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摘 要： 摘要背景：椎弓根螺釘內(nèi)固定聯(lián)合骨水泥強(qiáng)化釘?shù)朗侵委焽?yán)重骨質(zhì)疏松性椎體骨折的有效方法，但其沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其中固定節(jié)段的范圍是臨床爭議的焦點(diǎn)之一。目的：建立骨質(zhì)疏松性胸腰段椎體骨折后路長節(jié)段和短節(jié)段骨水泥強(qiáng)化椎弓根螺釘內(nèi)固定的三維有限元模型，
摘要背景：椎弓根螺釘內(nèi)固定聯(lián)合骨水泥強(qiáng)化釘?shù)朗侵委焽?yán)重骨質(zhì)疏松性椎體骨折的有效方法，但其沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其中固定節(jié)段的范圍是臨床爭議的焦點(diǎn)之一。目的：建立骨質(zhì)疏松性胸腰段椎體骨折后路長節(jié)段和短節(jié)段骨水泥強(qiáng)化椎弓根螺釘內(nèi)固定的三維有限元模型，分析兩組中相鄰節(jié)段結(jié)構(gòu)、骨折椎體及內(nèi)固定裝置等的生物力學(xué)特征。方法：選取 1 例排除明顯退行性病變志愿者 T9-L5 節(jié)段進(jìn)行 CT 掃描，獲得 Dicom 格式 CT 圖像，導(dǎo)入工程軟件，建立有限元幾何模型，模擬胸腰椎骨折、釘?shù)缽?qiáng)化長短節(jié)段固定模型，根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)置相關(guān)材料參數(shù)，對比分析兩組的生物力學(xué)特征。結(jié)果與結(jié)論：①椎骨所受應(yīng)力主要集中在椎體的四周及附件的小關(guān)節(jié)面;在前屈、后伸、左、右側(cè)彎 4 個(gè)方向上，近端和遠(yuǎn)端相鄰椎骨所受的最大應(yīng)力，長節(jié)段均大于短節(jié)段;椎間盤的應(yīng)力主要集中在外周的纖維環(huán)，在 6 個(gè)方向上，近端和遠(yuǎn)端相鄰椎間盤所受的最大應(yīng)力，短節(jié)段均大于長節(jié)段，但長節(jié)段相鄰椎間盤受應(yīng)力較大的區(qū)域大于短節(jié)段，因此長節(jié)段固定鄰近節(jié)段發(fā)生退變的概率及相鄰的椎體發(fā)生骨折的風(fēng)險(xiǎn)可能較高; ②長節(jié)段組和短節(jié)段組骨折椎體均發(fā)生不同程度位移，左、右側(cè)彎時(shí)發(fā)生位移最明顯;在 6 個(gè)運(yùn)動方向中，短節(jié)段組骨折椎體的位移和所受的最大應(yīng)力均大于長節(jié)段組，因此長節(jié)段固定可較好地維持骨折椎的穩(wěn)定性; ③內(nèi)固定裝置所受的應(yīng)力主要集中在兩端的螺釘及桿的局部，長節(jié)段組固定裝置所受的最大應(yīng)力均大于短節(jié)段組，但兩端螺釘?shù)闹饕獞?yīng)力區(qū)域則較短節(jié)段組減少。
關(guān)鍵詞：骨質(zhì)疏松;胸腰椎骨折;長節(jié)段固定;短節(jié)段固定;骨水泥強(qiáng)化;釘?shù)缽?qiáng)化;椎弓根螺釘內(nèi)固定;生物力學(xué);有限元分析
0 引言 Introduction
隨著人口的老齡化，骨質(zhì)疏松癥患者日益增多，特別是絕經(jīng)后婦女和老年人，此類患者往往容易發(fā)生椎體骨折，其中以骨質(zhì)疏松性胸腰椎骨折的患者最為多見[1-2]。對于椎體壓縮不嚴(yán)重、癥狀輕的患者，大多可采取保守治療或骨水泥強(qiáng)化椎體微創(chuàng)治療，但對于椎體壓縮或碎裂嚴(yán)重，或伴有后壁破裂、椎管侵占和神經(jīng)癥狀等，容易出現(xiàn)骨水泥滲漏，常需手術(shù)減壓內(nèi)固定治療[3-4]。
