腰椎皮質(zhì)骨釘?shù)缆葆斣谘嫡嫘曰撌中g(shù)中的三維有限元應(yīng)用

曲銀娥　宋永全　韓晶　馬思琪

[摘要]目的：應(yīng)用三維有限元分析模擬并比較傳統(tǒng)釘?shù)溃╰raditional trajectory，TT）與皮質(zhì)骨釘?shù)溃╟otticalbone trajectory，CBT）的固定強(qiáng)度。方法：用TT和CBT兩種方式分別對四組椎體進(jìn)行模擬置釘，對軸向抗拔出力，屈曲、伸展、彎曲、旋轉(zhuǎn)等應(yīng)力進(jìn)行測試，對比固定強(qiáng)度。結(jié)果：在抗拔出力比較中，0V-NV組的CBT螺釘相比TT螺釘具有更強(qiáng)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=2.10，P<0.05）；上、下、左、右方向應(yīng)力試驗(yàn)中，NBM-NV、NBM-VS組中，TT螺釘較CBT螺釘固定強(qiáng)度更強(qiáng)，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），而在0V-NV中，固定強(qiáng)度則與其相反。在NBM-NV、NBM-VS組屈伸應(yīng)力比較中，TT螺釘穩(wěn)定性明顯強(qiáng)于CBT螺釘內(nèi)固定，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.01），在旋轉(zhuǎn)應(yīng)力中，OV-NV組CBT螺釘比TT螺釘能耐受更大的應(yīng)力，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。結(jié)論：對于骨質(zhì)疏松峽部完整椎體，CBT螺釘?shù)目拱纬隽皟?nèi)固定穩(wěn)定性優(yōu)于TT螺釘。

[關(guān)鍵詞]腰椎皮質(zhì)骨釘?shù)缆葆?；骨質(zhì)疏松；腰椎真性滑脫手術(shù)；三維有限元

1一般資料

病例納入標(biāo)準(zhǔn)：成年人，腰5椎體真性滑脫，I-II°滑脫。排除標(biāo)準(zhǔn)：伴有其他腰椎疾病，既往有腰椎手術(shù)病史或繼發(fā)性骨質(zhì)疏松。

選取骨量正常的腰5椎體真性滑脫患者20例（男性7例，女性13例），原發(fā)性骨質(zhì)疏松合并腰5椎體真性滑脫患者20例（男性8例，女性12例）共40例患者，選取峽部裂椎體（L5椎體）為實(shí)驗(yàn)組，峽部正常椎體（L4椎體）作為對照組。

2分組及模型建立

本實(shí)驗(yàn)共分為8組，首先根據(jù)患者有無骨質(zhì)疏松分為骨量正常組及骨質(zhì)疏松組，再根據(jù)椎體峽部裂將每一組分為峽部裂及正常椎體2個(gè)亞組，在每個(gè)亞組中分別模擬傳統(tǒng)軌跡及皮質(zhì)骨釘?shù)?種置釘方式

對本實(shí)驗(yàn)所用椎弓根螺釘測量后，應(yīng)用Solidworks CAD軟件繪制。CT資料由承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院CT科提供，運(yùn)用Mimcs軟件讀取掃描好的腰椎節(jié)段的CT數(shù)據(jù)。通過Cancelud 3D操作，形成峽部正常與峽部裂椎體的三維模型，導(dǎo)入Geomagic軟件，形成三維實(shí)體，并在Geomagic中生產(chǎn)每個(gè)椎體的松質(zhì)骨及皮質(zhì)骨部分，再導(dǎo)入到Ansys Workbench 14.0中，通過布爾運(yùn)算得到中空的皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨兩部分，建立平面、切割、布爾運(yùn)算等操作生成后部結(jié)構(gòu)。建立有限元分析實(shí)驗(yàn)所需的椎體實(shí)體模型，再通過Solidworks軟件生成SLDPRT文件并保存。

