骨质疏松椎体中不同螺钉内固定方式的生物力学有限元分析*

黄海珊 马航展 李波

随着我国老龄化加剧，老年退变性脊柱疾病发生率逐年上升，该类疾病手术治疗时，采用经后路椎弓根螺钉内固定最为常见[1-3]。但老年患者常伴有骨质疏松，容易导致椎弓根螺钉把持力下降，最终导致椎弓根螺钉不稳、松动、拔出等，影响手术效果[4-5]。因此，如何有效地提高骨质疏松条件下椎弓根钉内固定系统的稳定性已经成为脊柱外科领域的一大挑战及研究热点。本研究采用课题组自主研发的带凹槽实心新型钉道强化椎弓根螺钉（专利号：201620893585），通过建立模拟螺钉-骨抗拔出力实验有限元模型，模拟螺钉的轴向拔出实验及位移情况，评估四种螺钉生物力学特点，得出研究结果，为后期螺钉-骨相互作用等离体生物力学研究以及临床实践研究提供更好的研究基础。

1 材料与方法

1.1 三维模型的建立 选取一名65岁骨质疏松志愿者（经测T值≤-2.5），经体格检查和摄X线片检查脊柱、四肢，排除骨折、畸形、肿瘤等骨骼异常，排除外伤、遗传、家族史，并且获得医院伦理委员会同意，签署知情同意书。进行腰椎64排螺旋CT（PHILIPS）轴向连续断层扫描，扫描条件：电压120 kV，电流300 mA，骨组织窗扫描，层距0.75 mm，取得DICOM格式图像，将图像数据导入Mimics17.0软件（Materialise），根据骨轮廓曲线选取合适的骨质阈值，生成原始蒙罩图像，用区域增长、分割或擦除功能，建立腰4椎体三维模型。并利用CAD软件进行4种不同螺钉植入物的配准以及表面平滑，分别以stl格式输出，并导入软件Geomagic Studio2013中建立几何模型的空间拓扑信息，通过创建脊柱特征边界来定义模型边界条件、分割数据、构造栅格网、曲面拟合，将合成的非均匀有理B样条（NURBS）曲线构建曲面片，最终得到腰椎包含骨皮质和松质骨的三维实体模型及螺钉模型。以上所有螺钉均采用6.5 mm×45 mm规格的钛合金螺钉。

1.2 设定载荷、网格划分 将Mimics 软件制作的椎体及钉道三维模型导入有限元分析软件Abaqus 2016有限元分析软件处理，赋予四面体实体网格。椎体网格大小为1.5 mm，局部0.5 mm，骨水泥为1 mm，螺钉为0.5 mm，网格类型为C3D4。网格节点数量为60 918，单元数量为311 713。

1.3 相关材料参数 本研究中的所有材料假设为均质、各向同性的线弹性材料，根据大多数研究者公认的并经过验证的数据进行赋值[6-7]，见表1。

表1 相关材料参数

1.4 椎弓根螺钉植入位置 腰椎植入螺钉的点位于垂直线与水平线的交点，垂直线为上关节突外缘的切线，水平线为横突的平分线，螺钉向中心线倾斜5°～10°。根据以上置钉方法，分别模拟在三维模型上置入新型钉道强化椎弓根螺钉、可注射空心椎弓根螺钉、普通椎弓根螺钉骨水泥强化、单纯普通椎弓根螺钉，见图1。

图1 四种椎弓根螺钉置钉情况

2 结果

2.1 模拟拔出力及位移情况 在仿真模拟轴向拔出实验中，当出现骨质破坏时，螺钉开始松动。新型钉道强化椎弓根螺钉最大轴向拔出力为1 508.05 N，可注射空心椎弓根螺钉为1 304.05 N，普通椎弓根螺钉骨水泥强化为1 128.42 N，单纯普通椎弓根螺钉为833.06 N。在载荷-位移曲线中，单纯普通椎弓根螺钉在拔出1.6 mm处出现骨质破坏，可注射空心椎弓根螺钉和普通椎弓根螺钉骨水泥强化分别在2 mm和1.8 mm处出现骨质破坏，而新型钉道强化椎弓根螺钉螺位移距离明显增加，在2.5 mm处才出现骨质破坏。

2.2 模拟发生位移时椎弓根螺钉的应力情况 在模拟上述位移骨质发生破坏时施加的不同载荷中，新型钉道强化椎弓根螺钉最大应力为434.50 MPa，可注射空心椎弓根螺钉最大应力为343.50 MPa，普通椎弓根螺钉骨水泥强化最大应力为262.15 MPa，单纯普通椎弓根螺钉最大应力为181.35 MPa。见图2。