內(nèi)固定治療骨質(zhì)疏松性骨折的方式包括前路、后路及前后路聯(lián)合等，前路手術(shù)損傷胸腔或腹腔臟器及血管風(fēng)險(xiǎn)高[5]，有相當(dāng)一部分患者還需要接受二期的后路手術(shù)[6]。相比前路手術(shù)，椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)是目前最常用的后路內(nèi)固定系統(tǒng)。而骨質(zhì)疏松患者由于椎體骨量的丟失，可引起椎弓根螺釘?shù)奈粘至头�(wěn)定性下降，容易造成內(nèi)固定失敗，椎弓根螺釘內(nèi)固定聯(lián)合骨水泥強(qiáng)化釘?shù)朗浅Ｓ玫挠行Х椒╗7-8]。對于骨質(zhì)疏松性椎體骨折患者行椎弓根螺釘內(nèi)固定沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其中固定節(jié)段的范圍是臨床爭議的焦點(diǎn)之一。短節(jié)段固定遠(yuǎn)期可能出現(xiàn)內(nèi)固定失敗、殘留后凸畸形等，而長節(jié)段固定則會犧牲更多的脊柱運(yùn)動節(jié)段、增大手術(shù)創(chuàng)傷等[9]。
相關(guān)期刊推薦：《中國組織工程研究與臨床康復(fù)》1997年創(chuàng)刊，由中華人民共和國衛(wèi)生部主管，本刊主要發(fā)表組織工程研究中關(guān)于干細(xì)胞培養(yǎng)與移植、組織構(gòu)建、材料生物相容性評價(jià)(天然或合成材料與納米粒子、人工材料植入體、植入器官及外源性細(xì)胞)、計(jì)算機(jī)輔助骨外科技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)及臨床研究，轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)和循證醫(yī)學(xué)研究的文章，發(fā)表中國組織工程研究領(lǐng)域一流水平的學(xué)術(shù)、技術(shù)創(chuàng)新成果。
關(guān)于骨水泥強(qiáng)化椎弓根螺釘長、短節(jié)段固定治療骨松骨折的相關(guān)生物力學(xué)研究報(bào)道很少。對臨床研究來講，有限元方法是人體體外試驗(yàn)中一種很有價(jià)值的方法，尤其在脊柱生物力學(xué)中的應(yīng)用，對于脊柱疾病的分析、手術(shù)療效分析等的研究具有重大意義[10-11]。此次研究通過建立L1椎體骨質(zhì)疏松性骨折、骨水泥釘?shù)缽?qiáng)化長節(jié)段及短節(jié)段固定的有限元模型，采用有限元法對比長、短節(jié)段固定對相鄰節(jié)段結(jié)構(gòu)、骨折椎體及內(nèi)固定裝置等的應(yīng)力情況。
1 對象和方法 Subjects and methods
1.1 設(shè)計(jì) 三維有限元試驗(yàn)。
1.2 時(shí)間及地點(diǎn) 2018年6月至10月在廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院脊柱骨科完成。
1.3 對象 成年女性志愿者1例，年齡37歲，身高162 cm，體質(zhì)量63 kg，X射線檢查排除明顯退行性病變，使用CT 對志愿者胸椎及腰椎進(jìn)行掃描，提取數(shù)據(jù)，圖像保存格式為Dicom，用于有限元模型的制作。
1.4 方法
1.4.1 胸腰椎有限元模型的建立 將CT圖像以Dicom格式文件導(dǎo)入電腦，使用Mimics17.0軟件(比利時(shí)Materialise 公司)提取圖像并建立格式為STL的T9-L5節(jié)段模型(圖1A)。將STL模型導(dǎo)入Geomagic 2013軟件(美國Geomagic公司)，導(dǎo)入后生成多邊形模型，在多邊形模型上生成輪廓線，然后構(gòu)造曲面片及格柵，最后擬合曲面，生成實(shí)體模型，導(dǎo)出STEP格式的三維模型(圖1B，C)。由于CT不能清楚地提供椎間盤、終板等組織輪廓，因此使用SolidWorks 2014 軟件進(jìn)行模擬，利用ANSYS 17.0軟件建立前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶等。
