新型腰椎椎弓根釘固定的有限元分析△

趙曉棟，厲 鋒，劉大勇，馬崇一

（1.濰坊醫(yī)學(xué)院，山東 濰坊 261053；2.濰坊市人民醫(yī)院，山東 濰坊 261041）

隨著我國人口老齡化的不斷進(jìn)展［1］，腰椎退行性疾病患者不斷增多，手術(shù)也成為更多患者的選擇。目前傳統(tǒng)椎弓根螺釘（traditional pedicle screw,TPS）內(nèi)固定系統(tǒng)常用于腰椎手術(shù)中［2］，但隨著老年骨質(zhì)疏松患者不斷增加，該系統(tǒng)存在較高的內(nèi)固定松動(dòng)、脫出等風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響手術(shù)效果［3］，其原因與骨質(zhì)量降低、應(yīng)力分布不均和螺釘-骨界面不良有關(guān)［4，5］。因此，如何降低內(nèi)固定系統(tǒng)的失敗率成為當(dāng)今脊柱外科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。應(yīng)用骨水泥強(qiáng)化椎弓根螺釘、增加螺釘?shù)闹睆?、增加置釘?shù)纳疃鹊榷伎梢蕴岣邇?nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性［6，7］，但使用骨水泥存在骨水泥滲漏、骨水泥毒性反應(yīng)等風(fēng)險(xiǎn)［8］；增加螺釘?shù)闹睆胶椭冕斏疃葎t會(huì)增加損傷神經(jīng)的風(fēng)險(xiǎn)［9］。為降低腰椎內(nèi)固定松動(dòng)的發(fā)生率，筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了新型腰椎椎弓根釘（nov?el pedicle screw,NPS）固定裝置，其在同一椎體的兩螺釘之間增加了橫向連接桿，螺釘尾端螺紋改為皮質(zhì)骨螺紋。本研究旨在通過三維有限元分析的方法，分析NPS固定模型、TPS固定模型、傳統(tǒng)椎弓根螺釘+橫連接 （TPS-transvers link,TPS-T）固定模型、傳統(tǒng)椎弓根螺釘+骨水泥 （TPS-bone cement,TPS-C）固定模型的生物力學(xué)特點(diǎn)，進(jìn)而評(píng)價(jià)NPS降低內(nèi)固定松動(dòng)的有效性。

1 資料與方法

1.1 腰椎三維模型建立

選取一名60歲骨質(zhì)疏松癥志愿者（t≤-2.5），排除遺傳病史、家族史及外傷史；排除腰椎骨折、畸形、骨腫瘤等疾病；通過醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，簽署知情同意書后，行腰椎螺旋CT（Discovery CT750 HD，GE公司，美國）掃描，獲取DICOM格式圖像，并將其導(dǎo)入Mimics20（比利時(shí)，Materialise公司）軟件。設(shè)定閾值，區(qū)分不同組織，進(jìn)行不同區(qū)域的三維重建，完成圖像的充填、修飾。建立L4/5椎體幾何輪廓。根據(jù)材料的不同屬性進(jìn)行邊界定義，將其設(shè)定為各項(xiàng)同性、均質(zhì)的線彈性材料，按照各材料的泊松比和彈性模量對(duì)其進(jìn)行賦值（表1）。最終得到包含松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨的腰椎模型。

表1 有限元模型的材料賦值

1.2 內(nèi)固定有限元模型建立

運(yùn)用UG10.0（德國，Siemens PLM Software公司）軟件制作四組內(nèi)固定系統(tǒng)，并完成內(nèi)固定系統(tǒng)與椎體模型的裝配，建立NPS固定模型、TPS固定模型、TPS-T固定模型、TPS-C固定模型（圖1）。

圖1 四組手術(shù)模型 1a:NPS組手術(shù)模型 1b:TPS組手術(shù)模型 1c:TPS-T組手術(shù)模型 1d:TPS-C組手術(shù)模型

