腰椎融合后腰椎活动度对植入物生物力学影响的有限元分析

背景:目前腰椎椎体间融合被广泛应用于多种腰椎疾患的治疗。然而,如何降低假关节形成、螺钉松动断裂以及cage失效等术后并发症仍然是一个严峻的挑战。目的:分析腰椎总体活动度对椎间植骨、cage以及钉棒系统应力应变的影响,从而更好地指导患者进行术后腰椎活动以降低假关节形成及器械失效的风险。方法:利用Mimics、3-Matic、HyperMesh以及Abaqus软件构建完整的人L1-S1有限元模型,并模拟经椎间孔腰椎椎体间融合术。比较施加弯矩前后椎间植骨平均应变、cage以及钉棒系统的峰值应力,并分析其随腰椎总活动度的变化趋势;绘制相应的应力云图以观察应力分布。结果与结论:①与单纯施加垂直压缩载荷相比,施加弯矩后椎间植骨平均应变、cage峰值应力以及钉棒系统峰值应力分别增加了2.6%-55.3%,65.6%-166.8%及36.0%-353.4%;②随着总活动度的增加,椎间植骨平均应变在左右旋转工况下呈非线性增加并得到最大值,而cage与钉棒系统的峰值应力在左右侧弯工况下呈线性增加并得到最大值;③椎间植骨与cage的应力分布和工况有关,而钉棒系统应力主要集中于螺钉与骨质结合部及螺钉与棒连接处;④因此术后增加轴向旋转活动可能降低假关节形成的风险,而减少侧弯活动可能降低cage以及钉棒系统失效的风险。

聚醚醚酮棒与钛棒在后路腰椎椎间融合中的有限元分析

背景:聚醚醚酮棒是一种新型的半刚性固定材料,但是其在后路腰椎椎间融合术中的生物力学性能仍不清楚。目的:对比聚醚醚酮棒与钛棒在后路腰椎椎间融合过程中的生物力学性能,尝试回答聚醚醚酮棒是否有潜力成为钛棒的替代品,尤其在前柱支撑不充分的情况下。方法:利用有限元方法构建完整的人腰椎(L)模型,并进一步构建4个后路腰椎椎间融合模型:①聚醚醚酮棒+cage;②钛棒+cage;③聚醚醚酮棒+纯植骨;④钛棒+纯植骨。比较不同模型中节段活动度、相关结构应力以及应变。结果与结论:①所有手术模型在限制L节段活动度方面无明显差异;②与钛棒相比,聚醚醚酮棒增加了椎间植骨的平均应变、增加了终板以及cage的峰值应力,同时降低了螺钉以及骨-螺钉界面的峰值应力;聚醚醚酮棒的峰值应力与屈服应力之比为6%-26%,高于钛棒的3%-12%;③在L节段上,聚醚醚酮棒仅轻微地降低了节段活动度与椎间盘峰值应力;④因此与钛棒相比,聚醚醚酮棒可能降低假关节、螺钉断裂与松动的风险,但是也可能导致终板塌陷、cage损坏以及棒断裂的风险更高;聚醚醚酮棒在延缓邻近节段退变中可能较钛棒有微弱的优势;在不使用cage而仅采用骨移植物进行椎间融合时,聚醚醚酮棒也许是一个可供选择的方案。