骨質(zhì)疏松椎體中不同螺釘內(nèi)固定方式的生物力學(xué)有限元分析*

黃海珊 馬航展 李波

隨著我國(guó)老齡化加劇，老年退變性脊柱疾病發(fā)生率逐年上升，該類疾病手術(shù)治療時(shí)，采用經(jīng)后路椎弓根螺釘內(nèi)固定最為常見(jiàn)[1-3]。但老年患者常伴有骨質(zhì)疏松，容易導(dǎo)致椎弓根螺釘把持力下降，最終導(dǎo)致椎弓根螺釘不穩(wěn)、松動(dòng)、拔出等，影響手術(shù)效果[4-5]。因此，如何有效地提高骨質(zhì)疏松條件下椎弓根釘內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性已經(jīng)成為脊柱外科領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)及研究熱點(diǎn)。本研究采用課題組自主研發(fā)的帶凹槽實(shí)心新型釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘（專利號(hào)：201620893585），通過(guò)建立模擬螺釘-骨抗拔出力實(shí)驗(yàn)有限元模型，模擬螺釘?shù)妮S向拔出實(shí)驗(yàn)及位移情況，評(píng)估四種螺釘生物力學(xué)特點(diǎn)，得出研究結(jié)果，為后期螺釘-骨相互作用等離體生物力學(xué)研究以及臨床實(shí)踐研究提供更好的研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 三維模型的建立 選取一名65歲骨質(zhì)疏松志愿者（經(jīng)測(cè)T值≤-2.5），經(jīng)體格檢查和攝X線片檢查脊柱、四肢，排除骨折、畸形、腫瘤等骨骼異常，排除外傷、遺傳、家族史，并且獲得醫(yī)院倫理委員會(huì)同意，簽署知情同意書。進(jìn)行腰椎64排螺旋CT（PHILIPS）軸向連續(xù)斷層掃描，掃描條件：電壓120 kV，電流300 mA，骨組織窗掃描，層距0.75 mm，取得DICOM格式圖像，將圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics17.0軟件（Materialise），根據(jù)骨輪廓曲線選取合適的骨質(zhì)閾值，生成原始蒙罩圖像，用區(qū)域增長(zhǎng)、分割或擦除功能，建立腰4椎體三維模型。并利用CAD軟件進(jìn)行4種不同螺釘植入物的配準(zhǔn)以及表面平滑，分別以stl格式輸出，并導(dǎo)入軟件Geomagic Studio2013中建立幾何模型的空間拓?fù)湫畔?，通過(guò)創(chuàng)建脊柱特征邊界來(lái)定義模型邊界條件、分割數(shù)據(jù)、構(gòu)造柵格網(wǎng)、曲面擬合，將合成的非均勻有理B樣條（NURBS）曲線構(gòu)建曲面片，最終得到腰椎包含骨皮質(zhì)和松質(zhì)骨的三維實(shí)體模型及螺釘模型。以上所有螺釘均采用6.5 mm×45 mm規(guī)格的鈦合金螺釘。

1.2 設(shè)定載荷、網(wǎng)格劃分 將Mimics 軟件制作的椎體及釘?shù)廊S模型導(dǎo)入有限元分析軟件Abaqus 2016有限元分析軟件處理，賦予四面體實(shí)體網(wǎng)格。椎體網(wǎng)格大小為1.5 mm，局部0.5 mm，骨水泥為1 mm，螺釘為0.5 mm，網(wǎng)格類型為C3D4。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為60 918，單元數(shù)量為311 713。

1.3 相關(guān)材料參數(shù) 本研究中的所有材料假設(shè)為均質(zhì)、各向同性的線彈性材料，根據(jù)大多數(shù)研究者公認(rèn)的并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值[6-7]，見(jiàn)表1。

表1 相關(guān)材料參數(shù)