1.3 有限元模型應(yīng)力施加

將模型分別導(dǎo)入Abaqus 6.14（法國，Dassault公司），設(shè)定L5下表面被完全固定；對(duì)L4椎體及L5椎體其余部分不進(jìn)行約束，認(rèn)為其可以發(fā)生形變，并賦予前屈、后伸、側(cè)彎、旋轉(zhuǎn)等方向的活動(dòng)度，在L4上表面添加500 N垂直載荷模擬重力對(duì)脊柱的軸壓載荷。對(duì)L4椎體上表面施加10 N·m的扭矩，模擬人體前屈、后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的方向根據(jù)右手螺旋定則進(jìn)行判定，其中拇指方向表示扭矩加載方向，四指彎曲表示模型活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向。

1.4 測量指標(biāo)

在L4椎體、螺釘表面、釘?shù)拦琴|(zhì)分別選取30個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別用于測量四組模型在各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的活動(dòng)度、螺釘von Mises應(yīng)力、釘?shù)拦琴|(zhì)von Mises應(yīng)力［10］。每個(gè)模型重復(fù)測量30次。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 26.0軟件（美國，IBM公司）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料以±s表示，四組間比較采用單因素方差分析，對(duì)有差異的指標(biāo)再次采用LSD法得出組間兩兩比較。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 模型驗(yàn)證

在相同載荷下，將腰椎模型的活動(dòng)度與文獻(xiàn)中的腰椎模型活動(dòng)度進(jìn)行比較［11］，結(jié)果本研究中的腰椎模型活動(dòng)度與文獻(xiàn)中腰椎活動(dòng)度相似。

2.2 活動(dòng)度測量

四組模型的節(jié)段ROM測量結(jié)果見表2。NPS組模型與其余三組模型在屈伸、左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)時(shí)的ROM差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。在左右旋轉(zhuǎn)時(shí)，NPS組的ROM顯著小于其余三組（P<0.05）；TPS組的ROM顯著大于其余三組（P<0.05）；TPS-T組和TPS-C組之間的ROM差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

表2 四種固定方式節(jié)段ROM測量結(jié)果（n=30，°，±s）與比較

表2 四種固定方式節(jié)段ROM測量結(jié)果（n=30，°，±s）與比較

images/BZ_67_205_2273_368_2350.pngimages/BZ_67_368_2273_742_2350.pngimages/BZ_67_742_2273_1167_2350.pngimages/BZ_67_1167_2273_1617_2350.pngimages/BZ_67_1617_2273_2043_2350.pngimages/BZ_67_2043_2273_2277_2350.pngimages/BZ_67_205_2428_368_2506.pngimages/BZ_67_368_2428_742_2506.pngimages/BZ_67_742_2428_1167_2506.pngimages/BZ_67_1167_2428_1617_2506.pngimages/BZ_67_1617_2428_2043_2506.pngimages/BZ_67_2043_2428_2277_2506.pngimages/BZ_67_205_2583_368_2661.pngimages/BZ_67_368_2583_742_2661.pngimages/BZ_67_742_2583_1167_2661.pngimages/BZ_67_1167_2583_1617_2661.pngimages/BZ_67_1617_2583_2043_2661.pngimages/BZ_67_2043_2583_2277_2661.pngimages/BZ_67_205_2738_368_2816.png前屈左側(cè)屈左旋images/BZ_67_368_2738_742_2816.png1.15±0.20 0.66±0.12 0.41±0.05images/BZ_67_742_2738_1167_2816.png1.16±0.10 0.67±0.08 0.59±0.10images/BZ_67_1167_2738_1617_2816.png1.15±0.19 0.65±0.09 0.49±0.09images/BZ_67_1617_2738_2043_2816.png1.16±0.20 0.65±0.09 0.52±0.09images/BZ_67_2043_2738_2277_2816.png0.990 0.650<0.001

2.3 螺釘von Mises應(yīng)力測量

四組模型的螺釘von Mises應(yīng)力測量結(jié)果見表3。NPS組與其余三組在屈伸、左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)時(shí)螺釘?shù)膙on Mises應(yīng)力差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。在左右旋轉(zhuǎn)時(shí)，NPS組螺釘?shù)膙on Mises應(yīng)力顯著小于其余三組（P<0.05）；TPS組的螺釘von Mises應(yīng)力顯著大于其余三組（P<0.05）；TPS-T組和TPS-C組的螺釘von Mises應(yīng)力差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。

