CBT螺釘固定椎體單元的生物力學研究

武 洵，申才良

與傳統的椎弓根釘道螺釘相比，皮質骨釘道螺釘技術顯著提高了置入螺釘的固定穩定性[1-2]，對骨質疏松患者有較好的適應性[3-4]。目前針對單個CBT螺釘固定的力學特性研究較多，如極限抗拔強度、固定剛度等[5-6]，但對椎體運動單元力學特性的研究較少。

本研究在建立有限元模型的基礎上，考慮TT螺釘與CBT螺釘兩種置釘方式，模擬不同運動狀態下椎體運動單元的受力及活動情況，并對置入融合器的影響進行考察，探尋椎體運動單元的生物力學信息，為今后椎體運動單元的實驗研究提供數值模擬基礎。

1 材料與方法

1.1設備與材料本研究選取一名伴有骨質疏松的腰椎患者為研究對象，骨密度T值為-3.4，排除脊柱創傷、腫瘤、感染等疾病。掃描設備(CT)為1.5TMRI機(美國GE公司)；計算機設備醫學影像交互式軟件：MIMICS 15.0(比利時Materialise公司)，逆向工程軟件Geomagic Studio 12.0 (美國Geomagic公司)，Pro/E(美國參數技術公司)，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，并導入ABAQUS等分析軟件。為了對結果進行有效的驗證，腰椎內各結構的力學材料屬性均取既往文獻，并結合CT掃描的HU值[7]，具體材料參數見表1。

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

圖1 有限元計算模型

有限元模型根據實際臨床技術模擬TT螺釘與CBT螺釘的置入。TT螺釘的植入是采用韋恩斯坦技術將螺釘沿著椎弓根解剖線，平行于椎體終板插入椎體中，釘道直徑為6.5 mm，長度40 mm。CBT植入的進釘點為上關節突中心與橫突下緣下方1 mm的結合點，以左側椎弓根投影5點向11～12點方向置釘，右側椎弓根投影7點向12～1點方向置釘，釘道外傾角為10°，頭傾角為25°，直徑為5.5 mm，長度為35 mm。

表1 材料屬性

2 結果

2.1椎體應力分布采用CBT螺釘對脊椎L4、L5關節固定時，應力最大區域位于釘棒及橫連，前屈、后伸、左側彎、左旋狀態下應力最大值分別為230.4、187.5、236.4、199.6 kPa。見圖2。

從椎體的應力分布來看，前屈時L4、L5的上下終板與椎間盤接觸面的前端應力較大，約為2.60 kPa。后伸時接觸面的后端應力較大，約為1.91 kPa。側彎時接觸面的彎曲側應力較大，約為3.07 kPa。旋轉時接觸面的前端應力分布較大，約為1.31 kPa。見圖2。

2.2椎體應變分布前屈時上、下終板與椎間盤接觸面的前側應變較大，約為0.266。后伸時接觸面的后側應變較大，約為0.272。側彎時接觸面的彎曲側應變較大，約為0.197。旋轉時接觸面的前端應變較大，約為0.312。見圖3。

2.3運動單元自由度、最大應力及應變采用CBT螺釘時，若沒有放置融合器，前屈、后伸、左右側彎、左右旋轉時的最大應力分別是289.3、225.5、228.4、151.3、184.1、153.7 kPa。大部分運動狀態下CBT螺釘單元最大應力大于TT螺釘單元，差值約50～70 kPa。但右旋時兩者大致相等，右側彎時TT螺釘條件略大于CBT螺釘。見圖4A。

采用CBT螺釘時，若放置融合器，前屈、后伸、左右側彎、左右旋轉時的最大應力分別是230.4 kPa、187.5 kPa、236.4 kPa、133.5 kPa、199.6 kPa、151.1 kPa。大部分運動狀態下TT螺釘單元最大應力大于CBT螺釘單元，差值約80～130 kPa。但旋轉時兩者相差不大。見圖4B。

未放置融合器時運動單元的最大應變變化范圍在0.15～0.40。CBT螺釘固定時單元各狀態下的最大應變分為0.15、0.31、0.14、0.26、0.30、0.38。除右旋與后伸狀態外，兩種置釘方式下椎體的最大應變值基本相同。后伸狀態下，TT螺釘下的最大應變比CBT螺釘大0.2左右。右旋狀態下，CBT螺釘下的最大應變比TT螺釘大0.2左右。見圖5A。

圖2 CBT螺釘固定時脊椎L4～L5應力圖(無融合器)

圖3 CBT螺釘固定時L4～L5運動單元應變圖(無融合器)

放置融合器時運動單元的最大應變變化范圍在0.2～0.4。CBT螺釘固定時各狀態下椎體的最大應變分為0.27、0.27、0.20、0.26、0.31、0.29。采用TT螺釘固定時的最大應變變化規律與CBT螺釘固定時并不相同，各狀態下的最大應變分別為0.22、0.45、0.23、0.23、0.22、0.18。見圖5B。

