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研究背景:椎弓根螺钉系统内固定具有固定坚强,能同时固定脊柱前、中、后柱,强化了支撑及抗扭转的刚度,取得了较好的融合率和临床效果。但随着该项技术的广泛应用,其手术失败的病例并不少见,如内固定断裂、邻近节段退变,其中以内固定钉、棒断裂最为常见。近年有限元法在脊柱生物力学研究中的应用日益广泛与深入,这其中,运用生物力学知识,全面分析各种内固定器械的作用原理,分析应力分布情况,对于正确选择手术方法,合理设计、使用内固定器械,以取得最佳矫形和固定效果,降低手术失败率和减少并发症的发生具有重要意义。本课题受2007年广东省科技计划项目“双U形记忆合金棒生物弹性内固定系统的研发与应用研究”（项目编号:20078031003010）资助,实为该项目的一个子课题,为研制新型弹性椎弓根螺钉内固定系统提供了需要改进的目标和评价对照指标。研究目的:1.探讨利用螺旋CT建立短节段腰椎椎弓根螺钉内固定系统的三维有限元模型的高度数字化方法。2.为短节段腰椎椎弓根螺钉内固定系统的生物力学实验提供三维有限元模型,在此基础上分析不同载荷下螺钉、连接棒的应力分布。3.为研制新型弹性椎弓根螺钉内固定系统提供了需要改进的目标和评价参考指标。资料与方法:1建立短节段腰椎椎弓根螺钉内固定系统三维有限元模型1.1图像资料:选择1名成年志愿者,经X线检查排除脊柱疾病,采用PHILIPS Brilliance 64排螺旋CT对其进行连续水平扫描,扫描范围自腰1椎体上缘至股骨大转子下处,图像处理及保存在CT工作站中。1.2电脑硬件配置:AMD双核5000+超线程CPU,4G DDR800内存,6800 GT双128M PCIE图形加速卡。1.3软件:Mimics11.11、Simpleware2.1、Abaqus6.51。1.4建模方法:CT扫描所得的数据以Dicom格式转入计算机,提取出骨骼图像,将所得图像借助mimics11.1l进行三维重建,建立L3-5节段的几何模型。将几何模型转入Simpleware2.1软件,同时将椎弓根螺钉系统以STL格式转入Simpleware软件进行匹配,模拟L4/5椎间椎弓根螺钉内固定,从而建立有限元模型,导入Abaqus6.51进行分析。同时根据椎弓根螺钉、连接棒的几何尺寸及力学参数,建立腰椎椎弓根螺钉系统内固定的三维有限元模型。2加载与计算2.1加载方法:（1）固定模型L5椎体下表面,在L3椎体上表面持续施加500N载荷,并使此载荷均匀分布于表面各节点;（2）在垂直加载500N载荷的同时,于L3椎体上表面施加15Nm力矩,分前屈、后伸、侧屈及旋转（考虑椎弓根螺钉内固定的左右对称性仅加载左屈及右旋）4种情况加载。2.2结果定性观察:采用应力分布图显示。2.3计算设计:计算螺钉和棒的平均Von Mises应力:将螺钉按长度均分为3段,每段均匀选取32个节点,然后在上述加载情况下,计算各节点应力,取其平均值作为该段螺钉的应力;将连接棒平均分成2段,每段均匀选取32个节点,同法计算各节点应力,取其平均值作为连接棒的应力。3统计学方法所有统计分析均采用SPSS 16.0统计软件处理。在不同位置及不同运动状态下的应力强度的比较,采用析因设计的方差分析,若整体比较P＜0.05,则行进一步多重比较（方差齐性采用SNK法;若方差不齐,采用Dunnett T3法）。检验水准为α=0.05。结果:1.正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分结果:利用三维重建软件Mimic、Simpleware和有限元软件Abaqus成功进行正常腰段脊柱三维模型有限元网格划分。实体模型几何形态逼真,重现了L3-L5节段解剖结构外形,整体显示直观,表面无过多简化。建成后的三维有限元模型与实体组织具有良好的几何相似性。2.各运动状态下椎弓根螺钉内固定系统各部分的应力分布:椎弓根螺钉内固定系统各部分于垂直压缩状态下所受的应力远小于在前屈、后伸、侧屈及旋转状态时所受的应力。