图2 发生位移时四种椎弓根螺钉应力

3 讨论

近年来，三维有限元分析法（finite element method，FEM）已在骨科领域广泛应用，利用有限元分析法对脊柱内固定器械的研发进行应力分析计算，对于正确选择手术方法，合理使用内固定器械，降低手术失败率和减少并发症的发生具有重要意义[8-11]，使得有限元分析技术在脊柱生物力学领域得到了极大的拓展。

在治疗老年脊柱疾病方面，经椎弓根螺钉内固定手术治疗已被广泛应用，然而，老年患者常伴有骨质疏松，导致术后椎弓根螺钉松动或拔出的概率明显增加[12-14]。为减少上述并发症，在临床实践中，脊柱骨科医生常在置入椎弓根螺钉时，通过向钉道注入骨水泥以强化钉道，增加椎弓根螺钉与钉道之间牢固性，以达到抗拔除目的。Saman等[15]研究发现老年脊柱骨折患者手术中采用PMMA强化钉道可明显降低术后螺钉松动发生，发生率仅为4.3%。目前钉道强化技术中，较为常用的方法有普通椎弓根螺钉复合骨水泥强化及空心侧孔螺钉复合骨水泥强化，故本研究采用了上述具有代表性的钉道强化方式作为对照研究。

该研究中，由于骨水泥有一定的流动性，所以在建模时不能完全模拟真实的分布状态，笔者采用了体积一致的骨水泥量，并假设骨水泥是按圆柱状分布进行分析。单纯普通椎弓根螺钉在位移1.6 mm时出现骨质破坏，拔出力为833.06 N，拔出力最弱，结果与Chatzistergos等[16]研究的椎弓根螺钉拔出松质骨的破坏发生在椎弓根螺钉拔出约1.5 mm一致。新型钉道强化椎弓根螺钉在位移2.5 mm时才发生骨质破坏，拔出力为1 508.05 N，因该研究的四种螺钉和骨水泥的模型结构不同，产生不同的应力，当到达骨质破坏的极限，螺钉松动时[17]，其位移亦有不同，结果显示新型钉道强化椎弓根螺钉最为牢固，稳定性最佳。当发生位移骨质破坏时，螺钉开始松动，此时测得新型钉道强化椎弓根螺钉最大应力为434.5 MPa，明显高于其他三种螺钉，证实了新型钉道强化椎弓根螺钉抗拔出力最强，而单纯普通椎弓根螺钉最弱，因此临床中采用普通螺钉进行内固定治疗老年骨质疏松性脊柱疾病时，只单纯通过螺钉螺纹与钉道骨面接触起固定作用，螺钉松动率会明显增加。与普通椎弓根螺钉骨水泥强化对比，可注射空心椎弓根螺钉稳定性更加，与文献[6，18-19]报道的结果相一致。与新型钉道强化椎弓根螺钉相比，可注射空心椎弓根螺钉、普通椎弓根螺钉骨水泥强化虽可增加螺钉抗拔出力，但临床运用中，均需要向钉道内直接注入骨水泥，有存在骨水泥渗漏风险，且术中通过多次X线透视以减少渗漏率，增加了医务人员及患者的X线辐射损伤。而且普通椎弓根螺钉骨水泥钉道强化及可注射空心骨水泥螺钉在临床中骨水泥较多只分布于椎体前中部，椎体后部及椎弓根钉道部分常强化不足，从而降低了螺钉抗拔出作用。Hirano等[20]通过生物力学实验研究发现，椎弓根螺钉的抗拔出力60%由椎弓根部位提供，而椎体部位提供的抗拔出力比较小。该新型带凹槽钉道强化椎弓根螺钉，术中可将骨水泥直接注射入螺钉凹槽，无需直接注入钉道，随着旋拧动作，骨水泥可较为均匀的散布在椎弓根钉道的内表面及螺钉表面，使得骨水泥分布均匀，尤其是椎体后部及部分椎弓根部均可以得到强化，进而提高了该螺钉在椎体内的稳定性。该模拟生物力学研究证实了，采用该新型钉道强化椎弓根螺钉，能够有效地增加螺钉在椎体内的拔出力，增加螺钉的稳定性，减少松动。

该研究采用三维有限元分析，一定程度上能够仿真模拟人体骨质疏松椎体中不同钉道强化方式离体生物力学研究，具有重要的参考价值，但与真实的脊柱椎体、螺钉、骨水泥等存在一定差距，无法模拟人体真实的生物力学状态，故研究结果与临床实际仍存在一定的距离，因此这一研究结论还需进一步离体生物力学实验去证实。

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