CN109984840A - 短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型及方法 - Google Patents

短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109984840A
CN109984840A CN201910306489.8A CN201910306489A CN109984840A CN 109984840 A CN109984840 A CN 109984840A CN 201910306489 A CN201910306489 A CN 201910306489A CN 109984840 A CN109984840 A CN 109984840A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fracture
model
score
nail
schanz
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910306489.8A
Other languages
English (en)
Inventor
杨圣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN201910306489.8A priority Critical patent/CN109984840A/zh
Publication of CN109984840A publication Critical patent/CN109984840A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/101—Computer-aided simulation of surgical operations
    • A61B2034/105—Modelling of the patient, e.g. for ligaments or bones
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/108—Computer aided selection or customisation of medical implants or cutting guides

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)

Abstract

一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型，其包括利用扫描及有限元分析创建软件获得的虚拟的正常成人的骨折椎体及其上下临近的两节椎体，其中骨折椎体设置为中度和/或重度骨折椎体，且在上下临近的两节椎体内虚拟设置短节段椎弓根钉或Schanz钉。模型构建基于LSC评分方式，中度骨折LSC得分5‑6分，具体表现为椎体前缘压缩45％，得分2分；伤椎后凸矫正角(the amount of kyphotic correction)为6°得分2分，骨折波及范围及碎骨移位得分1‑2分；重度骨折LSC得分≥7分，具体表现为椎体前缘压缩65％得分3分，伤椎后凸矫正角(the amount of kyphotic correction)为12°得分3分，骨折波及范围及碎骨移位得分1‑3分。本发明建立了一种具有客观量化指标为基础的模型，即一种规范性模型，有可重复性，简单易行。应用前景广泛。

Description

短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型及 方法
技术领域
本发明属于椎体骨折后的模拟分析技术领域，尤其涉及为一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型及方法；具体为一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型及方法。
背景技术
胸腰段脊椎骨折是临床上最常见的脊柱损伤，稳定型胸腰段脊椎骨折采取保守治疗，不稳定型骨折则需手术治疗，目前有前路、后路和前后路联合等多种方法。目前手术方法治疗会选用短节段椎弓根钉或Schanz钉棒进行治疗。
短节段(临近上下椎)椎弓根钉固定具有创伤小、出血少、对临近节段干扰少的优点而得到越来越多的应用，但在LSC≥7分的重度(不稳定)骨折时，固定后的钉棒断裂和/或松动、伤椎再塌陷、后凸复发等并发症制约了此方法的应用。
而Schanz钉棒的‘][’形与腰椎后柱的‘蝴蝶形’结构类似，使Schanz钉固定治疗胸腰段脊椎骨折后无钉棒断裂，但它仍然有术后伤椎再塌陷的弊病，且存在结合Schanz钉棒系统在安放时较常规椎弓根钉棒繁琐的缺点。
手术时选用何种的固定钉及进钉方法会因为患者的情况不同，会有所差别，医生只能根据临床经验进行分析得到一个优选的解决方案；但临床经验的主观性强，不利于得到一个客观的治疗手段。
而目前的有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
目前利用有限元分析方法建立分析模型的方法及模型随机性强，是不同研究者的研究结果间不能形成有效的对比，而使很多研究因为研究样本的数量少及研究结果的独特性而不能进行有效对比，而使不同研究者间的研究因为特殊性而不具备对比性，而没有广泛的临床意义及借鉴意义。
