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变径螺钉与传统椎弓根螺钉在不同骨质疏松分级L4椎体的生物力学性能对比有限元分析

Comparison of the biomechanical properties between variable diameter screws and conventional pedicle screws in L4 vertebrae with different osteoporosis grading-finite element analysis

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摘要目的:采用有限元分析方法,评估传统椎弓根轨迹置钉(traditional trajectory,TT)技术与改良皮质骨轨迹置钉(modified cortical bone trajectory,MCBT)技术在不同骨质疏松条件下的腰椎生物力学性能差异.方法:采用CT扫描技术获取骨质疏松患者的腰椎断层图像,然后对L4腰椎结构进行三维重建并进行验证.通过改变骨密度,在骨量减少(A1)、中度骨质疏松(A2)、重度骨质疏松(A3)中分别构建两种钉道设计.一种在TT技术中使用传统双螺纹椎弓根螺钉(TT组),直径6mm,全长45mm;另一种在MCBT技术中使用的变径全皮质骨螺纹螺钉(MCBT组),直径4～5.5mm,全长45mm.分析不同骨质疏松条件下,两种钉道设计对螺钉轴向抗拔出力、螺钉稳定性(上、下、左、右工况的载荷位移比,即螺钉尾端向其垂直轴的上、下、左、右位移0.1mm时载荷值与其位移的比值)以及腰椎活动度(前屈、后伸、侧弯及轴向旋转时)的影响.结果:在轴向抗拔出力方面,MCBT组在A1、A2、A3中较TT组分别提高93.5％、96.5％、98.5％.在稳定性方面,上、下、左、右工况在A1、A2、A3下,MCBT组螺钉的载荷位移比,相对于TT组分别提升42.2％、40.8％、41.7％;49％、49％、51.5％;82.4％、81.5％、85.2％;73.1％、70.8％、72.5％.在腰椎活动度方面,前屈时在A1、A2、A3下,TT组较MCBT组增加25％、26.6％、28.7％;后伸时在A1和A2下,TT组比MCBT组增加24.5％、22.9％,而在A3下,差异无显著性意义(P＞0.05);而在侧弯和轴向旋转时,MCBT组在A1、A2、A3下相比TT组仅有轻微增加(P＞0.05).结论:在不同程度骨质疏松分级下,MCBT技术仅在椎体轴向旋转和侧屈时的稳定性上弱于TT技术,但在轴向抗拔出力、螺钉稳定性及椎体前屈、后伸时的稳定性上优于TT技术.