有限元法分析老年骨质疏松患者L3/4椎板减压椎间融合的力学性能

张敏; 彭婧; 张强; 陈德旺

doi:10.12307/2023.796

摘要：背景:老年骨质疏松患者同时罹患高位腰椎间盘突出的发病人数逐年增加,行常规后入路椎板减压及椎间融合术后腰椎整体力学强度及邻近椎体的生物力学性能改变尚未明确.有限元分析方法以其无创、可重复性高、结果精确等优势在生物力学领域具有重要价值. 目的:基于有限元分析方法,针对老年骨质疏松患者的特定人群,建立L3/4椎板减压椎间融合的有限元模型,评估弯腰动作下骨骼内固定复合体的生物力学情况. 方法:利用Mimics 21.0提取脊柱CT的DICOM数据建立腰椎(T12-L5)三维骨性结构,导入Geomagic wrap 2017,通过重划网格、删除钉状物、剪切模型、填充空洞、探测并编辑轮廓线、构造曲面片及格栅、拟合曲面等操作建立L3/4全椎板减压模型.利用Solidworks 2017构建椎弓根螺钉、连接杆、椎间融合器,将其组装于L3/4全椎板减压模型,通过拉伸、等距曲面、移动与复制实体等操作建立椎间盘、关节突软骨等结构.应用ANSYS Workbench 17.0进行材料赋值、模拟脊柱韧带、网格划分、施加作用力及限定边界条件,建立完整骨质疏松性L3/4椎板减压及椎间融合脊柱有限元模型.观察弯腰工况下L3/4椎板减压及椎间融合全腰椎有限元模型的应力、应变及位移云图. 结果与结论:①应力云图方面:T12-L1椎体平均应力值最高,L2下降24%,L3下降55%,L4-5下降约80%;L4/5关节突区域应力集中程度最高,L2/3次之,L1/2及T12/L1程度轻;螺钉与连接杆交界处应力集中明显,螺钉在椎弓根进出口处次之;②应变与位移云图方面:L4/5及L2/3关节突的应变程度最高,T12/L1及L1/2的应变程度次之,L3/4节段融合器、椎弓根螺钉及连接杆无任何可见变形;各节段椎间盘均出现较大变形;③提示多软件协同操作可顺利构建老年骨质疏松性L3/4椎板减压及椎间融合脊柱有限元模型;老年腰椎术后患者可耐受前屈动作,证实L3/4椎板减压及椎间融合能够维持脊柱形态并保证脊柱稳定性,但是需警惕胸腰椎应力性骨折及邻椎病的发生.