CBT螺钉固定椎体单元的生物力学研究

武 洵，申才良

与传统的椎弓根钉道螺钉相比，皮质骨钉道螺钉技术显著提高了置入螺钉的固定稳定性[1-2]，对骨质疏松患者有较好的适应性[3-4]。目前针对单个CBT螺钉固定的力学特性研究较多，如极限抗拔强度、固定刚度等[5-6]，但对椎体运动单元力学特性的研究较少。

本研究在建立有限元模型的基础上，考虑TT螺钉与CBT螺钉两种置钉方式，模拟不同运动状态下椎体运动单元的受力及活动情况，并对置入融合器的影响进行考察，探寻椎体运动单元的生物力学信息，为今后椎体运动单元的实验研究提供数值模拟基础。

1 材料与方法

1.1设备与材料本研究选取一名伴有骨质疏松的腰椎患者为研究对象，骨密度T值为-3.4，排除脊柱创伤、肿瘤、感染等疾病。扫描设备(CT)为1.5TMRI机(美国GE公司)；计算机设备医学影像交互式软件：MIMICS 15.0(比利时Materialise公司)，逆向工程软件Geomagic Studio 12.0 (美国Geomagic公司)，Pro/E(美国参数技术公司)，有限元分析软件ABAQUS 6.10(美国ABAQUS公司)。

1.2模型建立通过对椎骨的扫描、提取、拟合、光顺处理以及组装，建立了高度几何相似的椎骨三维模型，并导入ABAQUS等分析软件。为了对结果进行有效的验证，腰椎内各结构的力学材料属性均取既往文献，并结合CT扫描的HU值[7]，具体材料参数见表1。

为模仿椎体所受生理载荷，对L4椎体上向终板施加载荷为400 N的正压力，并在3个解剖主平面上分别施加7.5 N·m的纯扭矩。扭转时方向参考腰曲切线方向，侧弯时垂直于腰曲切线方向并与矢状面平行(图1)。

图1 有限元计算模型

有限元模型根据实际临床技术模拟TT螺钉与CBT螺钉的置入。TT螺钉的植入是采用韦恩斯坦技术将螺钉沿着椎弓根解剖线，平行于椎体终板插入椎体中，钉道直径为6.5 mm，长度40 mm。CBT植入的进钉点为上关节突中心与横突下缘下方1 mm的结合点，以左侧椎弓根投影5点向11～12点方向置钉，右侧椎弓根投影7点向12～1点方向置钉，钉道外倾角为10°，头倾角为25°，直径为5.5 mm，长度为35 mm。

表1 材料属性

2 结果

2.1椎体应力分布采用CBT螺钉对脊椎L4、L5关节固定时，应力最大区域位于钉棒及横连，前屈、后伸、左侧弯、左旋状态下应力最大值分别为230.4、187.5、236.4、199.6 kPa。见图2。

从椎体的应力分布来看，前屈时L4、L5的上下终板与椎间盘接触面的前端应力较大，约为2.60 kPa。后伸时接触面的后端应力较大，约为1.91 kPa。侧弯时接触面的弯曲侧应力较大，约为3.07 kPa。旋转时接触面的前端应力分布较大，约为1.31 kPa。见图2。

2.2椎体应变分布前屈时上、下终板与椎间盘接触面的前侧应变较大，约为0.266。后伸时接触面的后侧应变较大，约为0.272。侧弯时接触面的弯曲侧应变较大，约为0.197。旋转时接触面的前端应变较大，约为0.312。见图3。

2.3运动单元自由度、最大应力及应变采用CBT螺钉时，若没有放置融合器，前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转时的最大应力分别是289.3、225.5、228.4、151.3、184.1、153.7 kPa。大部分运动状态下CBT螺钉单元最大应力大于TT螺钉单元，差值约50～70 kPa。但右旋时两者大致相等，右侧弯时TT螺钉条件略大于CBT螺钉。见图4A。

采用CBT螺钉时，若放置融合器，前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转时的最大应力分别是230.4 kPa、187.5 kPa、236.4 kPa、133.5 kPa、199.6 kPa、151.1 kPa。大部分运动状态下TT螺钉单元最大应力大于CBT螺钉单元，差值约80～130 kPa。但旋转时两者相差不大。见图4B。

未放置融合器时运动单元的最大应变变化范围在0.15～0.40。CBT螺钉固定时单元各状态下的最大应变分为0.15、0.31、0.14、0.26、0.30、0.38。除右旋与后伸状态外，两种置钉方式下椎体的最大应变值基本相同。后伸状态下，TT螺钉下的最大应变比CBT螺钉大0.2左右。右旋状态下，CBT螺钉下的最大应变比TT螺钉大0.2左右。见图5A。

图2 CBT螺钉固定时脊椎L4～L5应力图(无融合器)

图3 CBT螺钉固定时L4～L5运动单元应变图(无融合器)

放置融合器时运动单元的最大应变变化范围在0.2～0.4。CBT螺钉固定时各状态下椎体的最大应变分为0.27、0.27、0.20、0.26、0.31、0.29。采用TT螺钉固定时的最大应变变化规律与CBT螺钉固定时并不相同，各状态下的最大应变分别为0.22、0.45、0.23、0.23、0.22、0.18。见图5B。

