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(fā)生率逐年上升，該類疾病手術(shù)治療時，采用經(jīng)后路椎弓根螺釘內(nèi)固定最為常見[1-3]。但老年患者常伴有骨質(zhì)疏松，容易導(dǎo)致椎弓根螺釘把持力下降，最終導(dǎo)致椎弓根螺釘不穩(wěn)、松動、拔出等，影響手術(shù)效果[4-5]。因此，如何有效地提高骨質(zhì)疏松條件下椎弓根釘內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性已經(jīng)成為脊柱外科領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)及研究熱點。本研究采用課題組自主研發(fā)的帶凹槽實心新型釘?shù)缽娀倒葆敚▽＠枺?01620893585），通過建立模擬螺釘-骨抗拔出力實驗有限元模型，模擬螺釘?shù)妮S向拔出實驗及位移情況，評估四種螺釘生物力學(xué)特點，得出研究結(jié)果，為后期螺釘-骨相互作用等離體生物力學(xué)研究以及臨床實踐研究提供更好的研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 三維模型的建立 選取一名65歲骨質(zhì)疏松志愿者（經(jīng)測T值≤-2.5），經(jīng)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(yī)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(xù)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(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics17.0軟件（Materialise），根據(jù)骨輪廓曲線選取合適的骨質(zhì)閾值，生成原始蒙罩圖像，用區(qū)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(zhǔn)以及表面平滑，分別以stl格式輸出，并導(dǎo)入軟件Geomagic Studio2013中建立幾何模型的空間拓?fù)湫畔?，通過創(chuàng)建脊柱特征邊界來定義模型邊界條件、分割數(shù)據(jù)、構(gòu)造柵格網(wǎng)、曲面擬合，將合成的非均勻有理B樣條（NURBS）曲線構(gòu)建曲面片，最終得到腰椎包含骨皮質(zhì)和松質(zhì)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(guī)格的鈦合金螺釘。

1.2 設(shè)定載荷、網(wǎng)格劃分 將Mimics 軟件制作的椎體及釘?shù)廊S模型導(dǎo)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(wǎng)格。椎體網(wǎng)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(wǎng)格類型為C3D4。網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為60 918，單元數(shù)量為311 713。

1.3 相關(guān)材料參數(shù) 本研究中的所有材料假設(shè)為均質(zhì)、各向同性的線彈性材料，根據(jù)大多數(shù)研究者公認(rèn)的并經(jīng)過驗證的數(shù)據(jù)進行賦值[6-7]，見表1。

表1 相關(guān)材料參數(shù)

1.4 椎弓根螺釘植入位置 腰椎植入螺釘?shù)狞c位于垂直線與水平線的交點，垂直線為上關(guān)節(jié)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(jù)以上置釘方法，分別模擬在三維模型上置入新型釘?shù)缽娀倒葆?、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(jié)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(dāng)出現(xiàn)骨質(zhì)破壞時，螺釘開始松動。新型釘?shù)缽娀倒葆斪畲筝S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(xiàn)骨質(zhì)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(xiàn)骨質(zhì)破壞，而新型釘?shù)缽娀倒葆斅菸灰凭嚯x明顯增加，在2.5 mm處才出現(xiàn)骨質(zhì)破壞。

2.2 模擬發(fā)生位移時椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力情況 在模擬上述位移骨質(zhì)發(fā)生破壞時施加的不同載荷中，新型釘?shù)缽娀倒葆斪畲髴?yīng)力為434.50 MPa，可注射空心椎弓根螺釘最大應(yīng)力為343.50 MPa，普通椎弓根螺釘骨水泥強化最大應(yīng)力為262.15 MPa，單純普通椎弓根螺釘最大應(yīng)力為181.35 MPa。見圖2。

圖2 發(fā)生位移時四種椎弓根螺釘應(yīng)力

3 討論

近年來，三維有限元分析法（finite element method，F(xiàn)EM）已在骨科領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，利用有限元分析法對脊柱內(nèi)固定器械的研發(fā)進行應(yīng)力分析計算，對于正確選擇手術(shù)方法，合理使用內(nèi)固定器械，降低手術(shù)失敗率和減少并發(fā)癥的發(fā)生具有重要意義[8-11]，使得有限元分析技術(shù)在脊柱生物力學(xué)領(lǐng)域得到了極大的拓展。

