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青少年胸椎经关节螺钉固定的有限元分析

         
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摘要

背景:关节突关节螺钉内固定作为一种被接受的内固定方法,目前已在颈椎和腰椎中进行了广泛的研究和应用。目的:拟通过有限元法定量分析比较青少年胸椎经关节螺钉内固定和传统椎弓根螺钉内固定的生物力学特性,探索前者在胸椎内固定术中应用的可行性。方法:建立14岁青少年全胸椎经关节螺钉固定(B组模型)和传统椎弓根螺钉固定(A组模型)的有限元模型。将连续扫描的胸椎断层影像原始数据以DICOM格式导入Mimics 21.0,分别重建T_(1)-T_(12),再导入到3-Matic,建立椎间盘、关节突关节、螺钉和钛棒的初步几何模型,再进行去噪、铺面、平滑等处理,完善后的模型导入Hypermesh软件进行网格划分,对材料进行属性赋值后导入ANSYS 19.2中显示有限元模型,设定边界和载荷条件。观测椎弓根、椎间盘、螺钉和钛棒等结构的活动度和应力情况;分析二者是否具有相同的受力情况和生物力学稳定性。结果与结论:(1)椎弓根螺钉各节段关节突关节的活动度在6种工况(前屈、后伸、左旋转、右旋转、左侧屈、右侧屈)下均大于小关节螺钉,最大值均位于左侧屈状态下的T_(11/12)节段(A组模型0.691°;B组模型0.563°);(2)前屈、后伸、侧屈和左旋转运动状态时,A、B两组模型椎弓根的应力值组间比较差异均无显著性意义(P>0.05);右旋转状态时,差异有显著性(P0.05);左旋转、右旋转状态时,差异有显著性(P<0.05)的节段分别位于T_(10)和T_(8),且B组模型上关节突关节面应力值均大于A组;(4)B组模型仅在前屈、右侧屈和右旋转工况下T_(1-2)节段椎间盘平均应力值大于A组,其余情况下应力值均小于A组,钛钉和钛棒的整体应力云图中,A组模型平均应力值均大于B组模型;(5)结论:小关节螺钉具有同传统椎弓根螺钉一样的生物力学特性,胸椎后路经关节螺钉内固定可作为一种固定方式的选择。

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