单枚Cage 行经椎间孔腰椎椎间融合术的有限元分析

探究单枚融合器行经椎间孔腰椎椎间融合术的植入位置对单侧椎弓根螺钉固定腰椎生物力学特性的影响。本研究建立人体腰椎L_4～5节段融合器不同植入位置的经椎间孔腰椎椎间融合术式模型,采用有限元方法比较分析各模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右轴向旋转工况下,腰椎活动范围、椎间融合器和椎弓根螺钉系统的应力分布等生物力学特征。结果表明,各术式模型中融合节段的活动范围均较无损模型至少降低82%,融合节段稳定性显著提高。椎间融合器和椎弓根螺钉的应力分布随工况和融合器放置位置不同而存在差异,融合器距离椎弓根螺钉系统越远,融合器和椎弓根螺钉的等效应力值就越大。因此,从腰椎融合稳定性及内固定应力峰值来看,融合器入路侧植入时融合器和椎弓根螺钉两者结合达到相对较好的术式效果。     

椎间融合与双侧经椎弓根经椎间盘螺钉置入后腰椎生物力学的有限元分析

背景：腰椎经椎弓根经椎间盘螺钉是一种新的微创脊柱内固定技术，与传统双侧椎弓根螺钉固定相比，单侧只需1枚螺钉固定1个节段，具有经济微创、操作便捷等优点。但目前探讨应用双侧经椎弓根经椎间盘螺钉联合改良经椎间孔入路腰椎椎间融合(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)术式的研究仍很少见。目的：通过建立改良TLIF无内固定(cage alone)、改良TLIF联合双侧椎弓根螺钉内固定(cage+BPS)和改良TLIF联合双侧经椎弓根经椎间盘螺钉内固定(cage+BTPTDS) 3种有限元模型，评估改良TILF联合不同内固定对椎间融合器(cage)、内固定、椎间盘、下终板的应力分布及腰椎活动度的影响。方法：采集成人腰椎薄层CT扫描图像，通过Mimics、Geomagic和SolidWorks软件建立3种有限元模型：cage alone模型、cage+BPS模型和cage+BTPTDS模型。采用ANSYS Workbench模拟施加人体前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左侧旋转、右侧旋转6种不同运动载荷，计算3种模型cage及内固定、下终板、椎间盘应力分布...     

TLIF术中最优化单侧螺钉植入和融合器放置的有限元分析

目的比较经单侧腰椎间孔椎体间融合(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)中不同轴向植入角度椎弓根螺钉和不同放置位置融合器的生物力学特性。方法建立正常L3~5有限元模型,在验证其有效性基础上,在L4~5节段模拟后路双侧TLIF和4种不同组合类型椎弓根螺钉植入和融合器放置的单侧TLIF有限元重构模型,即:小角度植入椎弓根螺钉+对侧放置融合器(模型A)、小角度植入椎弓根螺钉+同侧放置融合器(模型B)、大角度植入椎弓根螺钉+同侧放置融合器(模型C)、大角度植入椎弓根螺钉+对侧放置融合器(模型D),分别比较4种重构模型在各种生理应力下的活动范围(range of the motion,ROM)以及螺钉、融合器与L4下终板界面的最大Von Mises应力差异。结果 4种单侧TLIF重构模型在融合节段(L4~5)ROM均较正常模型显著下降,但仍高于双侧TLIF重构模型。4种单侧TLIF重构模型稳定性比较,模型C下降最多,其在屈伸、侧屈和扭转应力下ROM分别减少约为正常模型的50.7%、89.9%和90.3%。螺钉和融合器与L4下终板界面最大Von Mises应力比较,相对于其他3组模型,模型C除了在同侧侧屈和扭转外的大部分应力下承受较小的应力。结论在单侧TLIF重构模型中选择大角度植入椎弓根螺钉和同侧放置融合器能够获得最佳的生物力学稳定性,通过缩小与双侧TLIF模型稳定性差异以减少断钉或融合器下沉的风险,值得临床推广运用。     

