【摘要】：背景:脊柱生物力學的發(fā)展日新月異,尤其近年來,各種新技術、新方法層出,椎弓根螺釘固定聯(lián)合椎間融合器(cage)在臨床上逐漸普及,使得脊柱手術節(jié)段廣泛骨性減壓后能得到即刻穩(wěn)定,并通過植骨達到遠期融合從而維持其正常功能。cage有著自身特有的一些優(yōu)勢,不但增加了椎體融合率,減少了植骨量的使用,又可以恢復椎間隙的既有高度,加快融合速率,減少手術時間,現(xiàn)在已發(fā)展為脊柱外科基本的技術之一。但隨著融合器使用量的增加,也出現(xiàn)了一些融合失敗的例子,如cage的移位、沉陷等。針對以上失敗的例子,我們對椎弓根螺釘聯(lián)合cage的生物力學特性做了大量實驗探索及測試[1],對于椎弓根螺釘實驗主要集中在器械抗疲勞,螺釘拔出力及螺釘的受力分析。而對于椎間融合器,則對其拉力抵抗力,剪力承受程度和穩(wěn)定性進行了實驗和測試分析。有限元法能夠較好的預測螺釘固定和cage的生物力學特征,其在椎弓根螺釘和融合器的設計與分析上得到了廣泛的應用。目的:借助有限元分析的方式來研究椎弓根螺釘固定聯(lián)合兩種不同材料cage在L4、5椎間融合中的生物力學特性。方法:選取自愿參與實驗的健康女性1人,選用螺旋CT掃描方式獲取正常脊柱L4~L5節(jié)段信息,應用Mimics和Geomagic軟件對所采集的掃描圖片信息進行立體模型重建,并將此立體模型導入有限元軟件ANSYS15.0進而形成L4、5節(jié)段三維有限元模型(INT)。在建立的INT上,再分別建立雙側椎弓根螺釘聯(lián)合兩種不同材料cage的模型,Mod1為雙側椎弓根螺釘+Ti(鈦)cage,Mod2為雙側椎弓根螺釘+PEEK(聚醚醚酮)cage。分別對兩種立體模型加入500N預載荷以及8N·m的運動附加力,對于立體模型的預載荷和運動附加力等約束設定完成后,在腰椎前屈,后伸,左側彎、右側彎及左旋、右旋六種運動情況下算出L4、5節(jié)段角位移及雙側椎弓根螺釘和兩種不同融合器所受力。結果:Mod1,Mod2在6種運動情況下的角位移均小于正常。受力測試中,Mod1應力最大值在6種運動情況下均高于Mod2。后伸位時,M1與M2的雙側椎弓根螺釘及cage的應力最大值較其他運動情況小。結論:對于需要融合的節(jié)段,椎弓根螺釘系統(tǒng)可以保證足夠的強度。對于所需融合節(jié)段在同等穩(wěn)定不變的前提下,PEEK材料的cage應力最大值均小于Ti材料的cage,因此,PEEK材料的cage發(fā)現(xiàn)移位及沉降的概率也低于Ti材料的cage,其椎間融合率也相應較高。實驗中我們可以發(fā)現(xiàn),在后伸運動情況下,融合器所受應力較小,由此推測運動情況下較為穩(wěn)定的為后伸位。
[Abstract]:Background: the development of spinal biomechanics is changing with each passing day, especially in recent years, various new techniques and methods have been developed, pedicle screw fixation and interbody fusion cage (cage) are becoming more and more popular in clinical practice. So that the spinal segment can be stabilized immediately after extensive bone decompression, and through bone grafting to achieve long-term fusion to maintain its normal function. Cage has its own unique advantages, not only increased the fusion rate of vertebral body, reduced the use of bone graft. It can also restore the existing height of intervertebral space, accelerate the fusion rate, and reduce the operation time. Now it has developed into one of the basic techniques of spinal surgery. However, with the increase of the amount of fusion device, there are some examples of fusion failure, such as cage displacement, subsidence and so on. In view of the above failure examples, we have done a lot of experiments and tests on the biomechanical properties of pedicle screw combined with cage [1]. For the pedicle screw experiment, we mainly focus on the analysis of the device anti-fatigue, screw pull-out force and screw force. For interbody fusion cage, the tensile resistance, shear resistance and stability were tested and analyzed. Finite element method can well predict the biomechanical characteristics of screw fixation and cage. It has been widely used in the design and analysis of pedicle screw and fusion cage. Objective: to study the biomechanical characteristics of pedicle screw fixation combined with two different materials cage in L4 / 5 intervertebral fusion by means of finite element analysis (FEM). Methods: a healthy woman who volunteered to participate in the experiment was selected, and the normal spinal L4~L5 segment information was obtained by spiral CT scanning. The scanning images were reconstructed by Mimics and Geomagic software. The three-dimensional model is introduced into the finite element software ANSYS15.0, and then the (INT). Of the L4 / 5 segment 3D finite element model is formed. On the established INT, the model of bilateral pedicle screw combined with two different materials cage was established respectively. The model was Ti (Ti) cage,Mod2 and PEEK (polyether ether ketone) cage.. 500 N preload and 8 N m additional force were added to the two stereoscopic models respectively. After the pre-load and motion additional force of the three-dimensional model were set up, the lumbar vertebrae flexion, extension, left bending, right side bending and left rotation were set. The angular displacement of L4 and 5 segments and the force of bilateral pedicle screws and two different fusion cages were calculated under six right lateral motion conditions. Results the angular displacement of 1: 1 Mod2 was smaller than that of normal under 6 kinds of motion conditions. The maximum stress of Mod1 in stress test is higher than that of Mod2. in 6 kinds of motion conditions. The maximum stress of M 1 and M 2 pedicle screws and cage was smaller than that of other movements. Conclusion: for segments requiring fusion, the pedicle screw system can ensure sufficient strength. The maximum cage stress of peek material is smaller than that of Ti material under the same stable condition. Therefore, the probability of cage finding displacement and settlement of peek material is lower than that of Ti material cage, and the intervertebral fusion rate is also higher. In the experiment, we can find that the stress of the fusion device is small under the condition of the extension motion, so it can be deduced that the stable position of the fusion device is the extension position under the condition of motion.
【學位授予單位】：青海大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R687.3

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本文編號：2241446