭转方向von Mises应力峰值范围分别为J1~2 7.07~19.21 MPa、J4~5 6.12~12.99 MPa，与生理组(J1~2 8.42~18.53 MPa、J4~5 7.49~11.70 MPa)相近，小于融合组（J1~2 10.54~21.16 Mpa、J4~5 10.63~16.13 MPa)。非融合组L2 下终板与L4 上终板在上述6个运动方向上的最大von Mises应力分别为29.39~54.72 MPa、32.31~47.87 MPa，较融合组L2 下终板(21.20~42.07 MPa)、L4 上终板（22.50~36.76 MPa）和生理组L2 下终板(11.04~29.55 MPa)、L4 上终板（13.12~21.32 MPa）均有明显增加。 结论 与传统融合假体相比，可动人工腰椎的置入可重建手术部位在屈伸、侧弯、扭转等方向上的活动度，显著降低对邻近节段及邻近节段关节突关节的影响，理论上可减少假体下沉的发生率。
关键词 ：
腰椎 ,
脊柱骨折 ,
椎关节突关节 ,
有限元分析 ,
假体
Key words ：
Lumbar vertebrae
Spinal fractures
Zygapophyseal joint
Finite element analysis
Prosthesis
基金资助: 河南省中原千人计划 （ZYQR201912122）
通讯作者:
高延征， Email：yanzhenggaohn@163.com， 电话：0371-65580836
引用本文:
王彦飚 陈俊 张敬乙 曹臣 王家林 刘斌峰 张博 连笑宇 高延征. 可动人工腰椎置入后的生物力学性能有限元分析[J]. 中华创伤杂志, 2021, 37(1): 37-43.
Wang Yanbiao, Chen Jun, Zhang Jingyi, Cao Chen, Wang Jialin, Liu Binfeng, Zhang Bo, Lian Xiaoyu, Gao Yanzheng.. Finite element analysis of biomechanical properties after implantation of movable artificial lumbar spine. CHINESE JOURNAL OF TRAUMA, 2021, 37(1): 37-43.
链接本文:
http://manu24.magtech.com.cn/jweb_zgcszz/CN/10.3760/cma.j.cn501098-20201028-00652 或 http://manu24.magtech.com.cn/jweb_zgcszz/CN/Y2021/V37/I1/37
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