1.4.2 L1椎體骨折模型及骨水泥強(qiáng)化椎弓根螺釘長、短節(jié)段內(nèi)固定模型的建立 將模型導(dǎo)入SolidWorks 2014軟件 (法國 Dassault Systemes公司)，建立L1椎體骨折模型(圖 2A)。L1椎體骨折模型建立完成后，建立釘?shù)缽?qiáng)化椎弓根螺釘內(nèi)固定模型(圖2B)，椎弓根螺釘植入方法為：胸椎的進(jìn)釘點(diǎn)為橫突根部中點(diǎn)與下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面的中點(diǎn)相交處，腰椎的進(jìn)釘點(diǎn)為橫突中線與上關(guān)節(jié)突外緣交點(diǎn)，確定進(jìn)釘點(diǎn)后沿椎弓根方向?qū)⒙葆斨踩胱刁w。骨水泥形態(tài)參考臨床上接受釘?shù)缽?qiáng)化治療的患者術(shù)后骨水泥分布形態(tài)模擬，經(jīng)Geomagic 2013軟件進(jìn)行優(yōu)化光滑處理。短節(jié)段固定組設(shè)置3組螺釘(包括骨折椎體及骨折椎體上下各1個(gè)椎體)，固定范圍為 T12-L2(圖3A)，長節(jié)段固定組設(shè)置5組螺釘(包括骨折椎體及骨折椎體上下各2個(gè)椎體)，螺釘固定范圍為T11-L3(圖3B)。
1.4.3 材料參數(shù)的設(shè)置 根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道設(shè)置相關(guān)材料參數(shù)[12-14]，包括皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤、終板、相關(guān)韌帶、骨水泥及內(nèi)固定物等材料的彈性模量及泊松比。因?yàn)槟Ｐ徒⒑螅蠓降慕Y(jié)構(gòu)難以區(qū)分皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨，所以把椎板、椎弓根、棘突、橫突等后方結(jié)構(gòu)設(shè)置為一組材料屬性，具體見表1。
為模擬骨質(zhì)疏松狀態(tài)，根據(jù)POLIKEIT等[15]提出的方法模擬骨質(zhì)疏松狀態(tài)，即松質(zhì)骨的彈性模量減少66%，皮質(zhì)骨、終板及后方結(jié)構(gòu)的彈性模量減少33%。此外，考慮骨質(zhì)疏松患者多為老年患者或中年婦女，將髓核彈性模量增加1倍，余材料屬性不變。
1.4.4 限定條件及加載方法的設(shè)置 將建立好的骨水泥強(qiáng)化椎弓根螺釘內(nèi)固定模型導(dǎo)入Abaqus 2016軟件(法國 Dassault Systemes公司)，進(jìn)行相關(guān)應(yīng)力分析。限定條件：固定L5椎體下緣表面，L5椎體下終板在各個(gè)方向的運(yùn)動均受到限制。加載條件：在T9椎體上方垂直施以150 N負(fù)荷，同時(shí)于T9椎體上表面施加10 Nm彎曲力矩[15]，模擬脊柱前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)6個(gè)方向的運(yùn)動。
1.5 主要觀察指標(biāo) 通過軟件分析長、短節(jié)段兩組之間相鄰節(jié)段結(jié)構(gòu)、骨折椎體及內(nèi)固定裝置的應(yīng)力分布、最大應(yīng)力值及骨折椎體位移等情況。
1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 21.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算，對比兩組數(shù)值的差異。
2 結(jié)果 Results
2.1 內(nèi)固定近端及遠(yuǎn)端相鄰椎骨的應(yīng)力情況 應(yīng)力分布云圖顯示，椎骨所受應(yīng)力主要集中在椎體的四周及附件的小關(guān)節(jié)面(圖4)。兩組近端相鄰椎骨所受最大應(yīng)力均大于遠(yuǎn)端椎骨;在前屈、后伸、左、右側(cè)彎4個(gè)方向上，近端和遠(yuǎn)端相鄰椎骨所受的最大應(yīng)力，長節(jié)段均大于短節(jié)段;在近端相鄰椎骨更為顯著，特別是在前屈和后伸方向上，長節(jié)段相鄰椎骨的最大應(yīng)力(53.18 MPa)超過短節(jié)段(22.98 MPa)的2 倍;此外，在左、右旋轉(zhuǎn)方向上，短節(jié)段固定相鄰椎骨所受應(yīng)力則大于長節(jié)段，見表2。
