腰椎经椎间孔入路椎间融合生物力学特性研究

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1、上海交通大学硕士学位论文腰椎经椎间孔入路椎间融合生物力学特性研究硕士研究生：付诚学号：1122919017导师：彭雄奇教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：材料科学与工程学院塑性成形技术与装备研究院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterRESEARCHONTHEBIOMECHANICALPROPERTIESOFTRANSFORAMINALLUMBARINTERBODYFUSIONCandidate：ChengFuS

2、tudentID：1122919017Supervisor：Prof.XiongqiPengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialEngineeringInstituteofFormingTechnologyAffiliation：&Equipment，SchoolofMaterialScienceandEngineeringDateofDefence：Jan,2015Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity上海

3、交通大学硕士学位论文摘要腰椎经椎间孔入路椎间融合生物力学特性研究摘要腰椎间融合器（Cage）植入配合椎弓根螺钉-连接棒固定，已发展成为了治疗腰椎退行性病变的主要融合和固定方式。经椎间孔入路腰椎间融合术（TLIF）作为一种相对较新的脊椎融合术式，由于其具有较大程度保留椎体的完整性，减轻神经损伤，融合率高，术后并发症少等优点，目前已经广泛地应用于临床中，然而手术中Cage的植入位置角度仅凭医生的主观经验，缺乏系统性的研究。因此，本文利用有限元仿真和离体实验相结合的研究方法，旨在探究TLIF术后Cage和椎弓根螺钉-连接棒固定系统对于椎体节段的稳定性和生物力学特性影响规律，并

4、确定出相对较好的TLIF术融合方式。考虑到椎间盘纤维环材料的高度非线弹性，基于连续介质力学，建立了纤维环各向异性纤维增强超弹性本构模型，并利用ABAQUS/Standard中用户自定义材料子程序UANISOHYPER_INV，编译实现应用于腰椎TLIF融合数值模拟。基于健康成年志愿者腰椎CT扫描薄层数据，利用医学图像处理软件Mimics重建了腰椎几何模型，再导入有限元软件HyperMesh中建立了正常腰椎L4-L5节段模型以及按不同角度（30，45°，60°）植入Cage的椎弓根螺钉单/双边固定的TLIF融合模型，比较了术后在四种生理活动下融合节段活动度ROM大小，融合

5、器与椎间盘上下终板接触界面、融合器、纤维环和椎弓根螺钉上的vonMises应力峰值和应力分布等生物力学特性。模拟结果表明，在相同的生理活动下，单/双侧固定时L4-L5融合节段术后稳定性大幅提升，而Cage植入角度对节段稳定性有一定影响，表现为与腰椎矢状面夹角越小，前屈、后伸时椎体稳定性越高，而侧弯、轴向旋转时稳定性则越低；融合器、接触-I-上海交通大学硕士学位论文摘要界面、椎间盘纤维环、单/双椎弓根螺钉的应力分布随着生理活动和Cage植入角度不同存在差异，双侧固定时容易导致其中一侧椎弓根螺钉-连接棒受力集中，而且Cage对于轴向载荷分担能力也下降，因此最终确定最佳融合方

6、式为Cage斜向45°植入椎间盘并且配合单侧椎弓根螺钉棒-连接棒系统内固定。最后，本文设计了动物生物力学离体实验，以猪腰椎标本作为实验对象，对比分析了TLIF融合对腰椎融合节段和邻近节段稳定性的影响。实验结果表明，单纯固定时融合节段在各生理活动下ROM值大幅降低，而TLIF术前屈/后伸和侧弯时ROM数值进一步降低，但轴向旋转时反而有所升高；TLIF术对于邻近节段稳定性影响表现为上邻近节段的各个方向的ROM值均较大幅度降低，而对下邻近节段的影响较小，仅在侧弯时其ROM值有一定降低。关键词：融合器，椎弓根螺钉，有限元仿真，生物力学特性，活动度-II-上海交通大学硕士学位论文

7、ABSTRACTRESEARCHONTHEBIOMECHANICALPROPERTIESOFTRANSFORAMINALLUMBARINTERBODYFUSIONABSTRACTIntervertebralfusionwithcageandpediclescrew-rodfixationsystemhasbecomethemaintreatmentoflumbardegenerativedisease.Transforaminallumbarinterbodyfusion(TLIF)isanewspinalfusionsurgerybut