CBT螺钉固定时，若未放置融合器，前屈或后伸状态下的单元自由度相对较大，分别达到了1.22及1.51。其他状态下的自由度相对较小，左、右侧弯、左、右旋情况下的自由度分别为0.91、1.22、1.21、1.15。TT螺钉固定单元的自由度变化规律与采用CBT螺钉时相近。见图6A。

若放置融合器时，前屈/后伸状态下CBT螺钉固定运动单元的自由度相对较大。前屈或后伸时的单元自由度相对较大，分别达到了0.81及1.18。侧屈及旋转时自由度值相对较小，左侧弯、右侧弯、左旋、右旋情况下的自由度分别为0.80、0.85、0.80、0.80。采用TT螺钉进行固定时椎体自由度随运动状态的变化趋势与同CBT情况下较为相似，且大于CBT螺钉条件。见图6B。

图5 两种置钉方式下L4～L5运动单元的最大应变对比

图6 两种置钉方式下L4～L5运动单元的自由度对比

3 讨论

目前，多数有限元的相关研究只针对单个螺钉固定时的力学强度[8]，同时，虽然有学者研究了置钉时融合器对脊柱运动范围的影响[9-10]，但未分析运动单元的整体受力。本研究高度模拟了螺钉固定时椎体运动单元的不同运动状态和受力特点，并将考虑融合器对运动单元力学特性的影响。

3.1运动单元的应力特征运动单元的最大应力分布区均位于钉棒，且钉棒内部应力远大于椎体内部应力(高1至2个数量级)。说明钉棒对椎体单元的运动趋势存在明显的约束作用。由于前屈及后伸运动状态下钉棒的约束作用表现最好，内部的应力分布值相对较大。置入融合器使得钉棒内部的最大应力减小，原因可能是融合器对椎体的活动度具有约束作用，从而分担了一部分外部荷载引起的应力积累。

运动状态不仅对单钉强度有影响，而且对运动单元的状态亦有影响[11]。后伸状态下的椎体最大应力位于椎体后侧中部。其余运动状态下椎体应力最大分区位于上下终板与椎间盘的接触区，应力值向两侧递减。前屈、旋转时的最大应力区沿椎体正面均有分布，侧屈状态下的最大应力区则局限在弯曲侧。融合器的置入对椎体应力分布规律并无较大影响。

3.2运动单元的应变特征虽然钉棒的内部应力大于椎体应力，但由于其弹性模量远大于椎体模量，抵抗变形的能力较强，因此钉棒应变相对较小，运动单元的最大应变区域位于椎体。椎体的应变分布特征也与运动状态有关。前屈及旋转时，最大应变区域位于上、下终板与椎间盘的接触面，沿椎体前侧分布，并向远离接触面的方向递减。不同的是前屈时应变变化的幅度较小，而旋转时其应变变化幅度较大。

3.3运动单元自由度的变化规律运动状态对运动单元的自由度影响有一定的规律性，后伸状态下的自由度最大，前屈状态次之，侧弯和旋转状态下的自由度较小，且数值大致相同。融合器的置入使运动单元的自由度比无融合器时减小0.2左右，表明融合器对椎体的运动存在一定约束，这点与应力分析的结果相符。考察置钉方式对自由度的影响，CBT螺钉固定时的自由度略小于TT螺钉，其原因可能是入钉点的不同而导致钉棒、横连对椎体的约束效果差异。

3.4CBT螺钉与TT螺钉效果比较不同于已有文献对单钉固定效果的研究，本文重点分析了CBT螺钉以及TT螺钉应用于骨质疏松患者时椎体运动单元的力学响应特征，以期为临床应用提供一定指导。研究表明，应用CBT螺钉时进行椎体固定时，椎体运动单元随运动状态的力学响应(应力、应变以及自由度)具有相似的规律。具体表现在：① 在同一种运动状态下，椎体的应力、应变分布规律具有较强的一致性，CBT螺钉的使用不会显著改变传统螺钉固定时的椎体受力特征；② 椎体运动单元的应变以及自由度表征其变形以及位移，较大的应变及自由度意味椎体的稳定性存在一定风险。采用CBT螺钉固定时，椎体的最大应变、自由度一般小于同种运动状态下的TT螺钉固定时的数值。因此其他情况相同时，采用CBT螺钉固定将提高椎体整体的稳定性。

虽然本文获得了一些有益的结果和结论，但是仍然有一些问题需要解决：① 本文采用尸体标本的扫描数据受到标本保存条件，取样手法的影响，势必会影响有限元分析的结果；② 本模型忽略了肌肉等软组织的影响[12]，且对L4椎体上方受到的正应力以及转动弯矩进行了定量化假设；③ 本文选择了一具典型人体标本进行分析，但其年龄、骨质情况等因素均有一定的局限性；④ 椎体实际运动状态较为复杂，如何应用有限元对其展开研究以充分了解其CBT螺钉的受力状态是需要进一步研究的方向。