椎管重建对腰椎活动度影响的有限元分析

椎管重建对腰椎活动度影响的有限元分析

来源：陈建民,徐院生,郭兴锋,黄伟谦,练仲华,蔡达威,赵建宁,刘国印.椎管重建对腰椎活动度影响的有限元分析[J].中国矫形外科杂志,2022,30(14):1287-1292.

摘要：[目的]比较椎板回植椎管重建内固定术对腰椎活动度范围（range of motion, ROM）的影响。[方法]分别建立腰椎L2～4三维有限元模型，包括正常模型组、椎板切除组、椎板回植H形钛板固定组（H形钛板组）、椎板回植L形钛板固定组（L形钛板组）和椎板回植两孔钛板固定组（两孔钛板组）。在L2椎体上施加10 N·m的应力，测量6种自由度下L2/3和L3/4节段ROM。[结果]总体方面，5组模型的6种自由度比较，L2/3ROM由大至小均依次为：左侧弯＞前屈＞右侧变＞后伸＞右旋＞左旋，L3/4为：前屈＞左侧弯＞右侧变＞后伸＞右旋＞左旋，总体差异均有统计学意义（P＜0.05）。6种自由度的五组模型比较，L2/3和L3/4的ROM由大至小均依次为：椎板切除组＞两孔钛板组＞ L形钛板组＞ H形钛板组＞正常模型组，总体差异均有统计学意义（P＜0.05）。左弯、右弯、左旋和右旋状态下，H形钛板的ROM显著小于L形钛板组和两孔钛板组（P＜0.05）。[结论]椎管重建可有效减少椎板切除所致的异常节段的活动度增加，且H形钛板固定重建椎管在抗弯曲和旋转时，其生物力学稳定性要优于L型和两孔钛板。

实验方法

1. 1 腰椎三维模型建立

健康成年男性志愿者 1 名 ， 30 岁 ，  身高 172 cm ，体重 75 kg ，CT 对腰椎行薄层扫描 ，数据导入 Mimics 17.0 软件中除噪 ，通过区域增长 ，光顺腰椎 各部分 ，填补小空隙 ，使椎体外的轮廓线光滑且连 续 ，建立人体腰椎的三维几何模型  (图 1a~1c)。 将 构建椎体信息通过 Geomagic Studio 逆向工程软件行 修补及优化 ，首先去除表面非特征性肿块和压痕并平 滑松弛表面 ，然后采取光顺平滑的曲面来拟合模型表 面三角面片 ，生成连续的曲面模型  (实体模型)，  最 后重建 L2~4  节段骨性结构的三维几何模型  (图 1d)。根据解剖在几何模型上增加 L2~4 椎间盘 、前纵和后纵 韧带、黄韧带、棘上和棘间韧带以及横突间韧带等结 构 ，形成完整的 L2~4 三维几何实体模型  (图 1e)。

1.2 腰椎手术有限元模型建立

切断 L2~4 之间的棘间和棘上韧带及椎板间黄韧带 ，在两侧关节突的内侧锯开椎板 ，建立全椎板切除 的三维有限元模型 (图 1f)。 完成椎管内手术模拟操 作之后 ，将棘突椎板复合体原位回植并应用内固定重 建椎管 ，修复棘突和椎板间韧带 ，保留回植棘突椎板 复合体韧带的完整性。根据椎板回植椎管重建方式的 不同分成单纯椎板切除组  (图 1f)、  H 形钛板组  (图 1g)、  L 形钛板组  (图 1h)  和两孔钛板组  (图 1i)。

1.3 有限元模型应力施加

对完整 L2~4 三维几何有限元实体模型和四种手术 模型施加相同的边界固定条件和生理载荷 。约束 L4 椎体节点三个方向运动的自由度 ，在 L2 椎体上施加 10 N · m 的纯力矩 ，模拟腰椎前屈、后伸、左弯、右 弯、左旋、右旋共 6 种自由度。施加载荷已证实为足 以 产 生 生 理 范 围 ROM ， 但 又 不 会 造 成 脊 柱 不 稳。通过计算 L2/3 和 L3/4 各节段 ROM 比较各内 固定对腰椎稳定性的影响。

1.4 测量指标

将上述正常腰椎材质参数的有限元模型与 Panja⁃ bi 等的腰椎生物力学研究施加相同的约束条件及 载荷 ，并行 6 种自由度下的 ROM 比较 ，经过反复修正相关组织结构 ，以验证其有效性。在完整 L2-4 有限元模型和 4 种手术模型中施加相 同的边界固定条件和生理载荷 ，模拟腰椎 6 种自由 度 ，采用 Panjabi 等所创立的双平面立体测量方法计算计算 L2/3 和 L3/4 节段在该 6 种自由度下的 ROM。相同自由度下 ，每种模型重复测量 3 次。

1.5 统计学方法

采用 SPSS 20.0 软件对数据进行统计学处理 ，计 量资料符合正态分布 ， 以 ±s 表示 ，组间比较采用单 因素方差分析 ，组间差异有统计学意义时 ，两两比较 采用 LSD 法。P<0.05 为差异有统计学意义。

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