如何建立供有限元分析的模型及统一的分析方法，可以在未来为所有/相关临床研究者提供统一的有限元分析模型及分析方法，使所有的针对胸腰椎骨折的研究都变得统一，数据更加具有相互的借鉴意义，最终能找到普适性的规律来应用于临床。针对性的对胸腰段脊椎骨折的治疗手段进行分析，是获得客观数据的一个十分有意义，一旦建立一套有效的分析手段，可以为临床提供有效治疗手段，还可以针对个体进行针对性的模型构建及分析，更加精确的获得有效的治疗手段的方法，减少因患者特殊性而出现的治疗误差。
目前临床研究的有限元模型多是研究者根据自己的需要设定的，无统一的分析模型，相互间结果无法相互借鉴分析差等问题，提供一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型及方法。
发明内容
本发明提供一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型及方法。
一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型，其包括利用扫描及有限元分析创建软件获得的虚拟的正常成人的骨折椎体及其上下临近的两节椎体，其中骨折椎体设置为中度和/或重度骨折椎体，且在上下临近的两节椎体内虚拟设置短节段椎弓根钉或Schanz钉。
进一步，骨折椎体为腰椎椎体模型；
进一步，骨折椎体为腰1椎椎体模型；
进一步，所述短节段椎弓根钉与Schanz钉采用平行置钉与下斜置钉。
进一步，下斜置钉的角度范围为0-15度置钉。
进一步，短节段椎弓根钉与连接棒呈”‖”形连接；(b)Schanz椎弓根螺钉与连接棒呈““][”形连接。
进一步，中度骨折LSC得分5-6分，具体表现为椎体前缘压缩45％，得分2分；伤椎后凸矫正角(the amount ofkyphotic correction)为6°得分2分，骨折波及范围及碎骨移位得分1-2分；
进一步，重度骨折LSC得分≥7分，具体表现为椎体前缘压缩65％得分3分，伤椎后凸矫正角(the amount ofkyphotic correction)为12°得分3分，骨折波及范围及碎骨移位得分1-3分。
进一步，伤椎骨质缺损区上层保留15％骨质便于分析，中度骨折缺损区高度占椎体总高度的30％，后凸矫正角6°，重度骨折缺损区高度占椎体总高度的50％，后凸矫正角12°。
进一步，中度与重度骨折椎体模型在利用短节段椎弓根钉和Schanz钉固定后椎体高度获得＞90％的复位。
进一步，中度与重度骨折椎体模型在利用短节段椎弓根钉和Schanz钉固定后椎体高度获得100％的复位。
进一步，各椎体模型都由皮质骨、松质骨和终板组成，皮质骨、终板厚度均为1mm。
进一步，椎间盘由髓核和纤维环组成，髓核体积约占30％。
进一步，椎体与相邻椎间盘之间为绑定关系；关节突关节软骨厚度为0.3mm，上、下关节突软骨以摩擦方式接触，摩擦系数为0.1。
进一步，模拟了7种椎旁韧带：前纵韧带(Anterior longitudinal ligament)、后纵韧带(Posterior longitudinal ligament)、黄韧带(Ligamentum flavum)、棘间韧带(Interspinous ligament)、棘上韧带(Supraspinous ligament)、关节囊韧带(Capsularligament)和横突间韧带(Intertransverse ligament)。
进一步，完整的正常T12-L2节段模型包括98477±17964个单元和28567±3737个节点。
进一步，有限元软件为Abaqus CAE 6.13。
本发明还公开了一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折模型的构建方法，首先利用Philips 64排螺旋CT以0.75mm层厚进行连续扫描，获得DICOM格式文件。
其次，利用MIMICS 17.0、Geomagic studio 2013和Hypermesh 13.0等软件创建有限元模型。
本发明还公开了一种有限元分析短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的方法，对各组螺钉应力和L1椎体的位移进行分析。
1)分别模拟前屈纯扭矩5Nm、10Nm、15Nm；
2)前屈扭矩10Nm和垂直载荷150N、350N、500N；
3)屈伸、侧弯、旋转扭矩10Nm和垂直载荷350N。
现有技术缺乏有效的分析模型，本发明建立一种规范化，量化，可重复的胸腰椎骨折椎弓根钉复位固定后模型；即一种规范性模型，有可重复性，简单易行。2.能对比分析两种椎弓根钉棒应力，验证钉棒结构差异是其承受应力不同的重要因素。应用前景广泛，模型建立后能对多个模型进行对比分析，结果客观性更佳。同种模型的不同研究中心的结果能进行对比，既往模型不一致则不能直接对比。借助LSC标准，无需重新建立或进行模拟骨折载荷评分是否可靠的验证。
附图说明
图1为一名46岁男性不稳定腰1椎骨折患者接受椎弓根螺钉内固定后的CT扫描图，白色箭头显示骨缺损区域。(a)术后3天的矢状位CT扫描显示椎体高度和椎体前中部骨缺损区域恢复情况。(b)术后3天的轴位CT扫描显示椎体前中部骨缺损情况。
图2为复位后L1骨折的侧面观图。(a)中度骨折复位后，空化区上部椎体高度(AUVH)、空化区前缘高度(ADH)和空化区下部椎体高度的高度(ALVH)占总椎体高度比例分别为15％、30％和55％。后凸校正角为6°。(b)重度骨折复位后，AUVH、ADH和ALVH分别占15％、50％和35％。后凸矫正角为12°。
