腰椎皮質骨釘道螺釘在腰椎真性滑脫手術中的三維有限元應用

曲銀娥　宋永全　韓晶　馬思琪

[摘要]目的：應用三維有限元分析模擬并比較傳統釘道（traditional trajectory，TT）與皮質骨釘道（cotticalbone trajectory，CBT）的固定強度。方法：用TT和CBT兩種方式分別對四組椎體進行模擬置釘，對軸向抗拔出力，屈曲、伸展、彎曲、旋轉等應力進行測試，對比固定強度。結果：在抗拔出力比較中，0V-NV組的CBT螺釘相比TT螺釘具有更強，差異有統計學意義（t=2.10，P<0.05）；上、下、左、右方向應力試驗中，NBM-NV、NBM-VS組中，TT螺釘較CBT螺釘固定強度更強，差異均有統計學意義（P<0.05），而在0V-NV中，固定強度則與其相反。在NBM-NV、NBM-VS組屈伸應力比較中，TT螺釘穩定性明顯強于CBT螺釘內固定，差異具有統計學意義（P<0.01），在旋轉應力中，OV-NV組CBT螺釘比TT螺釘能耐受更大的應力，差異具有統計學意義（P<0.05）。結論：對于骨質疏松峽部完整椎體，CBT螺釘的抗拔出力及內固定穩定性優于TT螺釘。

[關鍵詞]腰椎皮質骨釘道螺釘；骨質疏松；腰椎真性滑脫手術；三維有限元

1一般資料

病例納入標準：成年人，腰5椎體真性滑脫，I-II°滑脫。排除標準：伴有其他腰椎疾病，既往有腰椎手術病史或繼發性骨質疏松。

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），原發性骨質疏松合并腰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）為實驗組，峽部正常椎體（L4椎體）作為對照組。

2分組及模型建立

本實驗共分為8組，首先根據患者有無骨質疏松分為骨量正常組及骨質疏松組，再根據椎體峽部裂將每一組分為峽部裂及正常椎體2個亞組，在每個亞組中分別模擬傳統軌跡及皮質骨釘道2種置釘方式

對本實驗所用椎弓根螺釘測量后，應用Solidworks CAD軟件繪制。CT資料由承德醫學院附屬醫院CT科提供，運用Mimcs軟件讀取掃描好的腰椎節段的CT數據。通過Cancelud 3D操作，形成峽部正常與峽部裂椎體的三維模型，導入Geomagic軟件，形成三維實體，并在Geomagic中生產每個椎體的松質骨及皮質骨部分，再導入到Ansys Workbench 14.0中，通過布爾運算得到中空的皮質骨及松質骨兩部分，建立平面、切割、布爾運算等操作生成后部結構。建立有限元分析實驗所需的椎體實體模型，再通過Solidworks軟件生成SLDPRT文件并保存。

3模擬置釘及試驗方法

置釘方案TT：入釘點為人字脊頂點，沿椎弓根解剖軸進釘；CBT：上關節突關節中垂線與同側橫突下1 mm水平線交點，進釘方向為左側11點方向置釘，右側1點方向置釘，外偏角度為10°，頭傾角25°。根據骨密度與彈性模量的經驗公式進行賦值，而鈦合金螺釘的彈性模量查相關文獻而獲得。在釘尾施加一個拔出力，逐漸遞增載荷，每次增加20N，增加至螺釘位移移動1mm，并記錄此時對應載荷即最大抗拔出力。在釘尾按上、下、左、右4個方向加載300N載荷，記錄釘頭位移，記錄螺釘位移移動1mm時所對應載荷，從而評估螺釘一骨接觸面的固定強度，即螺釘穩定性。在椎體上表面均勻施加300N載荷，使其做前屈、后伸、旋轉及側屈運動，記錄釘頭位移，記錄螺釘位移移動1mm時所對應載荷，用以椎體在該方向的穩定性。

4統計學方法

所有數據以均數±標準差（x±s）表示，所有統計數據都在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，其檢驗水準均為a=0.05。

5結果

椎弓根螺釘的抗拔出力實驗結果顯示，在OV-NV分組中，CBT螺釘的平均抗拔出力比TT螺釘的平均抗拔出力強，差異有統計學意義（P=0.042）。在NBM-NV組中，CBT螺釘的抗拔出力大于TT螺釘，差異有統計學意義（P<0.05）。其余各組比較中，差異無統計學意義

上方向與下方向應力試驗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兩個組中，TT螺釘在上方向的載荷位移均大于CBT螺釘，差異有統計學意義（P<0.05）。在OV-NV組中，結果則相反。

左側應力試驗的載荷位移比較在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，差異有明顯統計學意義（P<0.01）。而OV-NV組中，CBT螺釘組的載荷位移大于TT螺釘，差異有明顯統計學意義（P<0.05）。屈曲應力與伸展應力試驗的載荷位移對比較各組TT螺釘與CBT螺釘在屈曲應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，差異有明顯統計學意義（P<0.05）。而在骨質疏松的兩個分組中互相之間的差異則無統計學意義（P<0.05）。

6討論

椎弓根螺釘系統是目前最常用的脊柱內固定方式。本研究將研究對象分成多個組，比較兩種螺釘在各分組中的固定強度。大量生物力學研究己經證實了椎弓根螺釘在椎體固定能力上的重要性。Himno等的試驗顯示60%-80%的固定強度是由椎弓根螺釘的釘道提供。本研究皮質骨釘道螺釘固定強度在骨量正常組中，峽部裂與峽部完整椎體相比，抗拔出力降低了約21.4%，在各運動方向的固定強度也有相應減少。很多學者的研究顯示雙皮質釘道螺釘的各方面固定強度要強于傳統釘道螺釘，而此研究結果顯示骨量正常的峽部裂椎體在雙皮質釘道螺釘的內固定強度表現低于傳統釘道螺釘。這可能是由于皮質骨釘道螺釘比較短小，而峽部裂椎體結構上的不完整性，螺釘的末端沒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只有40例，以及動力分析顯示這樣的樣本量足夠用以檢測兩組之間的統計學差異。椎體的形態，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查研究才能有效降低結果的偏倚。

（通訊作者：曲銀娥）