经椎间孔腰椎椎间融合术式模型的生物力学研究

本文基于经椎间孔腰椎椎间融合(TLIF)治疗腰椎滑脱的术式模型,采用有限元方法探讨腰椎融合术内植物固定系统中融合器和椎弓根钉在不同组合下表现出的生物力学特性。首先,基于CT图像结合有限元前处理软件,建立人体腰椎L4-L5节段轻度滑脱及内植物不同固定组合方式下的三维非线性有限元模型。比较各模型在前屈、后伸、左右侧弯和左右轴向旋转6种工况下,腰椎活动范围和融合器、椎弓根钉的应力分布等生物力学特征。结果表明各术式模型的活动范围均较无损模型减少84%以上,稳定性显著提高。各术式模型中,单枚融合器辅加单侧椎弓根钉固定下融合器和椎弓根钉的应力值相对较大,但差异无统计学意义。研究结果可为TLIF的体外标本实验研究和临床分析提供相应的生物力学参考和印证,并为单侧内固定斜行椎间融合TLIF手术的可行性提供生物力学依据。     

肾型n-HA/PA66腰椎间融合器在经椎间孔腰椎椎体间融合术中的有限元分析

目的　设计一种新型的“肾形”n-HA/PA66腰椎间融合器(cage),通过三维有限元分析,研究其在经椎间孔腰椎椎间融合术(TLIF)中的生物力学特性。 方法 建立正常人体L3-L5节段三维模型,模拟经椎间孔腰椎椎间融合术,采用有限元分析方法进行应力分析,比较肾型与子弹头型n-HA/PA66腰椎间融合器应力分布的差异。 结果　在前屈、后伸、左右旋转工况下两种不同cage的TLIF手术模型对比,子弹头型cage最大应力分别为32.8、32.8、31.4、31.3、32.8、34.2 MPa,肾型cage最大应力分别为13.2、11.4、10.9、10.1、11.7、11.1 MPa;而且肾型cage应力集中区域小于子弹头型cage。 结论　肾型n-HA/PA66腰椎间融合器固定的椎体应力分布小而均匀,理论上可有效降低cage沉降率。     

下腰椎融合术后路单、双侧椎弓根固定的有限元比较研究

目的　建立正常人L4~5节段椎间盘切除后单/双侧椎弓根螺钉固定椎间融合的有限元模型,对两者在不同运动载荷下的稳定性和应力分布进行比较研究。 方法　通过正常人L4~5节段CT扫描获取断层图像,然后利用mimics软件重建人体L4~5三维模型,再通过Ansys软件前处理功能建立有限元模型,并在此基础上分别建立椎间盘切除后单侧（A）、双侧（B）椎弓根螺钉固定+椎间Cage融合模型,对两组模型分别施加5 N?m的前屈、后伸、左/右屈曲和左/右旋转载荷,比较分析椎体及植入物在不同工况下的位移及应力峰值。 结果　各种工况下,A组在固定侧侧屈时椎体间位移及椎弓根螺钉应力峰值最大,在后伸时椎体应力峰值最大。B组在后伸时椎体间位移峰值最大,在旋转时螺钉及椎体应力峰值最大。在后伸和固定侧侧屈工况下A组椎体间位移峰值、螺钉及椎体应力峰值较B组相差最大。 结论　与双侧固定相比,单侧固定融合术后在固定侧侧屈及后伸工况下发生不稳及螺钉松动、断钉的潜在风险最大。单侧固定融合术后的病人在椎间骨融合前应特别减少后伸及固定侧侧屈动作,以降低风险。     

