椎弓根螺钉联合皮质骨轨迹螺钉治疗腰椎骨折的有限元分析

目的：采用有限元方法分析椎弓根螺钉（PS）联合皮质骨轨迹螺钉（CBTS）固定和传统椎弓根螺钉固定两种手术方式对腰椎骨折术后的脊柱生物力学及内固定区域的应力的影响。方法：采集1例正常成年人腰椎三维重建 CT 数据，建立L1～L5椎体三维有限元初始模型，以腰3椎体为中心椎，分别用2种方式（设为A、B组）处理。A组:传统椎弓根螺钉固定和B组:联合固定。分析2组内固定模型在一定载荷的生理运动状态下固定节段的椎体形变度、活动度（range of motion，ROM）、椎体骨骼应力、螺钉应力、连接棒应力和椎间盘应力的变化。结果:A组与B组的椎体高度变形位移分别为1.34mm、1.30mm。A组的各方向ROM相较于B组小。相较于A组，B组在右倾时椎体骨骼应力增加64.5%。在左旋和右倾时，B组螺钉应力相较于A组分别增加99.20%、4.45%。在后伸、左旋和右旋时，B组连接棒应力相较于A组分别增加8.07%、22.99%和54.18%。A组与B组的椎间盘总应力分别为25.92MPa、27.88MPa。结论：CBTS和 PS的联合应用可进一步增加手术节段的力学强度，减少椎体的负荷，且能拥有与传统固定方式相似的椎间应力环境，为病患的手术方案提供了一种新的选择。

关键词：腰椎骨折；联合固定；有限元分析；生物力学

随着城市化的发展，交通越发便利，由交通事故引发的脊柱创伤疾病也越来越多，其中由于腰椎独特的解剖结构和生物力学，成为各类型脊柱骨折中椎体最易受累的节段[1]。为了尽快恢复脊柱的稳定性、解除脊髓或神经的压迫症状和改善生活质量，手术治疗成为了首选。发展到现在，被广泛应用到的脊柱骨折的手术方式主要分为经皮脊柱后凸成形术、后路经皮椎弓根螺钉内固定术和开放椎弓根螺钉内固定术[2]。近些年随着皮质骨轨迹螺钉（CBTS）在脊柱退行性疾病的广泛应用，许多脊柱外科的医生开始探索 PS 和 CBTS 联合应用的前景[3]。 本研究旨在通过有限元分析的方法比较2种内固定方式（PS固定、CBTS和PS联合固定）对手术节段的生物力学影响，以探索CBTS 和 PS 内固定在腰椎骨折手术中的最佳应用方式，提高内固定稳定性和尽量恢复脊柱正常生物力线，为临床选择手术治疗方案提供更多的参考。

1资料和方法

1.1资料 螺旋计算机断层扫描仪；软件信息： Hyperworks 2022,  (Altair，美国）， Abaqus 2022，(dassault SIMULIA，法国），NX 12.0， (Siemens PLM Software，德国)。硬件信息： Windows 版本：Windows 10 企业版；处理器： Inter(R) Xeon(R) Gold 5115 CPU @2.40Hz 2.39Hz (2 processors)；内存：64.0 GB，计算使用内存约为73%~97%。

1.2 方法

1.2.1 正常腰椎有限元初始模型的建立 对一名男性健康志愿者采用64排螺旋CT连续扫描， 扫描层厚0.625mm，获得L1~L5脊柱 DICOM 格式文件数据。将数据导入 Mimics Medical软件，创建 L1~L5 三维椎体模型，再对模型表面进行包覆（warped）以及光滑(Smoothed)处理。将模型导入NX 12.0软件中，根据相邻椎体的轮廓创建椎间盘和小关节软骨。再将该模型以STL格式导入逆向工程软件Geomagic Studio，在精确曲面中生成Nurbs曲面，将腰椎模型转化成STP格式，导入Hyperworks 2022，进行网格划分，并根据解剖结构，建立椎旁韧带和纤维环胶原纤维等结构。由此完成正常腰椎有限元模型的建立。

1.2.2 固定模型的建立和应力分析

采用正常腰椎模型建立2种固定模型：A组和B组。A组：传统椎弓根螺钉固定（8枚椎弓根螺钉+2根连接棒固定伤椎及上下各两个椎体）；B组:联合固定（4枚皮质骨轨迹螺钉+2根连接棒固定上下远端椎，6枚椎弓根螺钉+2根连接棒固定伤椎及邻近椎）。使用软件建立螺钉和连接棒模型，连接棒直径为 5mm。 PS 的规格为 65mm（直径）×45mm（长度），CBTS 的规格为 5mm（直径）×35mm（长度）。A 组单元数 662,250； B 组单元数1,003,204；固定模型如图1所示。模型的材料性质、单元类型及网格数量如表1[4]、表2及表3所示。设定骶骨和尾骨完全固定，同时在 L1 上表面施加350N 垂直应力和 8N·m 的力矩模拟屈伸、侧屈和旋转的六维运动如图2示。 记录在各个维度上椎体形变度、活动度（range of motion，ROM）、椎体骨骼应力、螺钉应力、连接棒应力和椎间盘应力的变化（均取最大变化值）。 

