生物力学论文提纲

2022-11-15

论文题目：中医过伸复位联合PKP治疗双节段骨质疏松性椎体压缩骨折的生物力学有限元分析

摘要：目的:基于真实的双节段骨质疏松性椎体压缩骨折的术前CT数据,及中医过伸复位手法联合PKP治疗术后的CT影响数据,依托于计算机辅助转化建模平台,重建T11-L2双节段OVCF的三维有限元生物力学模型,并通过有限元软件模拟轴向、前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转及右旋转7种工况下的胸腰椎不同解剖结构所受到的等效应力值。重点研究双节段OVCF骨折术前及中医过伸复位联合PKP术后T12、L1压缩椎体、软组织及相邻椎体的生物力学影响,为临床上双节段胸腰椎压缩骨折的中西医结合治疗策略提供生物力学支撑。方法:1.筛选甘肃中医药大学附属医院脊柱外科住院的符合实验纳入标准的T11-L2脊柱胸腰段的双节段OCVF骨折患者1例,排除脊柱其他病患,使用甘肃中医药大学附属医院放射影像科的64排螺旋CT对患者的T11椎体上关节突至L2椎体下关节突解剖区域进行连续薄层扫描,扫描层厚0.625mm,通过医院放射影像科的交互性影像控制与转化平台将已扫描的CT影像数据进行有限元软件接口相容性格式转化,以DICOM格式保存。2.建立双节段OVCF骨折术前、中医过伸复位联合PKP治疗术后的脊柱胸腰段三维有限元模型,利用Mimics 19.0进行原始模型的提取与转化;Geomagic warp 2017软件进行特征去除、光顺、曲面实体拟合;Solidworks 2017软件进行零件结构的组装与附属结构生成;Ansys Workbench 17.0软件添加材料属性、边界条件、坐标及载荷设定及生物力学分析。3.脊柱胸腰段模型的生物力学分析:在验证有效的术前双节段三维有限元模型及中医过伸复位联合PKP治疗的术后三维有限元模型基础上,进行边界条件设定及力学加载,分别在T11椎体上终板施加500N轴向压缩载荷及7.5N·m扭矩,模拟人体的轴向、前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转及右旋转7种运动状态,检测双节段OVCF骨折术前、术后骨折椎体、相邻椎体及邻近软组织的应力梯度弥散分布模态。结果:1.成功建立了符合脊柱胸腰段生物力学特性的T11-L2节段术前及术后的双节段OVCF骨折的三维有限元生物力学模型。基于患者的真实CT影响资料进行脊柱胸腰段模型的有效性验证,符合生物力学研究要求,可用于进行脊柱胸腰段T11-L2术前、术后双节段OVCF骨折的有限元分析。2.对术前双节段OVCF骨折及中医过伸复位联合PKP治疗术后的双节段OVCF骨折的三维有限元模型进行了模拟人体生理载荷的力学加载试验,分别施加了相同的轴向载荷和弯曲、旋转扭矩,发现经过中医过伸复位联合PKP治疗后,T12、L1椎体的皮质骨、松质骨及邻近椎体终板的最大Von Mises等效应力峰值分布梯度及分布区域均发生了转移,术前应力集中于T12、L1椎体的椎体前缘,邻椎前缘的等效应力也相应增加,伤椎继续压缩骨折及邻椎骨折的趋势较为明显,经过中医过伸复位联合PKP治疗后。通过建立脊柱胸腰椎双节段椎体压缩骨折术前、和复位强化固定后三维有限元生物力学模型,发现脊柱骨折后术前与复位强化术后的生物力学分布规律和特性存在本质性差异。