2.2 內(nèi)固定近端及遠(yuǎn)端相鄰椎間盤的應(yīng)力情況 應(yīng)力分布圖顯示椎間盤的應(yīng)力主要集中在外周的纖維環(huán)，中間的髓核所受應(yīng)力小，長節(jié)段相鄰椎間盤受應(yīng)力集中的區(qū)域明顯大于短節(jié)段(圖5);在前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎及左右旋轉(zhuǎn)6個(gè)方向上，近端和遠(yuǎn)端相鄰椎間盤所受的最大應(yīng)力，短節(jié)段均大于長節(jié)段，見表3。
2.3 骨折椎體的應(yīng)力值及位移情況 長節(jié)段組合短節(jié)段組骨折椎體均發(fā)生不同程度位移，在左、右側(cè)彎方向上，兩組發(fā)生位移最明顯;在模擬的6個(gè)運(yùn)動方向中，短節(jié)段組骨折椎體的位移均大于長節(jié)段(圖6)。在左旋和右旋方向中，兩組骨折椎體所受應(yīng)力差異不大，而在前屈、后伸、左右側(cè)彎上，短節(jié)段組中骨折椎體所受應(yīng)力則大于長節(jié)段組，見表4。
2.4 內(nèi)固定裝置的應(yīng)力情況 內(nèi)固定裝置所受的應(yīng)力主要集中在兩端的螺釘及桿的局部;相比短節(jié)段組，長節(jié)段組的應(yīng)力更多地分散桿上，兩端螺釘?shù)闹饕獞?yīng)力區(qū)域則較短節(jié)段組減少(圖7)。在6個(gè)模擬的運(yùn)動方向中，長節(jié)段組固定裝置所受的最大應(yīng)力均大于短節(jié)段組，見表5。
3 討論 Discussion
骨質(zhì)疏松性胸腰椎骨折是一種在老年性骨質(zhì)疏松患者中最常見、最易發(fā)生的骨折類型，可引起頑固性疼痛、神經(jīng)運(yùn)動功障礙等[2，16]。臨床上，大部分骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折患者經(jīng)過非手術(shù)治療或椎體強(qiáng)化術(shù)治療后常常能夠取得較滿意的臨床療效。部分患者在保守治療過程中可能會出現(xiàn)椎體進(jìn)一步塌陷、椎體骨折不愈合、嚴(yán)重后凸畸形，合并神經(jīng)功能異常等情況;而對于骨質(zhì)疏松骨折較為嚴(yán)重或合并后凸畸形、神經(jīng)功能異常等患者，椎體強(qiáng)化術(shù)難以糾正畸形和改善神經(jīng)功能，且存在骨水泥脫位、骨水泥滲漏等風(fēng)險(xiǎn)[17-18]。內(nèi)固定系統(tǒng)可以提供可靠的穩(wěn)定性、糾正畸形等，內(nèi)固定治療骨質(zhì)疏松骨折的方式包括前路、后路及前后路聯(lián)合等，前路手術(shù)損傷胸腔或腹腔臟器及血管風(fēng)險(xiǎn)高[5]，有相當(dāng)一部分患者還需要接受二期的后路手術(shù)[6]。相比前路手術(shù)，后路椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)是目前最常用的內(nèi)固定系統(tǒng)。
由于骨質(zhì)疏松患者對椎弓根螺釘?shù)奈粘至头�(wěn)定性下降，容易造成內(nèi)固定失敗，椎弓根螺釘內(nèi)固定聯(lián)合骨水泥強(qiáng)化釘?shù)朗浅Ｓ玫挠行Х椒╗7-8]。在固定范圍上，目前仍存在爭議，短節(jié)段內(nèi)固定存在穩(wěn)定性較差、容易出現(xiàn)內(nèi)固定失敗等缺點(diǎn)[9，19]，而長節(jié)段固定則會犧牲更多的脊柱運(yùn)動節(jié)段、增大手術(shù)創(chuàng)傷、鄰近節(jié)段退變等[9，20]，而鮮有關(guān)于骨水泥強(qiáng)化椎弓根螺釘長、短節(jié)段內(nèi)固定生物力學(xué)的報(bào)道。近年來，有限元分析法在計(jì)算機(jī)輔助影像觀察脊柱椎弓根螺釘置入中得到應(yīng)用，它能夠通過改變?nèi)魏我粋�(gè)參數(shù)來對其進(jìn)行觀察，從而解釋脊柱的生理及病理過程中產(chǎn)生的生物力學(xué)變化情況[11，21]。因此，此次研究通過有限元模擬分析釘?shù)缽?qiáng)化長節(jié)段及短節(jié)段內(nèi)固定對相鄰節(jié)段結(jié)構(gòu)應(yīng)力及骨折椎體的影響。在研究中，首先建立了胸腰椎的有限元模型，然后模擬骨質(zhì)疏松狀態(tài)分別建立了L1椎體骨折模型及長短節(jié)段骨水泥強(qiáng)化椎弓根螺釘內(nèi)固定的模型，接著分別分析了長短節(jié)段固定鄰近節(jié)段結(jié)構(gòu)和骨折椎體的應(yīng)力及位移情況、內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力情況等。