1.4 椎弓根螺釘植入位置 腰椎植入螺釘?shù)狞c(diǎn)位于垂直線與水平線的交點(diǎn)，垂直線為上關(guān)節(jié)突外緣的切線，水平線為橫突的平分線，螺釘向中心線傾斜5°～10°。根據(jù)以上置釘方法，分別模擬在三維模型上置入新型釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘、可注射空心椎弓根螺釘、普通椎弓根螺釘骨水泥強(qiáng)化、單純普通椎弓根螺釘，見(jiàn)圖1。

圖1 四種椎弓根螺釘置釘情況

2 結(jié)果

2.1 模擬拔出力及位移情況 在仿真模擬軸向拔出實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)出現(xiàn)骨質(zhì)破壞時(shí)，螺釘開(kāi)始松動(dòng)。新型釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘最大軸向拔出力為1 508.05 N，可注射空心椎弓根螺釘為1 304.05 N，普通椎弓根螺釘骨水泥強(qiáng)化為1 128.42 N，單純普通椎弓根螺釘為833.06 N。在載荷-位移曲線中，單純普通椎弓根螺釘在拔出1.6 mm處出現(xiàn)骨質(zhì)破壞，可注射空心椎弓根螺釘和普通椎弓根螺釘骨水泥強(qiáng)化分別在2 mm和1.8 mm處出現(xiàn)骨質(zhì)破壞，而新型釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘螺位移距離明顯增加，在2.5 mm處才出現(xiàn)骨質(zhì)破壞。

2.2 模擬發(fā)生位移時(shí)椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力情況 在模擬上述位移骨質(zhì)發(fā)生破壞時(shí)施加的不同載荷中，新型釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘最大應(yīng)力為434.50 MPa，可注射空心椎弓根螺釘最大應(yīng)力為343.50 MPa，普通椎弓根螺釘骨水泥強(qiáng)化最大應(yīng)力為262.15 MPa，單純普通椎弓根螺釘最大應(yīng)力為181.35 MPa。見(jiàn)圖2。

圖2 發(fā)生位移時(shí)四種椎弓根螺釘應(yīng)力

3 討論

近年來(lái)，三維有限元分析法（finite element method，F(xiàn)EM）已在骨科領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，利用有限元分析法對(duì)脊柱內(nèi)固定器械的研發(fā)進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，對(duì)于正確選擇手術(shù)方法，合理使用內(nèi)固定器械，降低手術(shù)失敗率和減少并發(fā)癥的發(fā)生具有重要意義[8-11]，使得有限元分析技術(shù)在脊柱生物力學(xué)領(lǐng)域得到了極大的拓展。

在治療老年脊柱疾病方面，經(jīng)椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)治療已被廣泛應(yīng)用，然而，老年患者常伴有骨質(zhì)疏松，導(dǎo)致術(shù)后椎弓根螺釘松動(dòng)或拔出的概率明顯增加[12-14]。為減少上述并發(fā)癥，在臨床實(shí)踐中，脊柱骨科醫(yī)生常在置入椎弓根螺釘時(shí)，通過(guò)向釘?shù)雷⑷牍撬嘁詮?qiáng)化釘?shù)?，增加椎弓根螺釘與釘?shù)乐g牢固性，以達(dá)到抗拔除目的。Saman等[15]研究發(fā)現(xiàn)老年脊柱骨折患者手術(shù)中采用PMMA強(qiáng)化釘?shù)揽擅黠@降低術(shù)后螺釘松動(dòng)發(fā)生，發(fā)生率僅為4.3%。目前釘?shù)缽?qiáng)化技術(shù)中，較為常用的方法有普通椎弓根螺釘復(fù)合骨水泥強(qiáng)化及空心側(cè)孔螺釘復(fù)合骨水泥強(qiáng)化，故本研究采用了上述具有代表性的釘?shù)缽?qiáng)化方式作為對(duì)照研究。

