武 洵，申才良

與傳統(tǒng)的椎弓根釘?shù)缆葆斚啾?，皮質(zhì)骨釘?shù)缆葆敿夹g(shù)顯著提高了置入螺釘?shù)墓潭ǚ€(wěn)定性[1-2]，對(duì)骨質(zhì)疏松患者有較好的適應(yīng)性[3-4]。目前針對(duì)單個(gè)CBT螺釘固定的力學(xué)特性研究較多，如極限抗拔強(qiáng)度、固定剛度等[5-6]，但對(duì)椎體運(yùn)動(dòng)單元力學(xué)特性的研究較少。

本研究在建立有限元模型的基礎(chǔ)上，考慮TT螺釘與CBT螺釘兩種置釘方式，模擬不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下椎體運(yùn)動(dòng)單元的受力及活動(dòng)情況，并對(duì)置入融合器的影響進(jìn)行考察，探尋椎體運(yùn)動(dòng)單元的生物力學(xué)信息，為今后椎體運(yùn)動(dòng)單元的實(shí)驗(yàn)研究提供數(shù)值模擬基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1設(shè)備與材料本研究選取一名伴有骨質(zhì)疏松的腰椎患者為研究對(duì)象，骨密度T值為-3.4，排除脊柱創(chuàng)傷、腫瘤、感染等疾病。掃描設(shè)備(CT)為1.5TMRI機(jī)(美國GE公司)；計(jì)算機(jī)設(shè)備醫(yī)學(xué)影像交互式軟件：MIMICS 15.0(比利時(shí)Materialise公司)，逆向工程軟件Geomagic Studio 12.0 (美國Geomagic公司)，Pro/E(美國參數(shù)技術(shù)公司)，有限元分析軟件ABAQUS 6.10(美國ABAQUS公司)。

1.2模型建立通過對(duì)椎骨的掃描、提取、擬合、光順處理以及組裝，建立了高度幾何相似的椎骨三維模型，并導(dǎo)入ABAQUS等分析軟件。為了對(duì)結(jié)果進(jìn)行有效的驗(yàn)證，腰椎內(nèi)各結(jié)構(gòu)的力學(xué)材料屬性均取既往文獻(xiàn)，并結(jié)合CT掃描的HU值[7]，具體材料參數(shù)見表1。

為模仿椎體所受生理載荷，對(duì)L4椎體上向終板施加載荷為400 N的正壓力，并在3個(gè)解剖主平面上分別施加7.5 N·m的純扭矩。扭轉(zhuǎn)時(shí)方向參考腰曲切線方向，側(cè)彎時(shí)垂直于腰曲切線方向并與矢狀面平行(圖1)。

圖1 有限元計(jì)算模型

有限元模型根據(jù)實(shí)際臨床技術(shù)模擬TT螺釘與CBT螺釘?shù)闹萌?。TT螺釘?shù)闹踩胧遣捎庙f恩斯坦技術(shù)將螺釘沿著椎弓根解剖線，平行于椎體終板插入椎體中，釘?shù)乐睆綖?.5 mm，長(zhǎng)度40 mm。CBT植入的進(jìn)釘點(diǎn)為上關(guān)節(jié)突中心與橫突下緣下方1 mm的結(jié)合點(diǎn)，以左側(cè)椎弓根投影5點(diǎn)向11～12點(diǎn)方向置釘，右側(cè)椎弓根投影7點(diǎn)向12～1點(diǎn)方向置釘，釘?shù)劳鈨A角為10°，頭傾角為25°，直徑為5.5 mm，長(zhǎng)度為35 mm。

表1 材料屬性

2 結(jié)果

2.1椎體應(yīng)力分布采用CBT螺釘對(duì)脊椎L4、L5關(guān)節(jié)固定時(shí)，應(yīng)力最大區(qū)域位于釘棒及橫連，前屈、后伸、左側(cè)彎、左旋狀態(tài)下應(yīng)力最大值分別為230.4、187.5、236.4、199.6 kPa。見圖2。

從椎體的應(yīng)力分布來看，前屈時(shí)L4、L5的上下終板與椎間盤接觸面的前端應(yīng)力較大，約為2.60 kPa。后伸時(shí)接觸面的后端應(yīng)力較大，約為1.91 kPa。側(cè)彎時(shí)接觸面的彎曲側(cè)應(yīng)力較大，約為3.07 kPa。旋轉(zhuǎn)時(shí)接觸面的前端應(yīng)力分布較大，約為1.31 kPa。見圖2。

2.2椎體應(yīng)變分布前屈時(shí)上、下終板與椎間盤接觸面的前側(cè)應(yīng)變較大，約為0.266。后伸時(shí)接觸面的后側(cè)應(yīng)變較大，約為0.272。側(cè)彎時(shí)接觸面的彎曲側(cè)應(yīng)變較大，約為0.197。旋轉(zhuǎn)時(shí)接觸面的前端應(yīng)變較大，約為0.312。見圖3。