图3为L1骨折内固定模型。(a)短节段椎弓根钉的后前视图。连杆之间有横向接头。短节段椎弓根钉的与连接棒呈‘‖’形连接，正常腰椎后柱呈“蝶”形连接。(b)Schanz椎弓根螺钉后前视图。上位和下位Schanz椎弓根螺钉与连接棒呈““][”形连接。(c)中度骨折矢状位。后凸矫正角度为6°，空化区前缘高度(ADH)占整个椎体的30％。(d)不稳定骨折矢状位。后凸矫正角度为12°，空化区前缘高度(ADH)占整个椎体的50％。
图4为10Nm前屈扭矩下加载不同垂直载荷时的应力云图，红色为应力最大值。(a)短节段椎弓根钉加上150N；最大应力为508.9MPa；(b)短节段椎弓根钉加上350N时，最大应力为746.8MPa；(c)短节段椎弓根钉在加垂直载荷500N时，最大应力为925.2MPa；(d)Schanz椎弓根螺钉加上150N时，最大应力为403.1Mpa；(e)Schanz椎弓根螺钉加上350N时，最大应力为592.5Mpa；(f)Schanz椎弓根螺钉加上500N时，最大应力为734.8MPa。
图5为扭矩10Nm和垂直载荷350N模拟前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转活动时的螺钉应力。(a)每组上螺钉的最大应力；上螺钉前屈时应力最大，UC组应力高于疲劳阈值。(b)每组下螺钉的最大应力，每组下螺钉的最大应力低于疲劳阈值。中度骨折常规椎弓根钉(MC)、中度骨折Schanz钉(MS)、重度骨折常规椎弓根钉(SC)、重度骨折Schanz钉(SS)。
图6为10Nm前屈扭矩结合垂直载荷时L1的轴向位移云图，红色为向上位移最大处，蓝色为向下位移最大处。最大位移发生在空化区上部椎体(AUVH)的位移。正值表示向上位移，负值表示向下位移。(a)短节段椎弓根钉加上10Nm+150N时，最大位移为-3.979mm。(b)短节段椎弓根钉加上垂直载荷350N.时，最大位移为-5.837mm。(c)短节段椎弓根钉加上垂直载荷500N时，最大位移为-7.231mm。(d)Schanz椎弓根螺钉加上垂直载荷150N.时，最大位移为-4.158mm。(e)Schanz椎弓根螺钉加上垂直载荷350N时，最大位移为-6.096mm。(f)当加上垂直载荷500N时，Schanz椎弓根螺钉的最大位移为-7.552mm。
图7为扭矩10Nm和垂直载荷350N模拟前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转活动时的L1最大轴向位移。每组最大轴向位移为前屈时最大，随后是侧弯及旋转，最后是后伸。
图8为实施例1与实施例2中水平置钉与0度、5度、15度下斜置钉的模型结构示意图；(a)为水平置钉模型结构；(b)为向下倾斜5度置钉模型结构；(c)为向下倾斜10度置钉模型结构；(d)为向下倾斜15度置钉模型结构。
具体实施方式
实施例1一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型
一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型，其包括利用扫描及有限元分析创建软件获得的虚拟的正常成人的骨折腰1椎椎体及其上下临近的两节椎体，其中骨折椎体设置为中度和/或重度骨折椎体，且在上下临近的两节椎体内虚拟设置短节段椎弓根钉或Schanz钉。短节段椎弓根钉的上、下螺杆呈“蝶”形连接；(b)Schanz椎弓根螺钉的上下螺杆呈““][”
形连接。
短节段椎弓根钉与Schanz钉采用平行置钉的模拟方式。
中度骨折LSC得分5-6分，具体表现为椎体前缘压缩45％，得分2分；伤椎后凸矫正角(the amount of kyphotic correction)为6°得分2分，骨折波及范围及碎骨移位得分1-2分；伤椎骨质缺损区上层保留15％骨质便于分析，中度骨折缺损区高度占椎体总高度的30％，后凸矫正角6°，重度骨折缺损区高度占椎体总高度的50％，后凸矫正角12°。重度骨折LSC得分≥7分，具体表现为椎体前缘压缩65％得分3分，伤椎后凸矫正角(the amount ofkyphotic correction)为12°得分3分，骨折波及范围及碎骨移位得分1-3分。
中度与重度骨折椎体模型在利用短节段椎弓根钉和Schanz钉固定后椎体高度获得＞90％的复位。
中度与重度骨折椎体模型在利用短节段椎弓根钉和Schanz钉固定后椎体高度获得100％的复位。
各椎体模型都由皮质骨、松质骨和终板组成，皮质骨、终板厚度均为1mm。
椎间盘由髓核和纤维环组成，髓核体积约占30％。
椎体与相邻椎间盘之间为绑定关系；关节突关节软骨厚度为0.3mm，上、下关节突软骨以摩擦方式接触，摩擦系数为0.1。
模拟了7种椎旁韧带：前纵韧带(Anterior longitudinal ligament)、后纵韧带(Posterior longitudinal ligament)、黄韧带(Ligamentum flavum)、棘间韧带(Interspinous ligament)、棘上韧带(Supraspinous ligament)、关节囊韧带(Capsularligament)和横突间韧带(Intertransverse ligament)。
完整的正常T12-L2节段模型包括98477±17964个单元和28567±3737个节点。
实施例2一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型
