腰椎皮质骨钉道螺钉在腰椎真性滑脱手术中的三维有限元应用

曲银娥　宋永全　韩晶　马思琪

[摘要]目的：应用三维有限元分析模拟并比较传统钉道（traditional trajectory，TT）与皮质骨钉道（cotticalbone trajectory，CBT）的固定强度。方法：用TT和CBT两种方式分别对四组椎体进行模拟置钉，对轴向抗拔出力，屈曲、伸展、弯曲、旋转等应力进行测试，对比固定强度。结果：在抗拔出力比较中，0V-NV组的CBT螺钉相比TT螺钉具有更强，差异有统计学意义（t=2.10，P<0.05）；上、下、左、右方向应力试验中，NBM-NV、NBM-VS组中，TT螺钉较CBT螺钉固定强度更强，差异均有统计学意义（P<0.05），而在0V-NV中，固定强度则与其相反。在NBM-NV、NBM-VS组屈伸应力比较中，TT螺钉稳定性明显强于CBT螺钉内固定，差异具有统计学意义（P<0.01），在旋转应力中，OV-NV组CBT螺钉比TT螺钉能耐受更大的应力，差异具有统计学意义（P<0.05）。結论：对于骨质疏松峡部完整椎体，CBT螺钉的抗拔出力及内固定稳定性优于TT螺钉。

[关键词]腰椎皮质骨钉道螺钉；骨质疏松；腰椎真性滑脱手术；三维有限元

1一般资料

病例纳入标准：成年人，腰5椎体真性滑脱，I-II°滑脱。排除标准：伴有其他腰椎疾病，既往有腰椎手术病史或继发性骨质疏松。

选取骨量正常的腰5椎体真性滑脱患者20例（男性7例，女性13例），原发性骨质疏松合并腰5椎体真性滑脱患者20例（男性8例，女性12例）共40例患者，选取峡部裂椎体（L5椎体）为实验组，峡部正常椎体（L4椎体）作为对照组。

2分组及模型建立

本实验共分为8组，首先根据患者有无骨质疏松分为骨量正常组及骨质疏松组，再根据椎体峡部裂将每一组分为峡部裂及正常椎体2个亚组，在每个亚组中分别模拟传统轨迹及皮质骨钉道2种置钉方式

对本实验所用椎弓根螺钉测量后，应用Solidworks CAD软件绘制。CT资料由承德医学院附属医院CT科提供，运用Mimcs软件读取扫描好的腰椎节段的CT数据。通过Cancelud 3D操作，形成峡部正常与峡部裂椎体的三维模型，导入Geomagic软件，形成三维实体，并在Geomagic中生产每个椎体的松质骨及皮质骨部分，再导入到Ansys Workbench 14.0中，通过布尔运算得到中空的皮质骨及松质骨两部分，建立平面、切割、布尔运算等操作生成后部结构。建立有限元分析实验所需的椎体实体模型，再通过Solidworks软件生成SLDPRT文件并保存。

3模拟置钉及试验方法

置钉方案TT：入钉点为人字脊顶点，沿椎弓根解剖轴进钉；CBT：上关节突关节中垂线与同侧横突下1 mm水平线交点，进钉方向为左侧11点方向置钉，右侧1点方向置钉，外偏角度为10°，头倾角25°。根据骨密度与弹性模量的经验公式进行赋值，而钛合金螺钉的弹性模量查相关文献而获得。在钉尾施加一个拔出力，逐渐递增载荷，每次增加20N，增加至螺钉位移移动1mm，并记录此时对应载荷即最大抗拔出力。在钉尾按上、下、左、右4个方向加载300N载荷，记录钉头位移，记录螺钉位移移动1mm时所对应载荷，从而评估螺钉一骨接触面的固定强度，即螺钉稳定性。在椎体上表面均匀施加300N载荷，使其做前屈、后伸、旋转及侧屈运动，记录钉头位移，记录螺钉位移移动1mm时所对应载荷，用以椎体在该方向的稳定性。

4统计学方法

所有数据以均数±标准差（x±s）表示，所有统计数据都在Graphpad Prism 6上完成，组间比较采用单因素方差分析，Tukey test用于两两比较，其检验水准均为a=0.05。

5结果

椎弓根螺钉的抗拔出力实验结果显示，在OV-NV分组中，CBT螺钉的平均抗拔出力比TT螺钉的平均抗拔出力强，差异有统计学意义（P=0.042）。在NBM-NV组中，CBT螺钉的抗拔出力大于TT螺钉，差异有统计学意义（P<0.05）。其余各组比较中，差异无统计学意义

上方向与下方向应力试验的载荷位移对比较各组TT螺钉与CBT螺钉在上方向的载荷位移比值，在NBM-NV及NBM-SV两个组中，TT螺钉在上方向的载荷位移均大于CBT螺钉，差异有统计学意义（P<0.05）。在OV-NV组中，结果则相反。

左侧应力试验的载荷位移比较在NBM-NV及NBM-SV分组中，TT螺钉在左方向的载荷位移均明显大于CBT螺钉，差异有明显统计学意义（P<0.01）。而OV-NV组中，CBT螺钉组的载荷位移大于TT螺钉，差异有明显统计学意义（P<0.05）。屈曲应力与伸展应力试验的载荷位移对比较各组TT螺钉与CBT螺钉在屈曲应力下的载荷位移比值，在NBM-NV及NBM-SV分组中，TT螺钉在载荷位移比较中均明显大于CBT螺钉，差异有明显统计学意义（P<0.05）。而在骨质疏松的两个分组中互相之间的差异则无统计学意义（P<0.05）。

6讨论

椎弓根螺钉系统是目前最常用的脊柱内固定方式。本研究将研究对象分成多个组，比较两种螺钉在各分组中的固定强度。大量生物力学研究己经证实了椎弓根螺钉在椎体固定能力上的重要性。Himno等的试验显示60%-80%的固定强度是由椎弓根螺钉的钉道提供。本研究皮质骨钉道螺钉固定强度在骨量正常组中，峡部裂与峡部完整椎体相比，抗拔出力降低了约21.4%，在各运动方向的固定强度也有相应减少。很多学者的研究显示双皮质钉道螺钉的各方面固定强度要强于传统钉道螺钉，而此研究结果显示骨量正常的峡部裂椎体在双皮质钉道螺钉的内固定强度表现低于传统钉道螺钉。这可能是由于皮质骨钉道螺钉比较短小，而峡部裂椎体结构上的不完整性，螺钉的末端没能够最大限度的接近椎体的上终板。

此研究的局限性，首先是我们的研究样本量相对较少，CT平扫用于建模的患者数只有40例，以及动力分析显示这样的样本量足够用以检测两组之间的统计学差异。椎体的形态，如椎弓根的形状，大小和接合，在不同的腰椎水平之间是不同的，因此可能需要更多大样本的比较相同的腰椎水平的调查研究才能有效降低结果的偏倚。

（通讯作者：曲银娥）