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骶椎全切除重建的三维有限元研究

资料来源:同济大学 硕士学位论文
文件大小:10.86MB
文件语言:中文
推荐级别:
更新时间:2020-06-03

内容简介:

摘要


背景:骶椎在人体的力学传导上系腰椎与骨盆环的联结结构,并与腰椎和髂骨构成腰骶及骶髂两大关节,是体位改变时力的变换中心,其生物力学作用十分重要。当肿瘤侵犯到第一骶椎及其以上时,全骶椎切除术是治疗肿瘤的有效手段,为了恢复腰椎和骨盆之间的连续性,重建是必要的。目前几种常见的重建方式有各自的优点和缺点。
 

有限元法是计算生物力学中的一种分析方法,可以参数化调节模型的几何形状上的差异和材料特性,完成体外标本实验较难设计模拟的工况,分析骨及植入物的应力和位移,预测植入物松动或断裂的风险,在脊柱和骨盆生物力学研究领域中已经被广泛应用。
 

目的:本研究利用有限元方法对近年来全骶椎切除后四种常见重建方法进行生物力学比较分析,探索骶椎全切除最优化的重建方式,为临床上骶椎全切除后重建方法的选择提供参考依据和理论支持。
 

方法:将正常成人自第一腰椎至股骨上段的CT扫描图像,导入医学图像处理软件Simpleware2.0,生成三角网格模型。利用逆向工程软件Geomagic8对模型进行修复和优化后生成实体模型,导入有限元软件Abaqus6.7中,合理选择单元,设置材料属性,建立腰椎、骨盆和股骨复合体的三维有限元模型(threedimensional finite element model of lumbo-pelvic-femoral complex,3D—FEMLPFC)。应用三相误差分析方法分析模型与CT图像资料几何形态上的差异。通过三项误差分析结果和生理载荷下的应力分布验证模型的可靠性。


通过可视化装配,模拟骶椎全切除后骶骨棒重建(a sacral.rod reconstruction,SRR),四棒重建(a four-rod reconstruction,FRR),人字形双腓骨移植重建(abilateral fibula flaps reconstruction,BFFR)和四棒结合骶骨棒+腓骨移植的复合重建(an improved compound reconstruction,ICR)四种不同重建方式。在有限元软件Abaqus6.7中赋予材料属性,划分网格并执行有限元分析运算。通过骶椎全切除重建后的应力分布、垂直轴向刚度、冠状面外展角度及矢状面旋转角度等指标对不同重建方式进行综合评价。
 

结果:建立了包括腰椎、骨盆以及双侧股骨上段的3D.FEMLPFC,共包括106557个节点和435736个单元。三向误差分析结果显示,模型与CT图像资料的绝对误差在一O.74ram和1.64mm之间,相对误差位于一1.39%和3.16%之间。
该模型在生理载荷下与既往文献中的有限元模型应力分布情况一致。

 

SRR,FRR,BFFR和ICR植入物上的最大Von Mises应力分别为240MPa,211.7Mpa,79.45MPa和77.44MPa。完整状态,SRR,FRR,BFFR和ICR的轴向刚度分别是1934N/mm,410N/mm,979N/mm,1461N/mm和1652 N/mm;冠状面外展角度分别是O.053。,0.107。,0.315。,0.140。和0.064。;矢状面旋转角度分别是0.047。,0.341。,1.337。,0.080。和0.051。。
 

结论:3D--FEMLPFC与cT图像资料有较高的解剖形态学相似性,在生理载荷下与既往文献中的有限元模型有一致的力学响应,为腰椎、骨盆和股骨复合体的生物力学研究提供了三维有限元模型。
 

四种重建方式中,BFFR和ICR为两种基于腓骨移植的钉棒结合生物学重建的方法,其植入物断裂发生的可能性低于单纯的钉棒重建方法(SRR和H汰),复合体稳定性与完整状态相近,优于单纯钉棒重建方法。
 

关键词:骶椎;腰椎、骨盆和股骨复合体;全骶椎切除术;重建;有限元