一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型，其包括利用扫描及有限元分析创建软件获得的虚拟的正常成人的骨折腰1椎椎体及其上下临近的两节椎体，其中骨折椎体设置为中度和/或重度骨折椎体，且在上下临近的两节椎体内虚拟设置短节段椎弓根钉或Schanz钉。短节段椎弓根钉的上、下螺杆呈“蝶”形连接；(b)Schanz椎弓根螺钉的上下螺杆呈““][”形连接。
短节段椎弓根钉与Schanz钉采用下斜置钉。下斜置钉的角度分别为5度，10度，15度置钉。
中度骨折LSC得分5-6分，具体表现为椎体前缘压缩45％，得分2分；伤椎后凸矫正角(the amount of kyphotic correction)为6°得分2分，骨折波及范围及碎骨移位得分1-2分；伤椎骨质缺损区上层保留15％骨质便于分析，中度骨折缺损区高度占椎体总高度的30％，后凸矫正角6°，重度骨折缺损区高度占椎体总高度的50％，后凸矫正角12°。重度骨折LSC得分≥7分，具体表现为椎体前缘压缩65％得分3分，伤椎后凸矫正角(the amount ofkyphotic correction)为12°得分3分，骨折波及范围及碎骨移位得分1-3分。
中度与重度骨折椎体模型在利用短节段椎弓根钉和Schanz钉固定后椎体高度获得＞90％的复位。
中度与重度骨折椎体模型在利用短节段椎弓根钉和Schanz钉固定后椎体高度获得100％的复位。
各椎体模型都由皮质骨、松质骨和终板组成，皮质骨、终板厚度均为1mm。
椎间盘由髓核和纤维环组成，髓核体积约占30％。
椎体与相邻椎间盘之间为绑定关系；关节突关节软骨厚度为0.3mm，上、下关节突软骨以摩擦方式接触，摩擦系数为0.1。
模拟了7种椎旁韧带：前纵韧带(Anterior longitudinal ligament)、后纵韧带(Posterior longitudinal ligament)、黄韧带(Ligamentum flavum)、棘间韧带(Interspinous ligament)、棘上韧带(Supraspinous ligament)、关节囊韧带(Capsularligament)和横突间韧带(Intertransverse ligament)。
完整的正常T12-L2节段模型包括98477±17964个单元和28567±3737个节点。
实施例1一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的有限元模型的有效性验证
1材料和方法
本发明涉及研究得到了大连大学附属中山医院伦理委员会的批准。参加实验的8名志愿者均签署了书面知情同意书。7名男性和1名女性，年龄为26.75±2.55岁，身高为174.63±5.26cm，体重为74.88±7.86kg。
2.1创建有限元模型
2.1.1正常T12-L2模型
利用Philips 64排螺旋CT以0.75mm层厚进行连续扫描，获得DICOM格式文件。使用MIMICS 17.0、Geomagic studio 2013和Hypermesh 13.0等软件创建有限元模型。椎体由皮质骨、松质骨和终板组成，皮质骨、终板厚度均为1mm。椎间盘由髓核和纤维环组成，髓核体积约占30％。椎体与相邻椎间盘之间为绑定关系。关节突关节软骨厚度为0.3mm，上、下关节突软骨以摩擦方式接触，摩擦系数为0.1。模拟7种椎旁韧带：前纵韧带(Anteriorlongitudinal ligament)、后纵韧带(Posterior longitudinal ligament)、黄韧带(Ligamentum flavum)、棘间韧带(Interspinous ligament)、棘上韧带(Supraspinousligament)、关节囊韧带(Capsular ligament)和横突间韧带(Intertransverseligament)。模型的材料和属性，详见表1。完整的正常T12-L2节段模型包括98477±17964个单元和28567±3737个节点。
表1.本文研究中有限元模型的材料与性能
2.1.2内固定模型
短节段椎弓根钉直径为6.5mm，连接棒直径为6mm，横连杆宽×高为3×4mm，Schanz椎弓根钉直径为6.2mm，连接棒直径为6mm。以Roy-camille方法平行上终板置钉，置钉深度参照作者方法为80％【16】，以共节点的绑定接触关系替代螺纹。
采用与Liu【25】等相似的方法，通过在正常模型基础上等效去除前中柱部分模拟第1腰椎的A型骨折。L1骨折术后侧位：椎体前后缘均为100％复位，椎体上部保留15％骨质，骨折处设定为前宽后窄的类三角形空化区域，三角形前边为椎体前缘，上边为平行于L1椎体上终板的横切面，下边为前低后高的斜形切面。
骨折按严重程度分为两种：中度骨折，复位前椎体前缘高度压缩了45％，复位后空化区前边上、下顶点分别为椎体前缘由上到下15％和45％高度处，空化区前缘高度占椎体前缘高度的30％，后凸矫正度(kyphotic correction)为6°，椎体后壁连续；重度骨折，复位前椎体前缘高度压缩了65％，复位后空化区前边上、下顶点分别为椎体前缘由上到下15％和65％高度处，空化区前缘高度占椎体前缘高度的50％，后凸矫正度(kyphoticcorrection)为12°，椎体后壁连续性中断(上层骨质不受力)。骨折示意图见图1。
骨折固定模型分为4组：中度骨折常规椎弓根钉(MC)、中度骨折Schanz钉(MS)、重度骨折常规椎弓根钉(SC)、重度骨折Schanz钉(SS)。M-C组含有225641±21829个单元和51341±4691个节点，M-S组含有211547±21781个单元和48059±4668个节点，S-C组含有223658±21518个单元和50975±4643个节点，S-S组含有209548±21499个单元和47691±4622个节点。中度与重度骨折椎体模型如图2所示，完整的固定模型如图3所示。