2.3運(yùn)動(dòng)單元自由度、最大應(yīng)力及應(yīng)變采用CBT螺釘時(shí)，若沒有放置融合器，前屈、后伸、左右側(cè)彎、左右旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大應(yīng)力分別是289.3、225.5、228.4、151.3、184.1、153.7 kPa。大部分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下CBT螺釘單元最大應(yīng)力大于TT螺釘單元，差值約50～70 kPa。但右旋時(shí)兩者大致相等，右側(cè)彎時(shí)TT螺釘條件略大于CBT螺釘。見圖4A。

采用CBT螺釘時(shí)，若放置融合器，前屈、后伸、左右側(cè)彎、左右旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大應(yīng)力分別是230.4 kPa、187.5 kPa、236.4 kPa、133.5 kPa、199.6 kPa、151.1 kPa。大部分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下TT螺釘單元最大應(yīng)力大于CBT螺釘單元，差值約80～130 kPa。但旋轉(zhuǎn)時(shí)兩者相差不大。見圖4B。

未放置融合器時(shí)運(yùn)動(dòng)單元的最大應(yīng)變變化范圍在0.15～0.40。CBT螺釘固定時(shí)單元各狀態(tài)下的最大應(yīng)變分為0.15、0.31、0.14、0.26、0.30、0.38。除右旋與后伸狀態(tài)外，兩種置釘方式下椎體的最大應(yīng)變值基本相同。后伸狀態(tài)下，TT螺釘下的最大應(yīng)變比CBT螺釘大0.2左右。右旋狀態(tài)下，CBT螺釘下的最大應(yīng)變比TT螺釘大0.2左右。見圖5A。

圖2 CBT螺釘固定時(shí)脊椎L4～L5應(yīng)力圖(無融合器)

圖3 CBT螺釘固定時(shí)L4～L5運(yùn)動(dòng)單元應(yīng)變圖(無融合器)

放置融合器時(shí)運(yùn)動(dòng)單元的最大應(yīng)變變化范圍在0.2～0.4。CBT螺釘固定時(shí)各狀態(tài)下椎體的最大應(yīng)變分為0.27、0.27、0.20、0.26、0.31、0.29。采用TT螺釘固定時(shí)的最大應(yīng)變變化規(guī)律與CBT螺釘固定時(shí)并不相同，各狀態(tài)下的最大應(yīng)變分別為0.22、0.45、0.23、0.23、0.22、0.18。見圖5B。

CBT螺釘固定時(shí)，若未放置融合器，前屈或后伸狀態(tài)下的單元自由度相對(duì)較大，分別達(dá)到了1.22及1.51。其他狀態(tài)下的自由度相對(duì)較小，左、右側(cè)彎、左、右旋情況下的自由度分別為0.91、1.22、1.21、1.15。TT螺釘固定單元的自由度變化規(guī)律與采用CBT螺釘時(shí)相近。見圖6A。

若放置融合器時(shí)，前屈/后伸狀態(tài)下CBT螺釘固定運(yùn)動(dòng)單元的自由度相對(duì)較大。前屈或后伸時(shí)的單元自由度相對(duì)較大，分別達(dá)到了0.81及1.18。側(cè)屈及旋轉(zhuǎn)時(shí)自由度值相對(duì)較小，左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋、右旋情況下的自由度分別為0.80、0.85、0.80、0.80。采用TT螺釘進(jìn)行固定時(shí)椎體自由度隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化趨勢(shì)與同CBT情況下較為相似，且大于CBT螺釘條件。見圖6B。

圖5 兩種置釘方式下L4～L5運(yùn)動(dòng)單元的最大應(yīng)變對(duì)比

圖6 兩種置釘方式下L4～L5運(yùn)動(dòng)單元的自由度對(duì)比

3 討論

目前，多數(shù)有限元的相關(guān)研究只針對(duì)單個(gè)螺釘固定時(shí)的力學(xué)強(qiáng)度[8]，同時(shí)，雖然有學(xué)者研究了置釘時(shí)融合器對(duì)脊柱運(yùn)動(dòng)范圍的影響[9-10]，但未分析運(yùn)動(dòng)單元的整體受力。本研究高度模擬了螺釘固定時(shí)椎體運(yùn)動(dòng)單元的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力特點(diǎn)，并將考慮融合器對(duì)運(yùn)動(dòng)單元力學(xué)特性的影響。

3.1運(yùn)動(dòng)單元的應(yīng)力特征運(yùn)動(dòng)單元的最大應(yīng)力分布區(qū)均位于釘棒，且釘棒內(nèi)部應(yīng)力遠(yuǎn)大于椎體內(nèi)部應(yīng)力(高1至2個(gè)數(shù)量級(jí))。說明釘棒對(duì)椎體單元的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)存在明顯的約束作用。由于前屈及后伸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下釘棒的約束作用表現(xiàn)最好，內(nèi)部的應(yīng)力分布值相對(duì)較大。置入融合器使得釘棒內(nèi)部的最大應(yīng)力減小，原因可能是融合器對(duì)椎體的活動(dòng)度具有約束作用，從而分擔(dān)了一部分外部荷載引起的應(yīng)力積累。