在治療老年脊柱疾病方面，經(jīng)椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)治療已被廣泛應(yīng)用，然而，老年患者常伴有骨質(zhì)疏松，導(dǎo)致術(shù)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(fā)癥，在臨床實踐中，脊柱骨科醫(yī)生常在置入椎弓根螺釘時，通過向釘?shù)雷⑷牍撬嘁詮娀數(shù)?，增加椎弓根螺釘與釘?shù)乐g牢固性，以達到抗拔除目的。Saman等[15]研究發(fā)現(xiàn)老年脊柱骨折患者手術(shù)中采用PMMA強化釘?shù)揽擅黠@降低術(shù)后螺釘松動發(fā)生，發(fā)生率僅為4.3%。目前釘?shù)缽娀夹g(shù)中，較為常用的方法有普通椎弓根螺釘復(fù)合骨水泥強化及空心側(cè)孔螺釘復(fù)合骨水泥強化，故本研究采用了上述具有代表性的釘?shù)缽娀绞阶鳛閷φ昭芯俊?/p>

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(tài)，筆者采用了體積一致的骨水泥量，并假設(shè)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(xiàn)骨質(zhì)破壞，拔出力為833.06 N，拔出力最弱，結(jié)果與Chatzistergos等[16]研究的椎弓根螺釘拔出松質(zhì)骨的破壞發(fā)生在椎弓根螺釘拔出約1.5 mm一致。新型釘?shù)缽娀倒葆斣谖灰?.5 mm時才發(fā)生骨質(zhì)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(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生不同的應(yīng)力，當(dāng)?shù)竭_骨質(zhì)破壞的極限，螺釘松動時[17]，其位移亦有不同，結(jié)果顯示新型釘?shù)缽娀倒葆斪顬槔喂?，穩(wěn)定性最佳。當(dāng)發(fā)生位移骨質(zhì)破壞時，螺釘開始松動，此時測得新型釘?shù)缽娀倒葆斪畲髴?yīng)力為434.5 MPa，明顯高于其他三種螺釘，證實了新型釘?shù)缽娀倒葆斂拱纬隽ψ顝?，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(nèi)固定治療老年骨質(zhì)疏松性脊柱疾病時，只單純通過螺釘螺紋與釘?shù)拦敲娼佑|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(wěn)定性更加，與文獻[6，18-19]報道的結(jié)果相一致。與新型釘?shù)缽娀倒葆斚啾龋勺⑸淇招淖倒葆?、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?shù)纼?nèi)直接注入骨水泥，有存在骨水泥滲漏風(fēng)險，且術(shù)中通過多次X線透視以減少滲漏率，增加了醫(yī)務(wù)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?shù)缽娀翱勺⑸淇招墓撬嗦葆斣谂R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?shù)啦糠殖娀蛔悖瑥亩档土寺葆斂拱纬鲎饔?。Hirano等[20]通過生物力學(xué)實驗研究發(fā)現(xiàn)，椎弓根螺釘?shù)目拱纬隽?0%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?shù)缽娀倒葆敚g(shù)中可將骨水泥直接注射入螺釘凹槽，無需直接注入釘?shù)溃S著旋擰動作，骨水泥可較為均勻的散布在椎弓根釘?shù)赖膬?nèi)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(nèi)的穩(wěn)定性。該模擬生物力學(xué)研究證實了，采用該新型釘?shù)缽娀倒葆?，能夠有效地增加螺釘在椎體內(nèi)的拔出力，增加螺釘?shù)姆€(wěn)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(zhì)疏松椎體中不同釘?shù)缽娀绞诫x體生物力學(xué)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(xué)狀態(tài)，故研究結(jié)果與臨床實際仍存在一定的距離，因此這一研究結(jié)論還需進一步離體生物力學(xué)實驗去證實。

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