图1：2组腰椎固定建模     

表1. 模型的材料性质

表2.A组模型的单元类型及网格数量

表3.B组模型的单元类型及网格数量

图2：初始模型

2结果 

A 组和B 组内固定模型椎骨、螺钉、连接棒和椎间盘的应力分布如图3示。各部分结构的具体应力情况分析如下。

图3：两组内固定模型的应力峰值统计图

图3  a 两组腰椎固定有限元模型椎体骨骼在不同运动状态下的应力峰值 b 两组腰椎固定有限元模型螺钉在不同运动状态下的应力峰值 c 两组腰椎固定有限元模型连接棒在不同运动状态下的应力峰值 d 两组腰椎固定有限元模型椎间盘在不同运动状态下的应力峰值

2.1 椎体的高度变化 

承载350N载荷时，A组最大的位移为1.34mm；B组最大的位移为1.30mm。                                       

2.2腰椎活动度

腰椎不同方向的活动变形承载能力可用相应的力位移曲线中的刚度表示。前屈时，A组和B组的刚度分别为6.09N/mm、5.39N/mm；后伸时，A组和B组的刚度分别为3.59N/mm、3.18N/mm；右倾时，A组和B组的刚度分别为3.16N/mm、3.10N/mm；左倾时，A组和B组的刚度分别为4.41N/mm、3.95N/mm；右旋时，A组和B组的刚度分别为1.10N/mm、0.37N/mm；左旋时，A组和B组的刚度分别为2.74N/mm、0.38N/mm。A组的各方向ROM相较于B组小，限制性更大。

2.3椎体骨骼应力

载荷条件下，A组和B组皮质骨最大的米泽斯应力位于第一节腰椎皮质骨不同位置上。A组和B组的应力峰值在前屈时分别为9.40MPa、6.59MPa，后伸时分别为12.71MPa、12.36MPa，右倾时分别为11.1MPa、18.26MPa，左倾时分别为10.02MPa、9.40MPa，右旋时分别为23.7MPa、20.3MPa，左旋时分别为25.6MPa、20.30MPa。相较于A组，在腰椎六维运动下的B组椎体骨骼最大应力普遍更小，仅在右倾时椎体骨骼最大应力较A组增加64.5%。

2.4螺钉应力

载荷条件下，前屈时，A组的L1右侧椎弓根螺钉应力峰值较其它螺钉大，为20.78MPa，B组的L1左侧皮质骨轨迹螺钉较其它螺钉大，为20.29MPa。后伸时，A组和B组在L1椎体左侧的螺钉应力峰值均较本组其它螺钉大，分别为23.91MPa、23.70MPa。左倾时，A组和B组在L1椎体右侧的螺钉应力峰值均较本组其它螺钉大，分别为21.3MPa、18.4MPa。右倾时，A组和B组在L1椎体左侧的螺钉应力峰值均较本组其它螺钉大，分别为33.7MPa、35.2MPa。左旋时，A组L1左侧椎弓根螺钉应力峰值较其它螺钉大，为74.8MPa，B组L5右侧皮质骨轨迹螺钉应力峰值较其它螺钉大，为149MPa。右旋时，A组和B组在L1椎体右侧的螺钉应力峰值均较本组其它螺钉大，分别为197MPa、179.5MPa。在腰椎前屈、后伸、右旋、左倾运动中，B组的螺钉应力均小于A组。但左旋和右倾时，B组螺钉应力相较于A组分别增加99.20%、4.45%。

2.5连接棒应力

载荷条件下，A组和B组的连接棒应力峰值在前屈时分别为28.42MPa、3.28MPa；后伸时分别为30.60MPa、33.07MPa；左倾时分别为35.41MPa、16.91MPa；右倾时分别为39.38MPa、23.60MPa；左旋时分别为90.65MPa、112.4MPa；右旋时分别为107.6MPa、165.9MPa。前屈、左倾和右倾时，很明显B组连接棒的应力值小于A组，但在后伸、左旋和右旋时，B组连接棒应力相较于A组分别增加8.07%、22.99%和54.18%。综合应力云图分析可知，A组的连接棒应力主要集中的棒中间且分布更均匀，B组连接棒的应力主要集中在长棒的两端且分布更集中。

2.6椎间盘应力

载荷条件下，A组和B组椎间盘的应力峰值在前屈时分别为3.71MPa、3.56MPa；后伸时分别为3.04MPa、3.02MPa；左倾时分别为5.49MPa、5.82MPa；右倾时分别为5.30MPa、5.48MPa；左旋时分别为3.57MPa，4.68MPa；右旋时分别为4.81MPa、5.32MPa。

2.7 各结构应力总和 

2组模型在不同运动状态下各结构的应力总和见表4。A组和B组固定模型椎体骨骼的应力总和相当，分别为92.53MPa和87.21MPa。B组较A组在腰椎六维运动下螺钉和连接棒的应力总和少量增加。A组和B组固定模型椎间盘的应力总和相当，分别为25.92MPa和27.88MPa 。