斜外侧椎间融合结合不同内固定方式治疗退变性腰椎侧凸的有限元分析

目的 运用三维有限元分析法验证斜外侧椎间融合(oblique lateral interbody fusion, OLIF)辅助不同内固定方式治疗退变性腰椎侧凸(degenerative lumbar scoliosis, DLS)的生物力学稳定性。方法 建立L1～S1三维有限元DLS模型(模型1),模拟L2～5连续三节段OLIF手术及其结合不同内固定方式,分别建立单纯OLIF(stand-alone OLIF)模型(模型2)、椎体钉棒固定模型(模型3)、单边椎弓根螺钉固定模型(模型4)和双边椎弓根螺钉固定模型(模型5)。在直立、前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转工况下,记录并分析各模型融合节段活动度(range of motion, ROM)、融合器及内固定的应力及其分布情况。结果 6种运动工况下,模型2～5融合节段整体ROM均小于模型1;与模型1相比,模型3、4的ROM降幅大于模型2、小于模型5;前屈和后伸工况下,模型4与模型5的ROM降幅相仿;左右侧弯工况下,模型3与模型5的ROM降幅相仿。在所有运动工况下,模型3、4融合器应力峰值大于模型5、小于模型2;其中,模型3的L2～3、L3...     

以三维有限元分析两种方法L4/5椎间融合后的螺钉应力

背景：作者未查及使用三维有限元方法分析椎弓根螺钉内固定并自体髂骨植骨或椎间融合器植骨后螺钉应力情况的相关报道。 目的：在L₄~L₅节段有限元模型上建立椎弓根螺钉内固定并椎间双枚椎间融合器置入和椎弓根螺钉内固定并椎间自体髂骨植骨的模型,分析两种不同方法植骨后螺钉的应力分布情况。 方法：选择1名健康男性,年龄20岁,借助CT扫描和有限元软件,建立L₄~L₅节段的三维有限元模型。在验证有效的模型上建立后路椎弓根钉棒系统内固定+双枚椎间融合器植骨模型(模型A)和后路椎弓根钉棒系统内固定+椎间自体髂骨植骨有限元模型(模型B),然后在各模型上分别施加载荷,观察螺钉应力分布情况。 结果与结论：建立两种不同后路内固定并植骨融合术式三维有限元模型,在不同载荷情况下,发现模型B螺钉应力值均大于模型A,且差异具有显著性意义(P < 0.05),差值最大部位为螺钉尾部。结果提示后路椎弓根钉棒系统内固定+椎间自体髂骨植骨后更容易出现椎弓根螺钉断裂情况。     

TLIF后路不同的内固定方式生物力学特性的比较分析

目的　比较3种不同后路经腰椎间孔椎间融合（transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF）内固定方式的生物力学特性。 方法　建立正常L3~5有限元模型,在验证其有效性基础上模拟3种不同TLIF后路内固定方式即：单侧或双侧椎弓根螺钉内固定组（Model A和Model B）、单侧+对侧关节突螺钉固定组Model C。分别比较其在生理活动范围（Range of the motion, ROM）下模型的稳定性以及内植物的应力差异。 结果　对所有重构模型,在融合节段（L4~5）的ROM均显著下降,其中以Model B下降最多,屈伸活动减少达18.2%;内植物最大应力出现在Model C,左侧弯时达234.9 MPa;Model B的cage最大应力最小。 结论　后路双侧椎弓根螺钉固定能获得最佳稳定性,且能降低cage下沉及移位的风险;单侧+对侧关节突螺钉亦能提供较好良好的稳定。     