2.2有限元分析
在L2椎体下表面建立约束，使其完全固定，根据以往的研究在T12椎体上表面分别施加以下载荷【26.27.28.29】，并利用有限元软件Abaqus CAE 6.13对各组螺钉应力和L1椎体的位移进行分析：
前屈纯扭矩5Nm、10Nm、15Nm；
前屈扭矩10Nm和垂直载荷150N、350N、500N；
屈伸、侧弯、旋转扭矩10Nm和垂直载荷350N。
2.3统计分析
所有数据使用软件SPSS 20.0进行统计分析。骨折程度相同时，常规椎弓根固定模型和Schanz钉固定模型之间使用配对样本t检验，固定方式相同时，中、重度骨折模型之间使用独立样本t检验。以p<0.05作为统计标准，结果以均值±标准差表示。
3结果
3.1有限元模型的有效性验证
在7.5Nm纯扭矩和10Nm扭矩加150N重力载荷的工况下，本实验正常T12-L2模型的T12/L1和L1/L2在前屈、后伸、左右侧弯和轴向旋转时的关节活动度与Panjabi等【30】和Yamamoto等【31】的均相似。
骨折固定模型中，短节段椎弓根钉长度为46.7±3.2mm，Schanz椎弓根螺钉长度为47.0±3.7mm，二者长度之间无明显差异(配对样本t检验，p＝0.33)。有效性验证成立。
3.2椎弓根螺钉应力
椎弓根钉的疲劳阈值为550MPa、屈服(变形)阈值869MPa和极限(断裂)阈值为924MPa。
3.2.1前屈纯扭矩或前屈扭矩加垂直载荷
前屈纯扭矩或前屈扭矩加垂直载荷时，如图4，各组模型最大应力均集中在上位螺钉根部，且随扭矩和载荷的增加而加大(见表2)。鉴于各组下位螺钉应力均低于阈值，故未提供具体数值。
表2.前屈纯扭矩或前屈扭矩加垂直载荷时的上位螺钉最大应力(MPa)
*M-C与M-S对比，S-C与S-S对比，p<0.05。#M-C与S-C对比，M-S与S-S对比，p<0.05。
前屈纯扭矩5Nm、10Nm、15Nm时，各组螺钉最大应力值均在疲劳阈值以下。前屈扭矩10Nm结合垂直载荷150N、350N、500N时，中度骨折M-C、M-S组的螺钉最大应力均低于疲劳阈值。10Nm和150N时，重度骨折S-C和S-S组的螺钉最大应力低于疲劳阈值。10Nm和350N时，S-C组螺钉最大应力比疲劳阈值高100Mpa左右，S-S组接近疲劳阈值。10Nm和500N时，S-C组为883.83±52.82MPa，高于屈服阈值，接近断钉阈值，而S-S组为661.3±53.47MPa，高于疲劳阈值，但低于屈服阈值。
骨折程度相同时，常规钉(M-C/S-C)的上位螺钉最大应力应力均比Schanz钉(M-S/S-S)的大(p<0.05)。同种固定时，重度骨折(S-C/S-S)上位螺钉最大应力比M-C、M-S组大(p<0.05)。
3.2.2屈伸、侧弯、旋转扭矩10Nm结合垂直载荷350N(图5)
前屈时应力最大，侧弯及旋转时次之，后伸时最小。前屈时，各组上位螺钉受力情况如上所述。侧弯、旋转和后伸时，各组上位螺钉最大应力均低于疲劳阈值。在各种工况中，各组下位螺钉最大应力均低于疲劳阈值。
在侧弯和旋转活动时，骨折程度相同的常规钉(M-C/S-C)上位螺钉最大应力比Schanz钉(M-S/S-S)大(p<0.05)，固定方式相同时，重度骨折上位螺钉最大应力比中度骨折大(p<0.05)。
后伸时，骨折程度相同的Schanz钉(M-S/S-S)上位螺钉最大应力比常规钉(M-C/S-C)大(p<0.05)；S-C组上位螺钉最大应力比M-C组大(p<0.05)，而M-S组与S-S组之间无明显差异(p>0.05)。
3.3正常模型L1椎体位移
纯前屈扭矩或前屈扭矩加垂直载荷时，正常T12-L2模型的伤椎在Z轴方向的最大位移(轴向位移)集中在椎体的前缘，其具体结果如表3所示。
表3.前屈纯扭矩或前屈扭矩结合垂直载荷时正常模型L1的最大轴向位移(mm)
负值表示位移向下。
3.4复位后伤椎(第一腰椎)椎体位移(表4)
在各种工况中伤椎椎体的最大轴向位移(绝对值)均集中在空化区上部椎体前缘。
3.4.1前屈纯扭矩或前屈扭矩加垂直载荷
如图6，前屈时伤椎空化区上部椎体向下位移，而空化区下部椎体向上位移，即为以空化区为中心的‘内聚’位移，此种位移随扭矩和(或)载荷增加而加大，具体请见表4和表5。
Table 4.前屈纯扭矩或前屈扭矩结合垂直载荷时的L1上部椎体最大轴向位移(mm)
*M-C与M-S对比，S-C与S-S对比，p<0.05。#M-C与S-C对比，M-S与S-S对比，p<0.05。负值表示位移方向向下。
表5.前屈纯扭矩或前屈扭矩结合垂直载荷时的L1下部椎体最大轴向位移(mm)
*M-C与M-S对比，S-C与S-S对比，p<0.05。#M-C与S-C对比，M-S与S-S对比，p<0.05。正值表示位移方向向上。
在纯扭矩前屈时，骨折程度相同的Schanz钉的M-S、S-S组模型的空化区上部椎体轴向位移比常规钉的M-C、S-C组大(p<0.05)，前屈扭矩加垂直载荷时除在10Nm和150N时上述位移无明显差异外(p>0.05)，其余的位移均为Schanz钉的大(p<0.05)。固定方式相同时，重度骨折(S-C/S-S)空化区上部椎体轴向位移大于中度骨折的(M-C/M-S)(p<0.05)。两种固定后空化区下部位移与空化区上部位移类似。
3.4.2扭矩10Nm加垂直载荷350N时L1(伤椎)在屈伸、侧弯、旋转时位移情况(图7)