其中垂直压缩状态下应力主要集中在椎弓根螺钉内固定系统的螺钉近棒段,而在前屈、后伸、侧屈及旋转的四个状态下时应力主要集中在椎弓根螺钉内固定系统的的连接棒上（虽然螺钉近棒段平均应力小于连接棒的平均应力,但从应力分布图中可见仅钉尾处局部的应力峰值仍与连接棒相近,应力也很大。）结论:1.采用64排螺旋CT对志愿者进行薄层螺旋CT扫描→获得高精度的DICOM数据→Mimics11.11软件快速重建腰椎的三维图像→Simpleware2.1软件处理后获得高质量的L3-L5节段的有限元模型这一方法,具有方便、快捷、高效、准确等优点。2.本实验用三维有限元模型模拟L4/5节段内固定,接近腰椎后方减压、内固定而不予植骨或者后外侧植骨未融合时的情形,研究的腰椎加载负荷和扭矩均接近正常生理状态下腰部活动水平,结果表明:椎弓根螺钉内固定系统各部分于垂直压缩状态下所受的应力远小于在前屈、后伸、侧屈及旋转状态时所受的应力。术后应使内固定系统在体内避免应力过大及应力集中而导致断裂。所以术后应卧床、佩戴支具,患者避免了脊柱前屈、后伸、侧屈及旋转运动,使内固定主要受到来自垂直压缩的负荷。而垂直压缩状态下应力主要集中在椎弓根螺钉内固定系统的螺钉近棒段,这与临床上最常用的、传统的刚性脊柱椎弓根螺钉内固定系统最常见的断裂部位完全一致。目前对于螺钉几何形态研究较多,有柱形、锥形及钉的两端较粗中间较细呈葫芦形,但无论椎弓根螺钉系统怎样设计,在腰椎椎弓根螺钉系统垂直压缩下应力主要集中在螺钉近棒段,所以设计螺钉时近棒段的螺钉直径不可过细。但人体椎弓根直径大小有限,当螺钉截面积占其90%时,再增加螺钉的直径,没有增加固定强度反而易便椎弓根爆裂骨折。所以新研制的弹性椎弓根螺钉内固定系统,只有应力分布均匀,无明显的应力高度集中现象,至少在已无法加粗加强的螺钉上避免应力高度集中,才能有效的避免椎弓根螺钉内固定系统断裂这种最常见并发症。这即是研制新型弹性椎弓根螺钉内固定系统所需要改进的目标和重要评价指标之一。3.通过Mimics软件、Simpleware软件、Abaqus软件,可以利用薄层断面图像构建出其三维可视几何模型与三维有限元模型。建立的短节段腰椎椎弓根螺钉内固定系统的三维有限元模型接近真实的生物力学标本。利用三维有限元模型进行状态设定、加载分析是一种较好地生物力学测试方法,可以在一定程度上代替大体标本,同时具有信息丰富、洁净环保、节约成本、省时高效、高度模拟、重复性好、与在体生物力学实验相辅相成等优点。4.利用本研究所建立的腰椎三维有限元模型,可按照需要进行后期继续开发拓展,比如可在原有模型基础上,更方便地模拟新研制的U形记忆合金棒生物弹性内固定系统,并可进一步将传统的刚性脊柱椎弓根螺钉内固定系统的应力分布与新研制的弹性内固定系统的应力分布进行比较进而探讨评价。还可以利用有限元模型比较传统的刚性脊柱椎弓根螺钉内固定系统与新研制的弹性内固定系统术后其邻近节段应力大小,并进一步分析评价,以明确两种内固定系统对诱发相邻节段退变这种并发症的可能性的大小。总之传统的刚性的三维有限元模型建立及应力分析为后期进一步研究打下了良好的基础。5.本研究的不足之处。本实验所涉及的生物材料的材料力学特性均假定为均质、连续和各向同性,实物材料本身并不是均质、连续的,也不是各向同性,而是呈各向异性的特征。由于本实验只是在计算机中模拟简单、基本的腰椎运动,无论是在模型的几何相似性和力学相似性方面,还是在边界约束、载荷加载方面,都与实际情况存在着不可避免的差异;而且有限元模型的精确度依赖于单元选取的个数,选取的个数越多,该模型的精确度就越高,反之亦然,所以实验的目的在于为临床提供生物力学基础和理论基础。对传统的刚性脊柱椎弓根螺钉内固定系统与新研制的弹性内固定系统的实际临床应用价值的评价,仍需要做实物标本的生物力学测试及最终的临床验证。6.有限元分析方法和其他的实物标本的生物力学测试方法各有优点和不足之处,应该相互结合,以弥补彼此不足,最后进行综合分析,才得出更为科学、合理的结果。