骨質疏松椎體中不同螺釘內固定方式的生物力學有限元分析*

黃海珊 馬航展 李波

隨著我國老齡化加劇，老年退變性脊柱疾病發生率逐年上升，該類疾病手術治療時，采用經后路椎弓根螺釘內固定最為常見[1-3]。但老年患者常伴有骨質疏松，容易導致椎弓根螺釘把持力下降，最終導致椎弓根螺釘不穩、松動、拔出等，影響手術效果[4-5]。因此，如何有效地提高骨質疏松條件下椎弓根釘內固定系統的穩定性已經成為脊柱外科領域的一大挑戰及研究熱點。本研究采用課題組自主研發的帶凹槽實心新型釘道強化椎弓根螺釘（專利號：201620893585），通過建立模擬螺釘-骨抗拔出力實驗有限元模型，模擬螺釘的軸向拔出實驗及位移情況，評估四種螺釘生物力學特點，得出研究結果，為后期螺釘-骨相互作用等離體生物力學研究以及臨床實踐研究提供更好的研究基礎。

1 材料與方法

1.1 三維模型的建立 選取一名65歲骨質疏松志愿者（經測T值≤-2.5），經體格檢查和攝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，并且獲得醫院倫理委員會同意，簽署知情同意書。進行腰椎64排螺旋CT（PHILIPS）軸向連續斷層掃描，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，將圖像數據導入Mimics17.0軟件（Materialise），根據骨輪廓曲線選取合適的骨質閾值，生成原始蒙罩圖像，用區域增長、分割或擦除功能，建立腰4椎體三維模型。并利用CAD軟件進行4種不同螺釘植入物的配準以及表面平滑，分別以stl格式輸出，并導入軟件Geomagic Studio2013中建立幾何模型的空間拓撲信息，通過創建脊柱特征邊界來定義模型邊界條件、分割數據、構造柵格網、曲面擬合，將合成的非均勻有理B樣條（NURBS）曲線構建曲面片，最終得到腰椎包含骨皮質和松質骨的三維實體模型及螺釘模型。以上所有螺釘均采用6.5 mm×45 mm規格的鈦合金螺釘。

1.2 設定載荷、網格劃分 將Mimics 軟件制作的椎體及釘道三維模型導入有限元分析軟件Abaqus 2016有限元分析軟件處理，賦予四面體實體網格。椎體網格大小為1.5 mm，局部0.5 mm，骨水泥為1 mm，螺釘為0.5 mm，網格類型為C3D4。網格節點數量為60 918，單元數量為311 713。

1.3 相關材料參數 本研究中的所有材料假設為均質、各向同性的線彈性材料，根據大多數研究者公認的并經過驗證的數據進行賦值[6-7]，見表1。

表1 相關材料參數

1.4 椎弓根螺釘植入位置 腰椎植入螺釘的點位于垂直線與水平線的交點，垂直線為上關節突外緣的切線，水平線為橫突的平分線，螺釘向中心線傾斜5°～10°。根據以上置釘方法，分別模擬在三維模型上置入新型釘道強化椎弓根螺釘、可注射空心椎弓根螺釘、普通椎弓根螺釘骨水泥強化、單純普通椎弓根螺釘，見圖1。

圖1 四種椎弓根螺釘置釘情況

2 結果

2.1 模擬拔出力及位移情況 在仿真模擬軸向拔出實驗中，當出現骨質破壞時，螺釘開始松動。新型釘道強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處出現骨質破壞，可注射空心椎弓根螺釘和普通椎弓根螺釘骨水泥強化分別在2 mm和1.8 mm處出現骨質破壞，而新型釘道強化椎弓根螺釘螺位移距離明顯增加，在2.5 mm處才出現骨質破壞。

2.2 模擬發生位移時椎弓根螺釘的應力情況 在模擬上述位移骨質發生破壞時施加的不同載荷中，新型釘道強化椎弓根螺釘最大應力為434.50 MPa，可注射空心椎弓根螺釘最大應力為343.50 MPa，普通椎弓根螺釘骨水泥強化最大應力為262.15 MPa，單純普通椎弓根螺釘最大應力為181.35 MPa。見圖2。