各种工况中的伤椎位移，以空化区上部椎体的位移最明显，前屈时位移值最大，侧弯及旋转时次之，后伸时最小。
在侧弯、旋转和后伸活动中，骨折程度相同的Schanz钉(M-S/S-S组)的伤椎体最大轴向位移比常规钉的(M-C/S-C组)大(p<0.05)，固定方式相同时，重度骨折的(S-C/S-S组)伤椎最大轴向位移比中度骨折(M-C/M-S组)的大(p<0.05)，但后伸时差异不明显(P>0.05)。
上述实施例的说明只是用于理解本发明。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进，这些改进也将落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型，其包括其包括利用扫描及有限元分析创建软件获得的虚拟的正常成人的骨折椎体及其上下临近的两节椎体，其中骨折椎体设置为中度和/或重度骨折椎体，且在上下临近的两节椎体内虚拟设置短节段椎弓根钉或Schanz钉。
2.根据权利要求1所述的模型，其特征在于，短节段椎弓根钉与Schanz钉采用平行置钉与下斜置钉。
3.根据权利要求2所述的模型，其特征在于，下斜置钉的角度范围为0-15度置钉。
4.根据权利要求1所述的模型，其特征在于，中度骨折模型LSC得分5-6分，具体表现为椎体前缘压缩45％，得分2分；伤椎后凸矫正角(the amount of kyphotic correction)为6°得分2分，骨折波及范围及碎骨移位得分1-2分；重度骨折模型LSC得分≥7分，具体表现为椎体前缘压缩65％得分3分，伤椎后凸矫正角(the amount ofkyphotic correction)为12°得分3分，骨折波及范围及碎骨移位得分1-3分。
5.根据权利要求1所述的模型，其特征在于，伤椎骨质缺损区上层保留15％骨质，中度骨折缺损区高度占椎体总高度的30％，后凸矫正角6°，重度骨折缺损区高度占椎体总高度的50％，后凸矫正角12°。
6.根据权利要求5所述的模型，其特征在于，中度与重度骨折椎体模型在利用短节段椎弓根钉和Schanz钉固定后椎体高度获得＞90％的复位。
7.根据权利要求1所述的模型，其特征在于，中度与重度骨折椎体模型在利用短节段椎弓根钉和Schanz钉固定后椎体高度获得100％的复位。
8.根据权利要求2所述的模型，其特征在于，各椎体模型都由皮质骨、松质骨和终板组成，皮质骨、终板厚度均为1mm。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的模型，其特征在于，椎间盘由髓核和纤维环组成，髓核体积约占30％。
10.根据权利要求9所述的模型，其特征在于，椎体与相邻椎间盘之间为绑定关系；关节突关节软骨厚度为0.3mm，上、下关节突软骨以摩擦方式接触，摩擦系数为0.1。
CN201910306489.8A 2019-04-17 2019-04-17 短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型及方法 Pending CN109984840A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910306489.8A CN109984840A (zh) 2019-04-17 2019-04-17 短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910306489.8A CN109984840A (zh) 2019-04-17 2019-04-17 短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109984840A true CN109984840A (zh) 2019-07-09

Family

ID=67133878

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910306489.8A Pending CN109984840A (zh) 2019-04-17 2019-04-17 短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109984840A (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130123850A1 (en) * 2011-08-31 2013-05-16 Biomet Manufacturing Corp. Patient-specific sacroiliac and pedicle guides
CN104240298A (zh) * 2014-09-10 2014-12-24 同济大学 基于医学图像数据liss-df治疗股骨远端骨折的三维有限元模型的构建方法
CN104224306A (zh) * 2014-09-30 2014-12-24 华蓥市人民医院 利用三维建模寻找置入椎弓根螺钉最佳入点的方法
CN105581832A (zh) * 2016-02-26 2016-05-18 张朝跃 个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定及制备方法
EP3120797A2 (en) * 2015-07-22 2017-01-25 Techno Design S.r.l. Method for identifying the optimal direction and maximum diameter of a pedicle screw