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不僅對(duì)單釘強(qiáng)度有影響，而且對(duì)運(yùn)動(dòng)單元的狀態(tài)亦有影響[11]。后伸狀態(tài)下的椎體最大應(yīng)力位于椎體后側(cè)中部。其余運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下椎體應(yīng)力最大分區(qū)位于上下終板與椎間盤的接觸區(qū)，應(yīng)力值向兩側(cè)遞減。前屈、旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大應(yīng)力區(qū)沿椎體正面均有分布，側(cè)屈狀態(tài)下的最大應(yīng)力區(qū)則局限在彎曲側(cè)。融合器的置入對(duì)椎體應(yīng)力分布規(guī)律并無較大影響。

3.2運(yùn)動(dòng)單元的應(yīng)變特征雖然釘棒的內(nèi)部應(yīng)力大于椎體應(yīng)力，但由于其彈性模量遠(yuǎn)大于椎體模量，抵抗變形的能力較強(qiáng)，因此釘棒應(yīng)變相對(duì)較小，運(yùn)動(dòng)單元的最大應(yīng)變區(qū)域位于椎體。椎體的應(yīng)變分布特征也與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。前屈及旋轉(zhuǎn)時(shí)，最大應(yīng)變區(qū)域位于上、下終板與椎間盤的接觸面，沿椎體前側(cè)分布，并向遠(yuǎn)離接觸面的方向遞減。不同的是前屈時(shí)應(yīng)變變化的幅度較小，而旋轉(zhuǎn)時(shí)其應(yīng)變變化幅度較大。

3.3運(yùn)動(dòng)單元自由度的變化規(guī)律運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)運(yùn)動(dòng)單元的自由度影響有一定的規(guī)律性，后伸狀態(tài)下的自由度最大，前屈狀態(tài)次之，側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的自由度較小，且數(shù)值大致相同。融合器的置入使運(yùn)動(dòng)單元的自由度比無融合器時(shí)減小0.2左右，表明融合器對(duì)椎體的運(yùn)動(dòng)存在一定約束，這點(diǎn)與應(yīng)力分析的結(jié)果相符?？疾熘冕敺绞綄?duì)自由度的影響，CBT螺釘固定時(shí)的自由度略小于TT螺釘，其原因可能是入釘點(diǎn)的不同而導(dǎo)致釘棒、橫連對(duì)椎體的約束效果差異。

3.4CBT螺釘與TT螺釘效果比較不同于已有文獻(xiàn)對(duì)單釘固定效果的研究，本文重點(diǎn)分析了CBT螺釘以及TT螺釘應(yīng)用于骨質(zhì)疏松患者時(shí)椎體運(yùn)動(dòng)單元的力學(xué)響應(yīng)特征，以期為臨床應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。研究表明，應(yīng)用CBT螺釘時(shí)進(jìn)行椎體固定時(shí)，椎體運(yùn)動(dòng)單元隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的力學(xué)響應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)變以及自由度)具有相似的規(guī)律。具體表現(xiàn)在：① 在同一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，椎體的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律具有較強(qiáng)的一致性，CBT螺釘?shù)氖褂貌粫?huì)顯著改變傳統(tǒng)螺釘固定時(shí)的椎體受力特征；② 椎體運(yùn)動(dòng)單元的應(yīng)變以及自由度表征其變形以及位移，較大的應(yīng)變及自由度意味椎體的穩(wěn)定性存在一定風(fēng)險(xiǎn)。采用CBT螺釘固定時(shí)，椎體的最大應(yīng)變、自由度一般小于同種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的TT螺釘固定時(shí)的數(shù)值。因此其他情況相同時(shí)，采用CBT螺釘固定將提高椎體整體的穩(wěn)定性。

雖然本文獲得了一些有益的結(jié)果和結(jié)論，但是仍然有一些問題需要解決：① 本文采用尸體標(biāo)本的掃描數(shù)據(jù)受到標(biāo)本保存條件，取樣手法的影響，勢(shì)必會(huì)影響有限元分析的結(jié)果；② 本模型忽略了肌肉等軟組織的影響[12]，且對(duì)L4椎體上方受到的正應(yīng)力以及轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩進(jìn)行了定量化假設(shè)；③ 本文選擇了一具典型人體標(biāo)本進(jìn)行分析，但其年齡、骨質(zhì)情況等因素均有一定的局限性；④ 椎體實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜，如何應(yīng)用有限元對(duì)其展開研究以充分了解其CBT螺釘?shù)氖芰顟B(tài)是需要進(jìn)一步研究的方向。