脊柱结核病灶清除术中单节段短椎弓根钉固定的三维有限元分析

背景:脊柱结核手术治疗中使用单节段短椎弓根钉的方法已经在临床工作中运用,并取得满意的疗效,但这种固定方法的生物力学效能是否可靠,尚未得到理论研究证实。已有的研究虽证实短椎弓根钉能达到可靠的固定效果,但其研究方法局限于动物骨骼体外模拟实验,不能真实反映人体脊柱的生物力学特性。目的:建立T12-L3 脊柱结核病灶彻底清除术后单节段、短椎弓根钉固定的三维有限元模型,对模型进行力学分析,验证此种固定方式维持脊柱的稳定性。方法:选择1 例成年健康的男性志愿者,无脊柱疾病史,CT 对脊柱行层厚1 mm 的连续扫描,导出图像文件数据,以DICOM 格式保存。运用Mimics 20.0,Geomagic Studio,Pro/E 5.0 软件完成建立3 种脊柱椎弓根钉固定模型,运用Abaqus 软件进行有限元分析,在模型椎体上端上缘施加500 N 的轴向垂直压力;在同一受力点上施加10 Nm 大小的力矩,使椎体做前屈、后伸、左右侧弯及旋转运动,观察测量轴向位移及最大偏转角度。结果与结论:对3 种模型施加同样的荷载及边界条件,结果显示:①附加内固定的模型与正常椎体模型之间的结果无显著性差异;②在轴向位移方面,单节段短钉与正常椎体模型相差不到10%;③在最大偏转角度方面:后伸状态下两模型数据相差最大,单节段模型比正常模型大18%;④跨节段长钉固定模型无论在轴向位移还是在最大偏转角度上均低于正常椎体模型;⑤此2 种内固定模型之间相比,单节段短钉模型轴向位移比跨节段长钉模型大16%,在最大偏转角度上后伸状态下两种固定模型的相差最大,单节段固定比跨节段多38%,其他状态下数据相差均较小,将2 种固定模型行统计学检验,结果比较无显著性差异;⑥结果证实,单节段短椎弓根钉的固定方式能够达到可靠的生物力学效能,能维持脊柱结核病灶彻底清除术后脊柱的即刻稳定性。