融合器放置位置对脊柱单侧固定应力分布影响的有限元分析

目的建立L4～L5节段经腰椎间孔椎间融合术（TLIF）单侧固定结合融合器三种不同放置位置的三维有限元模型,探讨融合器三种不同放置位置对脊柱单侧固定应力分布的影响。方法基于正常人L4～L5节段的CT扫描数据,建立该节段TLIF单侧固定的三维有限元模型,并在此基础上分别建立TLIF术式结合融合器前中1／3置人模型（TLIFa）、斜向45。置入模型（TLIFd）及垂直置入模型（TLIFv）。加载后测试在前屈、后伸、侧弯及旋转等各工况下腰椎活动范围、钉棒系统、融合器及对侧小关节应力分布特征。结果该节段TLIF单侧固定非线性有限元模型的活动度分别为前屈9．8°、后伸3．6°、左侧屈4．0°、右侧屈3．7°、左旋转2．5°、右旋转1．8°;3种融合器放置方式模型中融合节段的活动度均较正常模型至少降低77％,且TLIFd的活动度减少最明显;钉棒系统和椎间融合器的应力峰值随运动方向和融合器放置位置不同而存在差异,但应力峰值均在允许的最大范围内;TLIFv对侧小关节应力峰值均高于其它两组,尤其在前屈、后伸及左侧弯工况下最明显,而TLIFd对侧小关节应力峰值在各工况下均最小。结论成功建立了正常人L4～L5节段非线性有限元模型;单枚融合器斜行置入有助于改善固定系统的整体应力分布,并减小对侧小关节的应力载荷。     

新型关节突钉板系统联合单侧椎弓根螺钉固定的生物力学研究

目的 研究经椎间孔入路椎体间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion,TLIF)结合新型关节突钉板系统(articular process fixation system,APFS)的腰椎稳定性.方法 在已验证的有限元模型L3～S1完整节段(模型A)上,模拟TLIF手术,建立...     

双侧钉棒及同侧单钉棒置入内固定的生物力学比较

背景：腰椎失稳、腰椎滑脱等腰椎退行性疾病常常需要实施腰椎融合,其目标是稳定脊柱,但究竟采取何种内固定方式仍存在争论。 目的：比较单侧与双侧经椎间孔减压椎体间融合治疗腰椎退行性病变的生物力学差异。 方法：人新鲜尸体腰椎标本6具,L4~5模拟微创经椎间孔减压椎体间融合,根据不同的内固定组合方式分为2组,即双侧钉棒组及同侧单钉棒组。在生物力学试验机上测量各种固定方式不同工况下的运动范围(ROM值),并进行比较。 结果与结论：以完整的腰椎运动单元为参照,两固定组的ROM值均低于对照组(P < 0.05)。其中双侧钉棒组在各工况下ROM值均显著低于同侧单钉棒组(P < 0.05)。提示在生物力学实验中,单侧椎弓根螺钉固定椎间融合生物力学性能优良,刚度适中,腰椎可获得可靠的稳定性。但与双侧钉棒固定比较,单钉棒方式仍然存在差距。     

单侧腰椎弓根螺钉及经椎板关节突螺钉固定与双侧固定的比较

背景：经椎板关节突关节螺钉固定、椎间植骨融合治疗脊柱疾患是一种独特的固定方法,可用于退变性腰椎的融合。 目的：比较采用微创经腰椎间孔椎体融合联合单侧椎弓根螺钉及经椎板关节突螺钉固定与常规开放后路腰椎体间融合术联合双侧椎弓根螺钉固定治疗下腰痛疾病的临床效果。 方法：纳入2010年6月至2012年6月于武警广东总队医院就诊的腰椎间盘突出伴腰椎轻度不稳患者49例,均采用后路减压椎间融合器植骨内固定治疗。其中24例采用微创经椎间孔椎体融合术联合单侧椎弓根螺钉及经椎板关节突螺钉固定,25例采用常规开放后路腰椎体间融合术联合双侧椎弓根螺钉固定,比较两种固定方法的临床疗效。 结果与结论：两种固定方法术后椎体融合率、日本矫形外科协会评分及疼痛目测类比评分改善率差异均无显著性意义(P > 0.05)。可见对无严重不稳的单节段退变性腰椎疾病患者,两种治疗方法的效果相当,均能有效提高椎间融合率,使小关节稳定,解除临床症状,门诊随访满意。但采用微创经椎间孔椎体融合术联合单侧椎弓根螺钉及经椎板关节突螺钉固定的患者手术切口长度、手术时间、术中出血量、术后切口引流液量明显减少(P < 0.05),说明该方法具有创伤小、操作简单的优势。     