CBT螺釘固定時，若未放置融合器，前屈或后伸狀態下的單元自由度相對較大，分別達到了1.22及1.51。其他狀態下的自由度相對較小，左、右側彎、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律與采用CBT螺釘時相近。見圖6A。

若放置融合器時，前屈/后伸狀態下CBT螺釘固定運動單元的自由度相對較大。前屈或后伸時的單元自由度相對較大，分別達到了0.81及1.18。側屈及旋轉時自由度值相對較小，左側彎、右側彎、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螺釘進行固定時椎體自由度隨運動狀態的變化趨勢與同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運動單元的最大應變對比

圖6 兩種置釘方式下L4～L5運動單元的自由度對比

3 討論

目前，多數有限元的相關研究只針對單個螺釘固定時的力學強度[8]，同時，雖然有學者研究了置釘時融合器對脊柱運動范圍的影響[9-10]，但未分析運動單元的整體受力。本研究高度模擬了螺釘固定時椎體運動單元的不同運動狀態和受力特點，并將考慮融合器對運動單元力學特性的影響。

3.1運動單元的應力特征運動單元的最大應力分布區均位于釘棒，且釘棒內部應力遠大于椎體內部應力(高1至2個數量級)。說明釘棒對椎體單元的運動趨勢存在明顯的約束作用。由于前屈及后伸運動狀態下釘棒的約束作用表現最好，內部的應力分布值相對較大。置入融合器使得釘棒內部的最大應力減小，原因可能是融合器對椎體的活動度具有約束作用，從而分擔了一部分外部荷載引起的應力積累。

運動狀態不僅對單釘強度有影響，而且對運動單元的狀態亦有影響[11]。后伸狀態下的椎體最大應力位于椎體后側中部。其余運動狀態下椎體應力最大分區位于上下終板與椎間盤的接觸區，應力值向兩側遞減。前屈、旋轉時的最大應力區沿椎體正面均有分布，側屈狀態下的最大應力區則局限在彎曲側。融合器的置入對椎體應力分布規律并無較大影響。

3.2運動單元的應變特征雖然釘棒的內部應力大于椎體應力，但由于其彈性模量遠大于椎體模量，抵抗變形的能力較強，因此釘棒應變相對較小，運動單元的最大應變區域位于椎體。椎體的應變分布特征也與運動狀態有關。前屈及旋轉時，最大應變區域位于上、下終板與椎間盤的接觸面，沿椎體前側分布，并向遠離接觸面的方向遞減。不同的是前屈時應變變化的幅度較小，而旋轉時其應變變化幅度較大。

3.3運動單元自由度的變化規律運動狀態對運動單元的自由度影響有一定的規律性，后伸狀態下的自由度最大，前屈狀態次之，側彎和旋轉狀態下的自由度較小，且數值大致相同。融合器的置入使運動單元的自由度比無融合器時減小0.2左右，表明融合器對椎體的運動存在一定約束，這點與應力分析的結果相符?？疾熘冕敺绞綄ψ杂啥鹊挠绊?，CBT螺釘固定時的自由度略小于TT螺釘，其原因可能是入釘點的不同而導致釘棒、橫連對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對單釘固定效果的研究，本文重點分析了CBT螺釘以及TT螺釘應用于骨質疏松患者時椎體運動單元的力學響應特征，以期為臨床應用提供一定指導。研究表明，應用CBT螺釘時進行椎體固定時，椎體運動單元隨運動狀態的力學響應(應力、應變以及自由度)具有相似的規律。具體表現在：① 在同一種運動狀態下，椎體的應力、應變分布規律具有較強的一致性，CBT螺釘的使用不會顯著改變傳統螺釘固定時的椎體受力特征；② 椎體運動單元的應變以及自由度表征其變形以及位移，較大的應變及自由度意味椎體的穩定性存在一定風險。采用CBT螺釘固定時，椎體的最大應變、自由度一般小于同種運動狀態下的TT螺釘固定時的數值。因此其他情況相同時，采用CBT螺釘固定將提高椎體整體的穩定性。

雖然本文獲得了一些有益的結果和結論，但是仍然有一些問題需要解決：① 本文采用尸體標本的掃描數據受到標本保存條件，取樣手法的影響，勢必會影響有限元分析的結果；② 本模型忽略了肌肉等軟組織的影響[12]，且對L4椎體上方受到的正應力以及轉動彎矩進行了定量化假設；③ 本文選擇了一具典型人體標本進行分析，但其年齡、骨質情況等因素均有一定的局限性；④ 椎體實際運動狀態較為復雜，如何應用有限元對其展開研究以充分了解其CBT螺釘的受力狀態是需要進一步研究的方向。