双节段椎体压缩骨折后脊柱整体的生物力学分布处于失衡状态,在轴向压缩、前屈、后伸、左右侧弯及旋转工况下脊柱不同结构单元的生物力学应力分布极不均衡。在前屈弯腰活动状态下,L1椎体皮质骨应力最大为74.798Mpa,T12椎体松质骨最大应力为2.5816Mpa,T12-L1椎间盘最大应力为3.973Mpa,L1椎体的上终板最大应力为13.598Mpa,L1-2右侧关节突关节的最大应力为21.842Mpa。在后伸状态下,椎体皮质骨、松质骨、椎间盘、软骨终板及关节突关节受到的应力刺激均较小,分别为99.232Mpa、0.7807Mpa、3.973Mpa、3.2182Mpa及4.2637Mpa;其中,在后伸状态下,脊柱应力分布最小的单元区间分别位于L2椎体皮质骨、L2椎体松质骨、T11-12椎间盘、L1-2左侧的关节突关节。由此可见,椎体压缩骨折后,脊柱不同的结构单元在前屈状态下的应力刺激最大,强加不推荐压缩骨折后仍进行前屈弯腰,而在后伸活动状态下,脊柱不同结构单元的生物力学应力最小,这也间接证实了脊柱骨折后应用中医过伸复位治疗的生物力学安全性和可靠性。椎体压缩骨折经过中医过伸复位联合PKP治疗后,恢复了椎体高度,重建了脊柱的生物力学平衡,脊柱不同结构单元的生物力学刺激相比于术前显著降低,局部应力集中趋势得到缓解。前屈状态下,椎体皮质骨的最大应力由术前的99.232Mpa降低为术后的34.705Mpa;T12椎体松质骨的最大应力由术前的2.5816Mpa下降为术后的1.2085Mpa;T12-L1椎间盘的最大应力由术前的3.973Mpa降低为术后的2.0049Mpa;L1椎体的上终板由术前的13.598Mpa下降为术后的6.0292Mpa,因此,椎体压缩骨折后,经过过伸复位联合椎体强化治疗后重建了脊柱的生物力学形态,恢复了脊柱整体的生物力学失衡。结论:1.基于患者真实CT影像利用计算机辅助建模平台,能够较好的建立骨质疏松性椎体压缩骨折的生物力学三维有限元模型,模型的有效性与可靠性强,适合生物力学分析需求。2.双节段椎体压缩骨折后脊柱胸腰段的整体生物力学稳定性失衡,脊柱结构单元局部应力集中现象十分凸显,尤其在前屈、轴向压缩及侧弯旋转过程中,脊柱胸腰段椎体、软骨终板、椎间盘及关节软骨退行性改变的趋势和风险加重;但在后伸活动状态下,胸腰段整体的结构单元应力分布较小,间接证实了脊柱双节段椎体压缩骨折发生后进行中医后伸复位手法的生物力学安全性。此外,胸腰段椎体、软骨终板、椎间盘及小关节等结构单元局部应力增高可能为压缩骨折后相邻椎体的骨折、腰椎的退行性改变及慢性的腰背部疼痛等临床现象提供了生物力学解释。3.双节段椎体压缩骨折后经过中医过伸复位联合椎体强化治疗后,脊柱胸腰段整体的结构单元的生物力学应力分布趋势均比术前减小,应力分布趋势更加均匀,重建了脊柱胸腰椎伤椎的解剖形态及生物力学稳定性,减缓了脊柱的退行性改变及伤椎邻椎再骨折风险,当然,更好的强化复位、伤椎复位程度与临床症状的关系仍然需要进一步考虑。

关键词：骨质疏松症;胸腰椎压缩骨折;中医过伸复位;椎体成形术;有限元分析;生物力学

学科专业：中医骨伤科学

摘要

ABSTRACT

英文缩略词表

前言

第一部分骨质疏松性胸腰椎压缩骨折的理论认识与研究背景

1 脊柱解剖结构及胸腰段生物力学特性

2 骨质疏松症及其骨折并发症

3 中医过伸复位手法在骨质疏松性椎体压缩骨折的溯源与应用

4 经皮穿刺椎体后凸成形术(PKP)治疗骨质疏松性椎体压缩骨折

5 有限元分析在椎体压缩骨折中的潜在性应用