US20180116727A1 (en) * 2016-11-02 2018-05-03 Rochester Institute Of Technology Method and fixture for guided pedicle screw placement

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130123850A1 (en) * 2011-08-31 2013-05-16 Biomet Manufacturing Corp. Patient-specific sacroiliac and pedicle guides
CN104240298A (zh) * 2014-09-10 2014-12-24 同济大学 基于医学图像数据liss-df治疗股骨远端骨折的三维有限元模型的构建方法
CN104224306A (zh) * 2014-09-30 2014-12-24 华蓥市人民医院 利用三维建模寻找置入椎弓根螺钉最佳入点的方法
EP3120797A2 (en) * 2015-07-22 2017-01-25 Techno Design S.r.l. Method for identifying the optimal direction and maximum diameter of a pedicle screw
CN105581832A (zh) * 2016-02-26 2016-05-18 张朝跃 个性化脊柱后路椎弓根钉棒系统弹性模量确定及制备方法
US20180116727A1 (en) * 2016-11-02 2018-05-03 Rochester Institute Of Technology Method and fixture for guided pedicle screw placement

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M.AEBI，等: "《AO ASIF脊柱内固定》", 31 July 2000, 人民卫生出版社 *
吕胜江,等: "椎弓根单向螺钉及万向螺钉置入内固定修复腰椎骨折的生物力学比较", 《中国组织工程研究》 *
张卫超,等: "伤椎单侧椎弓根置钉治疗轻中度不稳定胸腰椎骨折的效果", 《中国医药导报》 *
杨少伟: "寰枢椎SCHANZ钉棒复位固定系统的研制及生物力学研究和初步临床评估", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 医药卫生科技辑》 *
杨少伟: "寰枢椎SCHANZ钉棒复位固定系统的研制及生物力学研究和初步临床评估", 《医药卫生科技辑》 *
苏晋,等: "椎板不同切除范围对腰椎生物力学影响的有限元分析", 《生物医学工程学杂志》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Harrison et al. Elliptical modeling of the sagittal lumbar lordosis and segmental rotation angles as a method to discriminate between normal and low back pain subjects
Natarajan et al. Biomechanical analysis of a long-segment fusion in a lumbar spine—a finite element model study
Peng et al. Optimizing bone cement stiffness for vertebroplasty through biomechanical effects analysis based on patient-specific three-dimensional finite element modeling
Más et al. Finite element simulation and clinical follow-up of lumbar spine biomechanics with dynamic fixations
Lasswell et al. Incorporating ligament laxity in a finite element model for the upper cervical spine
Fan et al. Biomechanical analysis of lumbar interbody fusion supplemented with various posterior stabilization systems
Dai et al. Biomechanical comparison between unilateral and bilateral percutaneous vertebroplasty for osteoporotic vertebral compression fractures: A finite element analysis
Liu et al. Biomechanical effects of USS fixation with different screw insertion depths on the vertebrae stiffness and screw stress for the treatment of the L1 fracture
