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新型和传统寰椎椎弓根螺钉生物力学稳定性的有限元分析

2018-05-09陈群响赵文龙杜诗尧秦明月

脊柱外科杂志 2018年2期
关键词:有限元模型

陈群响,郭 翔,倪 斌,赵文龙,韩 钊,杜诗尧,秦明月

第二军医大学附属长征医院脊柱外科,上海 200003

寰椎骨折多发生于前后弓与侧块的交界处,此处骨性结构较细且骨质相对疏松[1],合并有横韧带断裂的寰椎骨折更容易导致侧块的侧方分离移位,而现有的内固定方法均无法直接对侧块进行复位。笔者所在研究团队在传统螺钉基础上设计了一种新型螺钉,其尾端螺钉套可以同时安装一枚横连接,增加了术中对侧块横向加压复位的功能。本研究采用有限元分析法建立新型螺钉与传统螺钉内固定模型,通过比较2种模型的各节段活动度及应力分布特点,验证新型螺钉离体生物力学的稳定性。

1 材料与方法

1.1 建立 C0~3三维有限元模型

选择1名成年男性志愿者,身高175 cm,体质量70 kg。经颈椎X线检查排除颈椎外伤、肿瘤、感染和畸形等情况。采用双源CT扫描(SOMATOM Definition,Siemens,德国),层厚1.0 mm,冠状位和矢状位扫描C0~3,获得136幅骨窗二维断层图像,以dicom格式保存。使用Simple ware图像处理软件读取CT图像数据并建立stl三角网格模型,使用Geomagic 2012软件将其转化为C0~3实体模型(图1a),在大型前处理软件Hypermesh 12.0中完成C0~3关键韧带(寰枕前膜、寰枕后膜、关节囊、横韧带、尖韧带、翼状韧带、黄韧带、棘间韧带等)的建立、网格划分[2],并对C0~3实体模型进行材料附值(表1),最后形成C0~3三维有限元模型(图1b)。在网格划分时,皮质骨采用平均厚度为1.0 mm的C3D6单元(6节点线性单元即三棱柱单元),松质骨采用C3D4单元(4节点线性单元即四面体单元),终板采用0.5 mm厚的C3D6单元,韧带采用只有轴向平移自由度的双节点SPINGA单元进行划分,椎间盘(含髓核)采用增强沙漏控制的C3D8R单元(三维六面体减缩积分单元),网格质量Jacobian比控制在0.6以上。……

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