胸腰段椎体内压力分布与骨折相关性的有限元分析

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目的:运用有限元分析技术来探讨人体胸腰段在不同压力载荷作用下椎体内压力分布情况,及椎体内压力分布与骨折类型之间的相关性,从而进行相关临床问题研究。方法:建立正常人体胸腰段(T12—L2)运动节段的三维有限元模型,将模型划分为2个加载组,即轴向压缩加载组和屈曲压缩加载组。分别对每个组内的模型进行不同等级的加载(400N、600N、800N、1000N、1200N)。将L1椎体中间3个层面的松质骨均划分成9个统计区。计算L1椎体中间3个层面松质骨的平均应力值及每个统计区内的应力值,并进行相关的统计分析。结果:L1椎体在轴向加载和屈曲加载时,松质骨内存在着应力集中的情况。在3个统计层面中,中间层面的应力值最小,上下两个层面的应力值比较接近。轴向加载时椎体后部中央压力反应最显著,屈曲加载时椎体前部中央压力反应最显著。结论:胸腰段椎体不同内部受压情况直接影响着骨折类型,与临床上椎前高压缩明显而椎管占位轻、椎管占位重而椎前高变化小有密切关系。临床治疗中恢复椎体高度核心是保证椎体内骨组织受力结构恢复。 前言 近年来,随着交通业和建筑业的飞速发展,脊柱骨折的发生率呈明显的上升趋势。胸腰段是脊柱骨折的好发部位,由于其解剖结构的复杂及暴力作用的程度不同,因此在临床上可见到不同的骨折类型,主要多见垂直压缩型(爆裂型)和屈曲压缩型两种,有的还合并脊髓神经损伤。因此,加强对胸腰椎骨折损伤机制的研究,从而为临床提供更有效的治疗方法一直是脊柱外科领域研究的重要课题。生物力学因素在胸腰椎损伤的诸多因素中占有最重要的地位,因而它的发展促进了对脊柱损伤机制的认识。目前,关于脊柱骨折的力学损伤机制,主要从加载速率和载荷大小两个方面进行研究。由于外力是通过骨组织内在力量的作用下才导致骨破裂,因此,研究、观察椎体内受力情况并进行相关临床问题分析就显得比较重要和新颖。以往的研究认为,脊椎的椎体内有纵、横两种呈90°交叉排列的骨小梁。在压力载荷下,椎体内部会发生压力分配,椎体可发生变形,当变形超过椎体组织内在的屈服极限即将产生骨组织破裂(骨折)。骨组织的破坏及骨折的类型与外力加栽的大小和方向有关,但却是内反应力变化的直接结果。已知椎体皮质骨可传导外力作用,但内反应力的大小与方向是如何变化的?与骨折类型是否有关?对临床指导有何意义?目前尚无有关文献的报道。由于脊柱在解剖结构、材料性能及负荷分布等方面的复杂性,以往的生物力学研究方法均难以获得全域性信息,而有限元法是能提供椎体内详细应变模型的唯一方法。本研究运用三维有限元分析法建立人体胸腰椎活动节段的力学模型,对椎体在不同压力载荷作用下内反应力(内部压力)的分配进行比较,揭示椎体内压力分布的变化与骨折类型的相关性,并探讨其临床意义。
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