表3 四種固定方式螺釘von Mises應(yīng)力測量結(jié)果（n=30，MPa，±s）與比較

表3 四種固定方式螺釘von Mises應(yīng)力測量結(jié)果（n=30，MPa，±s）與比較

images/BZ_68_205_618_406_684.pngimages/BZ_68_406_618_713_684.pngimages/BZ_68_713_618_1152_684.pngimages/BZ_68_1152_618_1610_684.pngimages/BZ_68_1610_618_2042_684.pngimages/BZ_68_2042_618_2075_684.pngimages/BZ_68_2075_618_2276_684.pngimages/BZ_68_205_750_406_817.pngimages/BZ_68_406_750_713_817.pngimages/BZ_68_713_750_1152_817.pngimages/BZ_68_1152_750_1610_817.pngimages/BZ_68_1610_750_2042_817.pngimages/BZ_68_2042_750_2075_817.pngimages/BZ_68_2075_750_2276_817.pngimages/BZ_68_205_883_406_950.pngimages/BZ_68_406_883_713_950.pngimages/BZ_68_713_883_1152_950.pngimages/BZ_68_1152_883_1610_950.pngimages/BZ_68_1610_883_2042_950.pngimages/BZ_68_2042_883_2075_950.pngimages/BZ_68_2075_883_2276_950.pngimages/BZ_68_205_1016_406_1082.png前屈左側(cè)屈左旋images/BZ_68_406_1016_713_1082.png96.23±5.58 114.83±5.49 76.63±5.72images/BZ_68_713_1016_1152_1082.png98.40±4.67 117.00±5.99 100.97±6.33images/BZ_68_1152_1016_1610_1082.png97.83±4.02 115.60±5.38 95.93±5.78images/BZ_68_1610_1016_2042_1082.png97.07±5.90 116.03±6.33 97.00±5.56images/BZ_68_2042_1016_2075_1082.pngimages/BZ_68_2075_1016_2276_1082.png0.384 0.539<0.001

2.4 釘?shù)拦琴|(zhì)von Mises應(yīng)力測量

四組模型的釘?shù)拦琴|(zhì)von Mises應(yīng)力測量結(jié)果見表4。NPS組模型與其余三組模型在屈伸、左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)時(shí)的釘?shù)拦琴|(zhì)von Mises應(yīng)力差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。在左右旋轉(zhuǎn)時(shí)，NPS組釘?shù)拦琴|(zhì)von Mis?es應(yīng)力顯著小于其余三組（P<0.05）；TPS組的釘?shù)拦琴|(zhì)von Mises應(yīng)力顯著大于其余三組（P<0.05）；TPS-T組的釘?shù)拦琴|(zhì)von Mises應(yīng)力顯著小于TPS-C組（P<0.05）。