3模擬置釘及試驗(yàn)方法

置釘方案TT：入釘點(diǎn)為人字脊頂點(diǎn)，沿椎弓根解剖軸進(jìn)釘；CBT：上關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)中垂線與同側(cè)橫突下1 mm水平線交點(diǎn)，進(jìn)釘方向?yàn)樽髠?cè)11點(diǎn)方向置釘，右側(cè)1點(diǎn)方向置釘，外偏角度為10°，頭傾角25°。根據(jù)骨密度與彈性模量的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行賦值，而鈦合金螺釘?shù)膹椥阅Ａ坎橄嚓P(guān)文獻(xiàn)而獲得。在釘尾施加一個(gè)拔出力，逐漸遞增載荷，每次增加20N，增加至螺釘位移移動(dòng)1mm，并記錄此時(shí)對應(yīng)載荷即最大抗拔出力。在釘尾按上、下、左、右4個(gè)方向加載300N載荷，記錄釘頭位移，記錄螺釘位移移動(dòng)1mm時(shí)所對應(yīng)載荷，從而評估螺釘一骨接觸面的固定強(qiáng)度，即螺釘穩(wěn)定性。在椎體上表面均勻施加300N載荷，使其做前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)及側(cè)屈運(yùn)動(dòng)，記錄釘頭位移，記錄螺釘位移移動(dòng)1mm時(shí)所對應(yīng)載荷，用以椎體在該方向的穩(wěn)定性。

4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

所有數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，所有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都在Graphpad Prism 6上完成，組間比較采用單因素方差分析，Tukey test用于兩兩比較，其檢驗(yàn)水準(zhǔn)均為a=0.05。

5結(jié)果

椎弓根螺釘?shù)目拱纬隽?shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在OV-NV分組中，CBT螺釘?shù)钠骄拱纬隽Ρ萒T螺釘?shù)钠骄拱纬隽?qiáng)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.042）。在NBM-NV組中，CBT螺釘?shù)目拱纬隽Υ笥赥T螺釘，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。其余各組比較中，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義

上方向與下方向應(yīng)力試驗(yàn)的載荷位移對比較各組TT螺釘與CBT螺釘在上方向的載荷位移比值，在NBM-NV及NBM-SV兩個(gè)組中，TT螺釘在上方向的載荷位移均大于CBT螺釘，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。在OV-NV組中，結(jié)果則相反。

左側(cè)應(yīng)力試驗(yàn)的載荷位移比較在NBM-NV及NBM-SV分組中，TT螺釘在左方向的載荷位移均明顯大于CBT螺釘，差異有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.01）。而OV-NV組中，CBT螺釘組的載荷位移大于TT螺釘，差異有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。屈曲應(yīng)力與伸展應(yīng)力試驗(yàn)的載荷位移對比較各組TT螺釘與CBT螺釘在屈曲應(yīng)力下的載荷位移比值，在NBM-NV及NBM-SV分組中，TT螺釘在載荷位移比較中均明顯大于CBT螺釘，差異有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。而在骨質(zhì)疏松的兩個(gè)分組中互相之間的差異則無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。

6討論

椎弓根螺釘系統(tǒng)是目前最常用的脊柱內(nèi)固定方式。本研究將研究對象分成多個(gè)組，比較兩種螺釘在各分組中的固定強(qiáng)度。大量生物力學(xué)研究己經(jīng)證實(shí)了椎弓根螺釘在椎體固定能力上的重要性。Himno等的試驗(yàn)顯示60%-80%的固定強(qiáng)度是由椎弓根螺釘?shù)尼數(shù)捞峁?。本研究皮質(zhì)骨釘?shù)缆葆敼潭◤?qiáng)度在骨量正常組中，峽部裂與峽部完整椎體相比，抗拔出力降低了約21.4%，在各運(yùn)動(dòng)方向的固定強(qiáng)度也有相應(yīng)減少。很多學(xué)者的研究顯示雙皮質(zhì)釘?shù)缆葆數(shù)母鞣矫婀潭◤?qiáng)度要強(qiáng)于傳統(tǒng)釘?shù)缆葆敚搜芯拷Y(jié)果顯示骨量正常的峽部裂椎體在雙皮質(zhì)釘?shù)缆葆數(shù)膬?nèi)固定強(qiáng)度表現(xiàn)低于傳統(tǒng)釘?shù)缆葆?。這可能是由于皮質(zhì)骨釘?shù)缆葆敱容^短小，而峽部裂椎體結(jié)構(gòu)上的不完整性，螺釘?shù)哪┒藳]能夠最大限度的接近椎體的上終板。

此研究的局限性，首先是我們的研究樣本量相對較少，CT平掃用于建模的患者數(shù)只有40例，以及動(dòng)力分析顯示這樣的樣本量足夠用以檢測兩組之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。椎體的形態(tài)，如椎弓根的形狀，大小和接合，在不同的腰椎水平之間是不同的，因此可能需要更多大樣本的比較相同的腰椎水平的調(diào)查研究才能有效降低結(jié)果的偏倚。

（通訊作者：曲銀娥）