【摘 要】
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腰椎峡部裂是常见于青少年及成人的脊柱疾病,其临床症状表现为下腰疼痛,若不及时治疗,很容易造成椎体滑脱等更严重疾病。目前普遍被认可的腰椎峡部裂治疗方式是椎弓根螺钉-U型棒（Pedicle screw-U shape rod,PSUSR）、椎弓根螺钉-椎板钩（Pedicle screw-vertebral plate hook,PSVPH）内固定系统配合植骨融合的手术治疗,但对于两种内固定系统的治疗效
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腰椎峡部裂是常见于青少年及成人的脊柱疾病,其临床症状表现为下腰疼痛,若不及时治疗,很容易造成椎体滑脱等更严重疾病。目前普遍被认可的腰椎峡部裂治疗方式是椎弓根螺钉-U型棒（Pedicle screw-U shape rod,PSUSR）、椎弓根螺钉-椎板钩（Pedicle screw-vertebral plate hook,PSVPH）内固定系统配合植骨融合的手术治疗,但对于两种内固定系统的治疗效果与优势性评价存在困难与争议。有限元法可以精确模拟脊柱结构及其运动状态,解决尸体实验材料难以获取等诸多问题。本文基于有限元法,对PSUSR与PSVPH两种腰椎峡部裂内固定系统进行生物力学性能比较分析,为临床手术方式选择提供可靠参考。本研究设计了完善的有限元分析流程,利用CT图像分割重建椎体模型,并进行逆向实体、内固定系统设计装配、网格划分、材料赋值、载荷约束等处理,设计出四组有限元模型,分析其在六种运动状态下的力学性能。通过对有限元结果进行分析讨论,评价PSUSR与PSVPH内固定系统的生物力学优势,为腰椎峡部裂诊疗提供参考与指导。本研究主要工作内容包括:（1）本研究共建立四组有限元模型。模型A:完整的L4-S1节段腰椎椎体模型;模型B:L5椎体带有双侧峡部裂的L4-S1节段腰椎椎体模型;模型C:在模型B基础上,于L5椎体断裂峡部加入植骨并置入PSUSR内固定系统;模型D:在模型B基础上,于L5椎体断裂峡部加入植骨并置入PSVPH内固定系统。（2）基于腰椎CT图像,利用Mimics软件中图像分割与重建方法建立三维椎体模型。根据CT灰度值差异采用阈值分割法初步提取椎体轮廓,采用区域增长法进一步分割单个椎体,最后采用轮廓线重建法重建L4-S1节段椎体模型。采用有限元法对模型进行分析,对有限元相关算法理论进行总结分析,为后续有限元计算打下理论基础。（3）建立了规范可靠的有限元分析流程。对CT图像进行分割重建获取椎体模型,并对模型进行表面优化及逆向处理。添加椎间盘、关节软骨、韧带等组织结构,完成内固定系统设计及装配。对模型进行网格划分,网格类型为四节点四面体单元。根据经验公式对椎体赋予材料并设置其余结构组织材料属性。对模型添加绑定、接触等相互作用。在模型L4椎体上表面施加500 N集中力与10 Nm弯矩来模拟脊柱屈曲、伸展、左与右侧向弯曲、左与右轴向旋转六种运动状态,并固定S1骶骨下端。最后进行有限元计算得到结果。（4）通过与其他学者模型的活动度（Range of motion,ROM）进行对比,验证了所提研究模型的有效性。有限元分析结果主要包括模型及各结构组织的ROM、最大应力、最大应变和最大位移。与模型B相比,模型C的ROM降低了35.7%～57.1%（P＜0.05）,模型D的ROM降低了39.7%～64.8%（P＜0.05）。模型D的椎体及PSVPH内固定系统的最大应力整体小于模型C的椎体及PSUSR内固定系统,且最大应力主要集中于螺钉与内固定系统的连接处。与模型C相比,模型D的最大位移在六种运动状态下均降低。模型D中L5-S1椎间盘的最大应力和应变降低幅度均大于模型C。对比模型B,模型D关节软骨最大应力提高126.8%,可使关节软骨应力恢复至模型A的正常水平。置入PSUSR的模型C的植骨最大应力与位移均大于置入PSVPH的模型D。通过分析有限元结果得出结论,PSVPH内固定系统综合比PSUSR内固定系统具有更好的生物力学性能。相比PSUSR内固定系统,PSVPH内固定系统刚度性能更强,可保留脊柱活动度,能够降低椎体模型的应力与位移,可恢复关节软骨受力,且具有更好的植骨融合环境。临床中在进行腰椎峡部裂手术治疗时可首先考虑PSVPH内固定系统。本研究设计的有限元分析流程在精确度与计算效率上都有很好的表现,有限元模型更加真实可靠。采用有限元法成功实现对腰椎峡部裂PSUSR与PSVPH内固定系统的生物力学分析评估。本研究分析流程、结果数据对临床腰椎疾病诊疗及其他研究设计具有一定应用价值。
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