圖2 發生位移時四種椎弓根螺釘應力

3 討論

近年來，三維有限元分析法（finite element method，FEM）已在骨科領域廣泛應用，利用有限元分析法對脊柱內固定器械的研發進行應力分析計算，對于正確選擇手術方法，合理使用內固定器械，降低手術失敗率和減少并發癥的發生具有重要意義[8-11]，使得有限元分析技術在脊柱生物力學領域得到了極大的拓展。

在治療老年脊柱疾病方面，經椎弓根螺釘內固定手術治療已被廣泛應用，然而，老年患者常伴有骨質疏松，導致術后椎弓根螺釘松動或拔出的概率明顯增加[12-14]。為減少上述并發癥，在臨床實踐中，脊柱骨科醫生常在置入椎弓根螺釘時，通過向釘道注入骨水泥以強化釘道，增加椎弓根螺釘與釘道之間牢固性，以達到抗拔除目的。Saman等[15]研究發現老年脊柱骨折患者手術中采用PMMA強化釘道可明顯降低術后螺釘松動發生，發生率僅為4.3%。目前釘道強化技術中，較為常用的方法有普通椎弓根螺釘復合骨水泥強化及空心側孔螺釘復合骨水泥強化，故本研究采用了上述具有代表性的釘道強化方式作為對照研究。

該研究中，由于骨水泥有一定的流動性，所以在建模時不能完全模擬真實的分布狀態，筆者采用了體積一致的骨水泥量，并假設骨水泥是按圓柱狀分布進行分析。單純普通椎弓根螺釘在位移1.6 mm時出現骨質破壞，拔出力為833.06 N，拔出力最弱，結果與Chatzistergos等[16]研究的椎弓根螺釘拔出松質骨的破壞發生在椎弓根螺釘拔出約1.5 mm一致。新型釘道強化椎弓根螺釘在位移2.5 mm時才發生骨質破壞，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構不同，產生不同的應力，當到達骨質破壞的極限，螺釘松動時[17]，其位移亦有不同，結果顯示新型釘道強化椎弓根螺釘最為牢固，穩定性最佳。當發生位移骨質破壞時，螺釘開始松動，此時測得新型釘道強化椎弓根螺釘最大應力為434.5 MPa，明顯高于其他三種螺釘，證實了新型釘道強化椎弓根螺釘抗拔出力最強，而單純普通椎弓根螺釘最弱，因此臨床中采用普通螺釘進行內固定治療老年骨質疏松性脊柱疾病時，只單純通過螺釘螺紋與釘道骨面接觸起固定作用，螺釘松動率會明顯增加。與普通椎弓根螺釘骨水泥強化對比，可注射空心椎弓根螺釘穩定性更加，與文獻[6，18-19]報道的結果相一致。與新型釘道強化椎弓根螺釘相比，可注射空心椎弓根螺釘、普通椎弓根螺釘骨水泥強化雖可增加螺釘抗拔出力，但臨床運用中，均需要向釘道內直接注入骨水泥，有存在骨水泥滲漏風險，且術中通過多次X線透視以減少滲漏率，增加了醫務人員及患者的X線輻射損傷。而且普通椎弓根螺釘骨水泥釘道強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道部分常強化不足，從而降低了螺釘抗拔出作用。Hirano等[20]通過生物力學實驗研究發現，椎弓根螺釘的抗拔出力60%由椎弓根部位提供，而椎體部位提供的抗拔出力比較小。該新型帶凹槽釘道強化椎弓根螺釘，術中可將骨水泥直接注射入螺釘凹槽，無需直接注入釘道，隨著旋擰動作，骨水泥可較為均勻的散布在椎弓根釘道的內表面及螺釘表面，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化，進而提高了該螺釘在椎體內的穩定性。該模擬生物力學研究證實了，采用該新型釘道強化椎弓根螺釘，能夠有效地增加螺釘在椎體內的拔出力，增加螺釘的穩定性，減少松動。

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疏松椎體中不同釘道強化方式離體生物力學研究，具有重要的參考價值，但與真實的脊柱椎體、螺釘、骨水泥等存在一定差距，無法模擬人體真實的生物力學狀態，故研究結果與臨床實際仍存在一定的距離，因此這一研究結論還需進一步離體生物力學實驗去證實。

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