短節(jié)段椎弓根螺釘固定(骨折水平以上和以下一級)通常被認(rèn)為可以為胸腰椎骨折提供足夠的穩(wěn)定性，但報(bào)道的失敗率相當(dāng)高[22-23]。有部分學(xué)者認(rèn)為對于需要內(nèi)固定手術(shù)治療的骨質(zhì)疏松椎體骨折患者應(yīng)該使用長節(jié)段固定，以提供有效的穩(wěn)定、并較好的矯正脊柱畸形[24]。CHOW等[25]認(rèn)為固定的節(jié)段愈長，固定節(jié)段的剛度愈強(qiáng)，其鄰近節(jié)段的應(yīng)力愈大。辛兵等[26]通過山羊動物模型研究發(fā)現(xiàn)和短節(jié)段固定相比，長節(jié)段固定后鄰近關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)早期就出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的退變。有研究表明隨著固定節(jié)段增加，鄰近節(jié)段椎間盤壓力逐漸升高[27]。在此次研究中，作者發(fā)現(xiàn)長短節(jié)段固定的相鄰節(jié)段椎骨所受應(yīng)力均主要集中在椎體的四周及附件的小關(guān)節(jié)面，在左右側(cè)彎方向的應(yīng)力最大;除了左、右旋轉(zhuǎn)方向，在其他4 個(gè)方向上，長節(jié)段固定相鄰椎骨所受的最大應(yīng)力均大于短節(jié)段。此外，在相鄰椎間盤的應(yīng)力上，雖然短節(jié)段組椎間盤局部的最大應(yīng)力大于長節(jié)段組，但是通過椎間盤的應(yīng)力分布云圖，發(fā)現(xiàn)長節(jié)段組椎間盤應(yīng)力較大的區(qū)域明顯大于短節(jié)段組�；诖舜窝芯恐邢噜徆�(jié)段的應(yīng)力結(jié)果，相比短節(jié)段組，長節(jié)段組鄰近的椎間盤和小關(guān)節(jié)似乎更容易發(fā)生退變，相鄰的椎體也更容易發(fā)生壓縮骨折。
通過對骨折椎體的分析，作者發(fā)現(xiàn)除了左側(cè)彎方向外，短節(jié)段組骨折椎體所受應(yīng)力在另外的5個(gè)方向上均大于長節(jié)段組，其中在前屈方向上，骨折椎體所受的應(yīng)力最大。在模擬不同方向的運(yùn)動時(shí)，骨折椎體均發(fā)生了不同程度的位移，左右側(cè)彎運(yùn)動時(shí)發(fā)生是的位移最大，而短節(jié)段組的位移均大于長節(jié)段組。因此，從此次研究結(jié)果來看，長節(jié)段固定比短節(jié)段固定更為穩(wěn)固，對骨折椎體的保護(hù)作用更好。 SUN等[28]研究發(fā)現(xiàn)短節(jié)段固定系統(tǒng)容易在上下釘帽交接處發(fā)生疲勞斷裂，而長節(jié)段固定因?yàn)樵黾恿酥冕敂?shù)量，將應(yīng)力分散在多個(gè)釘帽處，增加了固定的強(qiáng)度，又降低了平均應(yīng)力，從而降低斷裂的發(fā)生率。WANG等[29]通過建立T12椎體骨折的有限元模型，對比不同的固定節(jié)段數(shù)和固定位置的力學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)在前屈時(shí)螺釘所受的應(yīng)力最大，其中短節(jié)段固定(T11-L1)螺釘所受最大平均應(yīng)力(115.6±44.5) MPa大于長節(jié)段固定(T10-L2)螺釘所受應(yīng)力(87.2±26.3) MPa。在該研究中，無論是長節(jié)段還是短節(jié)段，內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力均主要集中在兩端的螺釘上及桿的局部，且遠(yuǎn)端螺釘所受的應(yīng)力大于近端。此外，長節(jié)段組釘-桿系統(tǒng)的局部最大應(yīng)力大于短節(jié)段組，不過釘-桿的應(yīng)力分布圖顯示長節(jié)段組的應(yīng)力更多地分散到了兩端螺釘外的其他螺釘及桿上，而兩端螺釘主要應(yīng)力的區(qū)域則較短節(jié)段組減少。