Liu et al. The effect of screw tunnels on the biomechanical stability of vertebral body after pedicle screws removal: a finite element analysis
Wang et al. Biomechanical comparison of ponte osteotomy and discectomy
Zhang et al. Biomechanical effects of a novel anatomic titanium mesh cage for single-level anterior cervical corpectomy and fusion: a finite element analysis
Shujie et al. Does disc space height of fused segment affect adjacent degeneration in ALIF? A finite element study
Kahaer et al. Biomechanical Investigation of the Posterior Pedicle Screw Fixation System at Level L4‐L5 Lumbar Segment with Traditional and Cortical Trajectories: A Finite Element Study
Wang et al. Anterior selective lumbar fusion saving more distal fusion segments compared with posterior approach in the treatment of adolescent idiopathic scoliosis with Lenke type 5: a cohort study with more than 8‐year follow‐up
CN109984840A (zh) 短节段椎弓根钉与Schanz钉模拟治疗胸腰椎骨折的模型及方法
Yang et al. Unilateral pedicle screw fixation of lumber spine: A safe internal fixation method
Rohlmann et al. Effect of different surgical strategies on screw forces after correction of scoliosis with a VDS implant
Sun et al. Biomechanical analysis of customized cage conforming to the endplate morphology in anterior cervical discectomy fusion: A finite element analysis
Wang et al. Biomechanical evaluation of a novel individualized zero-profile cage for anterior cervical discectomy and fusion: a finite element analysis
Ye et al. Biomechanical evaluation of lumbar spondylolysis repair with various fixation options: A finite element analysis
Guo et al. Effect of ACDF combined with different degrees of partial resection of uncovertebral joints on cervical stability and degeneration: a three-dimensional finite element analysis
Zhang et al. Biomechanical performance of the novel assembled uncovertebral joint fusion cage in single-level anterior cervical discectomy and fusion: a finite element analysis
Xiu et al. Biomechanical study of space frame structure based on bone cement screw
Liu et al. Clinical results of utilizing the satellite rod technique in treating ankylosing spondylitis kyphosis
Zhao et al. Biomechanical Effects of Multi‐segment Fixation on Lumbar Spine and Sacroiliac Joints: A Finite Element Analysis

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190709