表4 四種固定方式釘?shù)拦琴|(zhì)von Mises應(yīng)力測量結(jié)果（n=30，MPa，±s）與比較

表4 四種固定方式釘?shù)拦琴|(zhì)von Mises應(yīng)力測量結(jié)果（n=30，MPa，±s）與比較

images/BZ_68_205_1209_432_1276.pngimages/BZ_68_432_1209_790_1276.pngimages/BZ_68_790_1209_1178_1276.pngimages/BZ_68_1178_1209_1606_1276.pngimages/BZ_68_1606_1209_2056_1276.pngimages/BZ_68_2056_1209_2275_1276.pngimages/BZ_68_205_1342_432_1408.pngimages/BZ_68_432_1342_790_1408.pngimages/BZ_68_790_1342_1178_1408.pngimages/BZ_68_1178_1342_1606_1408.pngimages/BZ_68_1606_1342_2056_1408.pngimages/BZ_68_2056_1342_2275_1408.pngimages/BZ_68_205_1475_432_1541.pngimages/BZ_68_432_1475_790_1541.pngimages/BZ_68_790_1475_1178_1541.pngimages/BZ_68_1178_1475_1606_1541.pngimages/BZ_68_1606_1475_2056_1541.pngimages/BZ_68_2056_1475_2275_1541.pngimages/BZ_68_205_1607_432_1674.png前屈左側(cè)屈左旋images/BZ_68_432_1607_790_1674.png7.17±0.99 8.80±0.76 7.23±1.22images/BZ_68_790_1607_1178_1674.png7.57±0.77 9.27±1.20 10.57±0.77images/BZ_68_1178_1607_1606_1674.png7.40±0.81 9.03±0.96 9.23±0.94images/BZ_68_1606_1607_2056_1674.png7.57±0.97 9.23±0.77 9.93±0.83images/BZ_68_2056_1607_2275_1674.png0.26 0.202<0.001

3 討論

骨質(zhì)疏松患者的骨密度和骨質(zhì)量下降，術(shù)后存在較高的螺釘松動(dòng)、脫出風(fēng)險(xiǎn)，需要更強(qiáng)的內(nèi)固定把持力和穩(wěn)定性來維持脊柱穩(wěn)定［12］。為此研究者們做出了諸多努力，在改良螺釘置入技術(shù)方面，常通過預(yù)先攻絲、調(diào)整進(jìn)釘?shù)慕嵌群蜕疃鹊确椒ㄔ黾觾?nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定，但其效果有限。相關(guān)研究表明，當(dāng)螺釘?shù)募舛送黄谱刁w前緣超過2 mm時(shí)，損傷血管和內(nèi)臟的風(fēng)險(xiǎn)較高［13］。在釘?shù)缽?qiáng)化方面，最常用的是通過骨水泥強(qiáng)化釘?shù)?。骨水泥?qiáng)化釘?shù)赖姆绞街饕袃煞N。第一種是先制備釘?shù)?，隨后于釘?shù)乐屑尤脒m量骨水泥，再將螺釘擰入釘?shù)乐?。第二種是先于椎體中置入骨水泥強(qiáng)化空心椎弓根螺釘，隨后在其中注入骨水泥。以上兩種技術(shù)均可提高螺釘把持力［14，15］。然而使用骨水泥來強(qiáng)化椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)也有其不足之處，其中最常見的便是骨水泥滲漏，其發(fā)生率為19%～65%［16］，除此之外還有骨水泥的放熱反應(yīng)、毒性反應(yīng)等［17，18］。

NPS內(nèi)固定系統(tǒng)在釘尾處增加橫向連接桿，通過兩根橫連桿將整個(gè)內(nèi)固定系統(tǒng)連成一個(gè)整體，優(yōu)化內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布，減少因螺釘及釘?shù)乐車琴|(zhì)應(yīng)力集中而導(dǎo)致的骨-螺釘界面不穩(wěn)定。同時(shí)將螺釘釘尾處螺紋改為皮質(zhì)骨螺紋，增加螺釘與椎弓根皮質(zhì)骨的接觸面積，降低螺釘?shù)乃蓜?dòng)率［19，20］；NPS內(nèi)固定系統(tǒng)通過雙橫連桿增強(qiáng)手術(shù)節(jié)段的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，為椎間植骨融合創(chuàng)造穩(wěn)定的環(huán)境，提高植骨融合效率。

在之前的研究中，筆者團(tuán)隊(duì)模擬該系統(tǒng)對(duì)滑脫椎體的復(fù)位，并將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)螺釘組作對(duì)比，結(jié)果NPS組的最大拔出力為（1173.24±244.57）N，而TPS組的最大拔出力為（705.23±264.09）N，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。證明橫連桿和皮質(zhì)骨螺紋可有效提高內(nèi)固定系統(tǒng)的抗拔出力，提高術(shù)中對(duì)滑脫椎體的復(fù)位能力［21］。

