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椎体后凸成形对邻近节段力学影响的有限元分析
发布者:LiWWZXB 发布时间:2010年9月9日 来源:CRTER |
《中国组织工程研究与临床康复》杂志2010年8月发表了来自首都医科大学附属北京友谊医院骨科费琦作者的文章“椎体后凸成形对邻近节段力学影响的有限元分析”,利用MIMICS软件对1例T12压缩骨折椎体后凸成形术前后的CT图片进行预处理,后导入ABAQUS软件中建立T10~L2的三维有限元模型,评价椎体后凸成形术对骨折相邻椎体生物力学的影响。探索了椎体后凸成形术后邻近椎体发生骨折的可能原因,为阐明椎体后凸成形术后邻近椎体发生骨折的可能原因提供了有力的线索。
△实验中的操作方法:
对CT图像进行三维重建:用交互式医学图像控制系统MIMICS软件10.01对CT图片进行预处理和三维重建。将图像数据以DICOM格式导入MIMICS软件,将T10~L2节段的二维数据重建为体数据。本文把每一个椎体都作为单独的实体区分出来,模型均通过图像分割的方法获得。 将面网格三维模型输出到ABAQUS软件中转化为体网格三维模型:经过MIMICS中的FEA模块对所研究的手术前后3D模型优化并划分面网格后,在ABAQUS 6.8前处理器中利用Mesh工具将面网格模型转化为体网格模型。 定义材料及截面属性:在ABAQUS中根据以往文献对骨质疏松椎体的生物力学研究对椎体的皮质骨、松质骨、软骨终板、椎弓根&横突&棘突&椎板(简化处理为后部结构)、椎间盘的纤维环和髓核分别定义材料和截面属性,因为患者为老年女性,椎间盘已严重退行性变(退变),故模型中将椎间盘材料定义为退变。 组装模型:按照人体脊椎的实际解剖结构在ABAQUS组装各个模型单元,见图2,同时补充前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、黄韧带、关节囊韧带、横突间韧带等主要韧带,本文中参考以往文献以弹簧单元模拟上述韧带结构。同时定义上述韧带的材料属性。 定义接触及相互作用:本文主要选取“面-面”接触方式,按各部分在空间的相对位置组装好后,根据实际解剖情况定义接触面。上下椎体终板与椎间盘之间的接触定义为无相对位移的“tie”模式来处理,以上下终板为主面,椎间盘上下面为从面;PKP后骨水泥和T12椎体也定义为“tie”模式。上下小关节间的接触定义为有限滑动接触,摩擦系数为0.2,主面选取上关节面。 设定边界条件和载荷:本文假定L2椎体固定,故设定边界条件为L2椎体底部及后部结构底部固定,无任何方向的位移和旋转(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。由于人体在正常情况下直立站立时相当于对椎体垂直向下施加0.3 MPa的轴向压力,故为模拟椎体的正常站立、一般活动和突然跌倒等受力情况,在T10椎体的上终板逐步施加0.3,1.0,4.0 MPa轴向压力,观察不同载荷情况下力的分布情况。
△作者认为: 脊柱胸腰段是骨质疏松性椎体压缩骨折的好发部位,从生物力学角度研究椎体后凸成形术后邻近椎体发生骨折的可能原因具有重要意义,有限元方法对此有独特价值。课题利用有限元软件在国内首次对临床椎体后凸成形术实例建立了包括T12压缩骨折在内的4个脊柱运动单元的手术前后三维模型,模型不仅包括胸腰段脊柱的骨性部分,还添加了椎间盘和模拟了后方韧带结构,使得模型更加精确。同时课题还分析了在不同轴向载荷下椎体后凸成形术对邻近椎体的力学影响,从生物力学的角度探索了椎体后凸成形术后邻近椎体发生骨折的可能原因。
△值得他人借鉴的特点: 课题为从生物力学角度研究椎体后凸成形术后邻近椎体发生骨折的可能原因探索了一种新的研究方法。 由于实验的条件限制模型没有模拟脊柱附属的肌肉,且研究外力的加载都是单一瞬时的加载,而实际为多种受力的结果,可能对结果有一定的影响;课题为单一样本实验,实验结果有待于动物或尸体生物力学实验的进一步验证。 从生物力学原因探索了椎体后凸成形术后邻近椎体发生骨折的可能原因,为阐明椎体后凸成形术后邻近椎体发生骨折的可能原因提供了有力的线索。
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