該研究中，由于骨水泥有一定的流動(dòng)性，所以在建模時(shí)不能完全模擬真實(shí)的分布狀態(tài)，筆者采用了體積一致的骨水泥量，并假設(shè)骨水泥是按圓柱狀分布進(jìn)行分析。單純普通椎弓根螺釘在位移1.6 mm時(shí)出現(xiàn)骨質(zhì)破壞，拔出力為833.06 N，拔出力最弱，結(jié)果與Chatzistergos等[16]研究的椎弓根螺釘拔出松質(zhì)骨的破壞發(fā)生在椎弓根螺釘拔出約1.5 mm一致。新型釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘在位移2.5 mm時(shí)才發(fā)生骨質(zhì)破壞，拔出力為1 508.05 N，因該研究的四種螺釘和骨水泥的模型結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生不同的應(yīng)力，當(dāng)?shù)竭_(dá)骨質(zhì)破壞的極限，螺釘松動(dòng)時(shí)[17]，其位移亦有不同，結(jié)果顯示新型釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘最為牢固，穩(wěn)定性最佳。當(dāng)發(fā)生位移骨質(zhì)破壞時(shí)，螺釘開(kāi)始松動(dòng)，此時(shí)測(cè)得新型釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘最大應(yīng)力為434.5 MPa，明顯高于其他三種螺釘，證實(shí)了新型釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘抗拔出力最強(qiáng)，而單純普通椎弓根螺釘最弱，因此臨床中采用普通螺釘進(jìn)行內(nèi)固定治療老年骨質(zhì)疏松性脊柱疾病時(shí)，只單純通過(guò)螺釘螺紋與釘?shù)拦敲娼佑|起固定作用，螺釘松動(dòng)率會(huì)明顯增加。與普通椎弓根螺釘骨水泥強(qiáng)化對(duì)比，可注射空心椎弓根螺釘穩(wěn)定性更加，與文獻(xiàn)[6，18-19]報(bào)道的結(jié)果相一致。與新型釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘相比，可注射空心椎弓根螺釘、普通椎弓根螺釘骨水泥強(qiáng)化雖可增加螺釘抗拔出力，但臨床運(yùn)用中，均需要向釘?shù)纼?nèi)直接注入骨水泥，有存在骨水泥滲漏風(fēng)險(xiǎn)，且術(shù)中通過(guò)多次X線透視以減少滲漏率，增加了醫(yī)務(wù)人員及患者的X線輻射損傷。而且普通椎弓根螺釘骨水泥釘?shù)缽?qiáng)化及可注射空心骨水泥螺釘在臨床中骨水泥較多只分布于椎體前中部，椎體后部及椎弓根釘?shù)啦糠殖?qiáng)化不足，從而降低了螺釘抗拔出作用。Hirano等[20]通過(guò)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，椎弓根螺釘?shù)目拱纬隽?0%由椎弓根部位提供，而椎體部位提供的抗拔出力比較小。該新型帶凹槽釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘，術(shù)中可將骨水泥直接注射入螺釘凹槽，無(wú)需直接注入釘?shù)?，隨著旋擰動(dòng)作，骨水泥可較為均勻的散布在椎弓根釘?shù)赖膬?nèi)表面及螺釘表面，使得骨水泥分布均勻，尤其是椎體后部及部分椎弓根部均可以得到強(qiáng)化，進(jìn)而提高了該螺釘在椎體內(nèi)的穩(wěn)定性。該模擬生物力學(xué)研究證實(shí)了，采用該新型釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘，能夠有效地增加螺釘在椎體內(nèi)的拔出力，增加螺釘?shù)姆€(wěn)定性，減少松動(dòng)。

該研究采用三維有限元分析，一定程度上能夠仿真模擬人體骨質(zhì)疏松椎體中不同釘?shù)缽?qiáng)化方式離體生物力學(xué)研究，具有重要的參考價(jià)值，但與真實(shí)的脊柱椎體、螺釘、骨水泥等存在一定差距，無(wú)法模擬人體真實(shí)的生物力學(xué)狀態(tài)，故研究結(jié)果與臨床實(shí)際仍存在一定的距離，因此這一研究結(jié)論還需進(jìn)一步離體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)去證實(shí)。

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