微创椎间融合不对称固定的稳定性和椎体应变分布研究

目的研究腰椎微创经椎间孔椎体间融合术(MI-TLIF)不对称内固定条件下节段稳定性和椎体前柱应变分布特点。方法采用新鲜小牛腰椎标本8例,完成L4~L5节段完整状态测试后建立TLIF手术损伤模型,分别测试右侧椎弓根螺钉固定(UPS)、右侧椎弓根螺钉加对侧经关节突椎弓根螺钉(UPS+TFPS)固定、双侧椎弓根螺钉固定(BPS)状态的三维运动范围(ROM),同时在L4椎体前柱表面用电阻应变片技术测量在前屈和侧弯运动中电阻应变数据。结果 UPS+TFPS和BPS固定状态的稳定性效果接近,UPS固定抗旋转稳定性不足。UPS+TFPS固定后椎体前柱应变在前屈和侧弯运动下较BPS固定分别增加21.8%和24.2%。结论 UPS+TFPS固定提供有效稳定的同时可以实现更好的椎体-内植物载荷共享。     

原位及复位融合腰椎滑脱的三维有限元分析

背景：由于脊柱结构复杂,对复位或原位融合后融合的腰椎节段应力分布变化特点的精确生物力学分析一直是个难点。 目的：通过建立L₄/₅节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定的三维有限元模型来比较腰椎滑脱原位融合和复位融合两种手术方式在各种载荷下的生物力学变化及其对腰椎稳定的影响。 方法：根据健康成年男性的下腰椎CT数据,利用mimics,Catia和Patran,Marc等软件建立起L₄/₅节段的三维有限元模型,利用此模型模拟退变性腰椎滑脱,在此基础上建立L₄/₅节段原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合内固定模型,分析两模型在各种载荷下的应力分布特点,并比较异同。 结果与结论：L₄/₅节段退变性滑脱原位椎间融合椎弓根钉内固定和复位椎间融合椎弓根钉内固定三维有限元模型在前屈后伸侧屈旋转负荷下,该节段各部结构,包括椎体,椎弓根钉内固定器和椎间融合器上的应力变化没有显著差异。两模型都显示椎间融合器和椎弓根螺钉内固定器上分布的应力最大。结果表明退变性腰椎滑脱,行原位椎间融合内固定和复位椎间融合内固定后,复位与否对该节段生物力学没有显著影响。     

Biomechanical Analysis of Fusion Segment Rigidity Upon Stress at Both the Fusion and Adjacent Segments: A Comparison between Unilateral and Bilateral Pedicle Screw Fixation

Purpose

The purpose of this study was to investigate the effects of unilateral pedicle screw fixation on the fusion segment and the superior adjacent segment after one segment lumbar fusion using validated finite element models.

Materials and Methods

Four L3-4 fusion models were simulated according to the extent of decompression and the method of pedicle screws fixation in L3-4 lumbar fusion. These models included hemi-laminectomy with bilateral pedicle screw fixation in the L3-4 segment (BF-HL model), total laminectomy with bilateral pedicle screw fixation (BF-TL model), hemi-laminectomy with unilateral pedicle screw fixation (UF-HL model), and total laminectomy with unilateral pedicle screw fixation (UF-TL model). In each scenario, intradiscal pressures, annulus stress, and range of motion at the L2-3 and L3-4 segments were analyzed under flexion, extension, lateral bending, and torsional moments.

Results

Under four pure moments, the unilateral fixation leads to a reduction in increment of range of motion at the adjacent segment, but larger motions were noted at the fusion segment (L3-4) in the unilateral fixation (UF-HL and UF-TL) models when compared to bilateral fixation. The maximal von Mises stress showed similar patterns to range of motion at both superior adjacent L2-3 segments and fusion segment.

Conclusion

The current study suggests that unilateral pedicle screw fixation seems to be unable to afford sufficient biomechanical stability in case of bilateral total laminectomy. Conversely, in the case of hemi-laminectomy, unilateral fixation could be an alternative option, which also has potential benefit to reduce the stress of the adjacent segment.