地区：上海市 宝山区
关键词：马鞍山市人民医院
成果类型：其它
成果领域：生物与新医药
成果编号：A2021061000004041
成果描述：
| 项目内容：临床上时常出现腰椎螺钉内固定手术后断钉和断棒不良情况，给病人带来再次手术的痛苦和更多的花费，为了最大限度减少该种并发症，从力学疲劳的角度，在植入螺钉时就应当有最合理的位置和角度考量。该课题就是针对这个问题而设计的，其内容包括：根据腰椎CT薄层扫描图像，研究如何使用三维图像处理软件Mimics建立L4-S1的骨性结构数字模型，得出几何形态精确、解剖结构逼真的几何模型，并保证模型能顺利进行网格化以生成网格质量较高的实体单元。研究如何根据CT扫描中软组织的阈值来建立纤维环、髓核以及软骨终板，从而得到腰椎间盘的三维模型，在该基础上进一步生成包含椎间盘的L4-S1三维几何模型，并将该模型导入计算机辅助设计软件中。计算机辅助设计软件中研究如何根据腰椎内固定系统和椎间融合器的外形和大小分别建立椎弓根螺钉、螺帽、连杆以及椎间融合器的三维实体模型。研究如何在该软件中将各组件和L4-S1三维几何模型匹配，模拟后路腰椎椎板切除、椎间融合内固定手术，根据椎弓根钉置钉方法的不同分别建立三个腰椎术后三维几何模型。将生成的L4-S1三维几何模型导入ANSYS中进行单元和网格划分，根据各韧带（棘上韧带、棘间韧带、前纵韧带、后纵韧带以及黄韧带）的解剖特性以单元的形式进行模拟添加，根据各组织结构（皮质骨、松质骨、髓核、纤维环、终板和韧带）的弹性模量和泊松比定义材料特性，将椎间盘和韧带设置为非线性材料特性，生成腰椎三维有限元模型。生成的三个腰椎术后三维几何模型导入生物力学分析软件ANSYS中进行单元和网格划分，添加韧带结构，并对椎间融合器、内固定系统和腰椎各组织定义材料特性，并将椎间盘和韧带设置为非线性材料特性，即生成三个腰椎后路椎间融合内固定三维有限元模型。在生物力学分析软件ANSYS中研究脊柱在垂直站立、前屈、后伸、侧屈和旋转不同运动状态下，内固定材料应力分布情况，比较三种不同置钉方式下内固定材料应力分布差别及变化特点。实施过程：腰骶椎L4-S1节段三维重建：选用正常人体腰骶椎新鲜标本，通过薄层CT扫描获取保存断层扫描图像，并将扫描数据以Dicom格式导入医学图像三维重建软件Mimics（比利时Materialise公司），通过灰度阈值调整、区域分割处理后，重建腰骶椎L4-S1节段骨性结构三维模型。腰骶椎椎间融合内固定系统模型建立：根据厂家提供信息和实际测量尺寸，在CAD软件Pro/E中手工建立椎间融合椎弓根钉棒系统模型，然后以STL格式保存。L4-S1节段三维模型与椎弓根钉棒模型装配：将重建的腰骶椎L4-S1节段骨性结构模型和椎弓根钉棒模型以STL格式共同导入Freeform软件(美国Phantom公司)，对各模型进行表面光顺处理，并参照实际手术进行模拟装配，确定好各模型的相互位置关系后，对各个模型进行铺面处理，最终以IGES格式导出各模型结构。在该次实验中，依照固定钉在水平面上的不同角度分为三种固定方式分别装配，固定模型1：上下位螺钉水平位内置0°，矢状位与终板平行；固定模型2：上、下位螺钉水平位内置15°，矢状位与终板平行；固定模型3：上位钉内置0°矢状位上翘15°，下位螺钉内置0°，矢状位与终板平行。建立腰骶椎L4-S1节段正常有限元模型：将各结构模型以IGES格式导入有限元软件Ansys10.0，在骨性结构的基础上手工建立椎间盘（包括椎间盘基质和髓核两部分），网格划分以上实体结构后，补充椎间盘纤维环，并依据解剖位置增添完善前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带等韧带结构，然后定义上、下小关节间的接触关系，建立腰骶椎L4-S1节段正常有限元模型。建立腰骶椎L4-S1节段椎弓根钉固定加椎间融合有限元几何模型：在腰骶椎L4-S1节段正常有限元模型的基础上，参照临床实际情况，去除L5-S1椎间盘，按照确定的装配情况，建立三组椎弓根钉固定模型，在后路装配上L4-S1节段椎弓根钉棒系统，并在L5-S1椎间放置两块椎间融合器（CAGE）。为模拟手术后期固定效果，CAGE与上、下椎体终板间处理为融合关系。该项目根据腰椎置钉内倾角和矢状位上的角度不同，分别建立三个腰椎术后有限元模型，结果显示在前屈、后伸、左弯和左旋四种静载下，固定模型2组的各部分最大应力始终处于最低水平；对于钉棒结构和CAGE而言，除去左旋，其它三种静载状态下，固定模型1组的这两部分最大应力低于固定模型3组；该研究结果说明，为了最大限度减少螺钉的应力，避免断钉断棒情况发生，置钉时矢状位要求与终板平行，水平位需要有一定角度的内倾，此为最佳的内固定方式选择。应用推广情况： 该项目成功建立腰椎三维有限元模型和腰椎后路椎间融合内固定三维有限元模型，使该模型成为以后腰椎生物力学研究领域中更深入、更有效的研究手段，具有广泛的科研价值。该项研究结果说明，为了最大限度减少螺钉的应力，避免断钉断棒情况发生，置钉时矢状位要求与终板平行，水平位需要有一定角度的内倾。通过该研究指导医生对椎弓根内固定类型的选择、术中的规范操作，并为防止椎弓根螺钉系统的断裂提供有效理论依据，具有广泛的临床应用价值。2013年课题组将研究结果应用于临床实践中，取得了较为满意的临床疗效，所有病例中无内固定松动和断裂的情况发生。因此该项研究为有效防止腰椎内固定松动和断裂提供了非常有益的帮助，该项研究具有十分广阔的应用前景。 |