既往的生物力學(xué)研究已經(jīng)證實(shí)NPS內(nèi)固定系統(tǒng)能夠降低滑脫椎體復(fù)位時(shí)螺釘松動(dòng)、脫出的發(fā)生率。該三維有限元研究進(jìn)一步分析NPS內(nèi)固定系統(tǒng)在植骨融合完成前降低螺釘松動(dòng)、脫出等方面的價(jià)值。橫連桿可以在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)為內(nèi)固定系統(tǒng)提供更強(qiáng)的力學(xué)穩(wěn)定性，而在前屈、后伸、左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的作用不明顯［22］。在本研究中，NPS組模型在前屈、后伸、左右側(cè)屈運(yùn)動(dòng)時(shí)的活動(dòng)度、螺釘von Mises應(yīng)力、釘?shù)拦琴|(zhì)von Mises應(yīng)力與其余三組的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）；在左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，NPS組模型的活動(dòng)度、螺釘von Mises應(yīng)力、釘?shù)拦琴|(zhì)von Mises應(yīng)力小于其余三組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。

在患者術(shù)后早期活動(dòng)時(shí)，內(nèi)固定系統(tǒng)代替椎體承擔(dān)了大量的載荷，維持著脊柱的穩(wěn)定性，但長時(shí)間的應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致內(nèi)固定系統(tǒng)松動(dòng)［23］。NPS組模型在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的活動(dòng)度和螺釘von Mises應(yīng)力小于其余三組（P<0.05）。由此推測，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)橫連桿與兩螺釘形成的三角形結(jié)構(gòu)可以對(duì)手術(shù)節(jié)段具有較強(qiáng)的限制作用，提高了模型的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性；同時(shí)橫連桿可以優(yōu)化內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布，減少螺釘所受應(yīng)力，降低螺釘?shù)乃蓜?dòng)率。在左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，NPS組模型的活動(dòng)度較TPS-T組?。≒<0.05），說明雙橫連桿對(duì)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的提升作用較單連桿強(qiáng)，這與Kuklo［24］的結(jié)果一致。堅(jiān)強(qiáng)固定可以為手術(shù)節(jié)段提供更強(qiáng)的穩(wěn)定性，維持矯形效果，提高融合率和融合速度［25］，但同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致椎體所受應(yīng)力減少、固定區(qū)骨礦含量和骨融合質(zhì)量降低、鄰近節(jié)段退變加快［26］。NPS組內(nèi)固定具有更強(qiáng)的復(fù)位、固定功能，輔以合理的功能鍛煉和抗骨質(zhì)疏松治療，可一定程度減少固定節(jié)段的骨質(zhì)疏松進(jìn)展，但其遠(yuǎn)期療效還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

患者術(shù)后活動(dòng)時(shí)，釘?shù)拦琴|(zhì)會(huì)承受部分應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過正常范圍后，應(yīng)力越大，則釘?shù)拦琴|(zhì)吸收越快，繼而造成骨-螺釘界面不穩(wěn)定，螺釘松動(dòng)率增加［27］。在本實(shí)驗(yàn)中四組模型在各方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，釘?shù)拦琴|(zhì)皆有明顯應(yīng)力集中，NPS組釘?shù)拦琴|(zhì)在各運(yùn)動(dòng)方向的von Mises應(yīng)力皆小于其余三組（P<0.05），說明NPS內(nèi)固定系統(tǒng)能更好的降低釘?shù)拦琴|(zhì)所受應(yīng)力，降低螺釘松動(dòng)率。

本研究中的螺釘仍存在不足：螺釘?shù)尼斘草^長，需要進(jìn)一步優(yōu)化其長度；由于椎體中的螺釘與橫向連接成三角形結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性較強(qiáng)，形狀不易改變，但用于重度骨質(zhì)疏松患者時(shí)，仍然存在一定的螺釘切割椎弓根，甚至損傷神經(jīng)的風(fēng)險(xiǎn)。由于在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒅写嬖诤喕?，忽略了肌肉及椎間盤退化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，使得所得數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)存在一定的偏差，但在實(shí)體標(biāo)本相對(duì)短缺的大環(huán)境中，仍有非常重要的參考價(jià)值。