表4. 2组模型在不同运动状态下各结构的应力总和

3讨论 

螺钉内固定术是治疗脊柱创伤、脊柱畸形或是其他需要进行脊柱稳定性重建的疾患的主要外科治疗手段。而螺钉内固定系统需在符合骨钉生物学效能的基础上进行脊柱的三柱固定[5]。其中以 PS 内固定技术最为成熟，临床应用最为广泛[6]。CBTS 以其独特的置钉方式和螺钉轨迹，使其手术创伤显著减小，同时能够提高内固定生物力学强度的优势，在临床上，尤其是脊柱椎间融合术中取得了良好疗效而得以广泛应用[7]。

不可忽略的是，相较于椎弓根螺钉，皮质骨轨迹螺钉的发展时间尚短，一些医师存在操作技术上的障碍，其置钉准确度不足，可能会导致螺钉穿透骨皮质损伤上位神经根；或是置钉时可能出现选择螺钉的直径大于椎弓根的直径，导致骨折；抑或是皮质骨螺钉长度短，会增加断钉的风险。

虽然既往已有研究分析了PS与CBTS各自的生物力学属性，但是目前尚无关于PS与CBTS联合应用在腰椎骨折术中对手术节段内部结构应力情况的生物力学分析研究。如何将PS固定和CBTS固定的优势结合起来，同时规避各自的缺陷，最好的手段就是通过有限元模拟不同的置钉方案，评估模型上手术节段和内固定的应力情况，再从不同的角度完善和构建更具有特征性的模型进一步分析，然后在新鲜尸体标本上进行生物力学上的验证，验证成功后指导临床实践，最后再对不同置钉方案的临床患者术后进行随访，根据汇总的指标，评估其是否具有临床实践意义。

本研究结果显示，与A组相比，B组的椎体在各方向运动中所承受的负荷普遍更小而且活动范围更大更接近生理状态；在腰椎前屈、后伸、右旋、左倾、右倾运动中，B组的螺钉应力与A组无明显差异，但在左旋运动时,B组螺钉贡献的力学强度增加最为显著，B组是A组螺钉力学强度的1.99倍；同时，B组在六维运动中连接棒的应力总和较A组也增加大约7%。在模拟人体真实运动状态下，内固定强度的增加有助于提高腰椎手术节段的稳定性， 降低内固定松动和假关节形成的发生率。

CBTS 与 PS 的联合灵活应用为腰椎骨折固定重建术提供了丰富多样的选择。该技术尤其适用于骨质疏松患者、小关节突骨质增生导致近端 CBTS 置入困难者、远端 CBTS 反复置钉导致钉道松动的补救和远端椎既往行骨水泥强化 PS 置入困难等情况。

本研究存在的不足之处在于仅进行了初始造模，对两种置钉模型进行初步的生物力学分析，对于更进一步的爆裂性或是多段脊柱椎体骨折模型的有限元模拟还有待于进一步建模分组分析。另一方面，本研究的手术固定方式缺少单纯CBTS固定的对照，本研究基于有限元建模分析，比较了单纯 PS 内固定和 PS 与 CBTS 联合固定模型腰椎固定节段的力学特点，探索了 CBTS 与 PS在腰椎固定手术中的新型应用方式。

结果表明，联合应用两种内固定可进一步增加手术节段的力学强度，减少椎体的负荷，从而降低脊柱继发性侧凸发生率，同时获得与传统固定方式相似的椎间应力环境。两种内固定方式的联合应用在有限元研究中还有待于进一步开展，以期为脊柱外科创伤方面提供更多种、更灵活的内固定方式选择。

参考文献

[1] Oliver M, Inaba K, Tang A, et al. The changing epidemiology of spinal trauma: A 13-year review from a Level I trauma centre[J]. Injury, 2012,43(8):1296-1300.

[2] 殷飞, 戈朝辉. 骨质疏松性脊柱骨折诊疗研究进展[J]. 世界最新医学信息文摘, 2019,19(16):69-70.

[3] 赵宏涛, 杨海胜. 传统与皮质骨轨迹椎弓根螺钉内固定术的生物力学对比[J]. 医用生物力学, 2023,38(01):30-36.

[4] Wang H, Mo Z, Han J, et al. Extent and location of fixation affects the biomechanical stability of short- or long-segment pedicle screw technique with screwing of fractured vertebra for the treatment of thoracolumbar burst fractures[J]. Medicine, 2018,97(26):e11244.

[5] 王海峰, 曾忠友, 金辉. 双侧皮质骨轨迹椎弓根螺钉内固定联合椎间融合治疗腰椎退行性病变[J]. 中医正骨, 2020,32(05):52-56.

[6] 刘光普, 刘磊, 宋飞霏, 等. 后路减压椎间融合联合皮质骨轨迹螺钉内固定治疗腰椎融合术后邻近节段退行性病变疗效观察[J]. 中国骨与关节损伤杂志, 2020,35(03):278-280.

[7] 赵蒙蒙. 皮质骨螺钉与椎弓根螺钉融合结构在不同骨密度下腰椎的三维有限元分析[D]. 山东师范大学, 2023.

通讯作者：孙林博，

本研究为江西省卫生健康委科技计划项目，编号：SKJP202311912.