內(nèi)固定系統(tǒng)中在螺釘受拔出負(fù)載時(shí)腰椎的受力分析

任航寧， 居來(lái)提·買提肉孜*， 帕爾哈提·熱西提， 羅輝卿

(1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 烏魯木齊 830047； 2.新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院， 烏魯木齊 830047)

隨著近些年人口結(jié)構(gòu)變化，65歲以上老年人占工業(yè)化國(guó)家總?cè)丝诘?0%[1]，其中腰椎間盤突出[2]、骨質(zhì)疏松癥會(huì)嚴(yán)重限制病人機(jī)體功能，是困擾老年人日常生活的兩大重因[3]。現(xiàn)今缺乏針對(duì)骨質(zhì)疏松癥相關(guān)脊柱畸變的有效靶向干預(yù)治療。

內(nèi)固定方法中傳統(tǒng)軌跡椎弓根(traditional trajectory，TT)螺釘是較早的一種方案，Santoni 等[4]于2009年提出了新的腰椎椎弓根螺釘置釘路徑皮質(zhì)骨軌跡椎弓根(cortical bone trajectory， CBT)螺釘。在治療腰椎關(guān)節(jié)功能性退化疾病時(shí)，椎弓根螺釘固定已經(jīng)成為一種金標(biāo)準(zhǔn)[5]。在前期的研究中發(fā)現(xiàn)，TT和CBT置釘技術(shù)的解剖參照，置釘點(diǎn)、置釘方向及釘?shù)纼?nèi)皮質(zhì)骨與螺釘界面之間存在一系列的問(wèn)題，并且預(yù)實(shí)驗(yàn)提示這會(huì)在很大程度上影響TT技術(shù)與CBT技術(shù)之間的力學(xué)性能。

自內(nèi)固定理論應(yīng)用以來(lái)，不論TT方式還是CBT方式，置釘后螺釘都存在很大的松動(dòng)可能，進(jìn)而引起固定失效[6-7]或植骨不融合[8]。為此從基礎(chǔ)解剖學(xué)、影像學(xué)研究出發(fā)，對(duì)腰椎皮質(zhì)骨螺釘技術(shù)中上述存在的問(wèn)題進(jìn)一步分析[9-10]。近年來(lái)對(duì)兩種固定螺釘整體穩(wěn)定優(yōu)越性已有物理對(duì)比實(shí)驗(yàn)[4，6]，然而針對(duì)兩種植入類型骨內(nèi)力學(xué)性能的分析鮮有研究。由于有限元分析研究方法可用于獲取內(nèi)部量化物理數(shù)據(jù)，故通過(guò)有限元方法進(jìn)行螺釘拔出模擬試驗(yàn)，分析CBT螺釘和TT螺釘在骨質(zhì)疏松腰椎中應(yīng)用時(shí)，評(píng)價(jià)其生物力學(xué)特性，以探索CBT螺釘和TT螺釘在骨質(zhì)疏松患者腰椎矯正中具有的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的可能機(jī)制，為用于臨床的新理論提供突破口。

1 對(duì)象和方法

1.1 前期準(zhǔn)備

選取一名具有骨質(zhì)疏松癥的女性患者，年齡65歲，身高1.6 m，體重65 kg。利用SIEMENS雙源64排螺旋CT進(jìn)行L1-L5全椎體掃描，層厚0.75 mm，腰腹腔圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式保存。腰椎骨密度(bone mineral density， BMD)ρu=0.54 g/cm3，T值為(骨質(zhì)量與同性別青年組平均BUA[broadband ultrasound attenuation)的比值]-3.4；仿真平臺(tái): ANSYS、Solidworks、Mimics及3-matic。

1.2 模擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建方法

1.2.1 生成腰椎模型

在Mimics中將腰椎DICOM數(shù)據(jù)建模，生成腰椎骨的粗糙3D仿真模型[11]。依據(jù)醫(yī)學(xué)知識(shí)，修繕并構(gòu)建實(shí)用仿真模型[12]。導(dǎo)入螺釘文件，將SolidWorks創(chuàng)建的螺釘分別按CBT和TT理論要求置入腰椎骨仿真模型中[4，13]。螺釘尺寸采用4.35 mm×40 mm，釘長(zhǎng)40 mm，螺紋36 mm，螺紋置入部分35 mm。

1.2.2 布爾算法生成釘?shù)?/p>

在Mimics內(nèi)，用Boolean Subtraction命令將.stl文件生成實(shí)體，將螺釘文件對(duì)骨和釘做減法，生成螺釘-腰椎裝配釘?shù)馈?/p>

醫(yī)學(xué)研究認(rèn)為，腰椎CBT螺釘解剖冠狀面理想的進(jìn)釘點(diǎn)以測(cè)量該節(jié)段上關(guān)節(jié)突垂直中線與同側(cè)橫突下1 mm(見圖1中距離D)水平線的交點(diǎn)為準(zhǔn)[4，14-15]。CBT螺釘置釘?shù)姆较蚴窃谑笭蠲嫔项^偏25°，水平面外偏10°[6，16-18]。即各組釘骨配合角度區(qū)別如圖1所示(注意皮質(zhì)骨椎弓根螺釘(左)與傳統(tǒng)椎弓根螺釘(右)在分叉路徑上的差異)。CBT參數(shù):矢狀面頭頂角α=25°，側(cè)角β=10°，D=1 mm；TT參數(shù):矢狀面椎體后方垂直γ=90°，側(cè)角δ=10°。

1.2.3 模型網(wǎng)格化單元

在3-matic中進(jìn)行實(shí)體化，劃分網(wǎng)格，生成實(shí)體模型，構(gòu)建可使用的三維模型。

腰椎骨模型四面體單元尺寸:體網(wǎng)格為2.46 mm；面網(wǎng)格為1.23 mm；統(tǒng)一單元面網(wǎng)格為1.23 mm。

螺釘模型四面體單元尺寸:體網(wǎng)格為0.615 mm；面網(wǎng)格為0.615 mm；統(tǒng)一單元面網(wǎng)格為0.615 mm。

1.2.4 賦材料屬性

用腰椎CT值-表面密度-彈性模量經(jīng)驗(yàn)公式賦予各單元體材料屬性[5，19]。此方法是將前面劃分好的腰椎網(wǎng)格單元，按照經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)CT值亨氏單位(hounsfield unit， HU)取一定加權(quán)值比例計(jì)算得的單元屬性平均值賦予此單元。該仿真分析將設(shè)置一組對(duì)照組，對(duì)照組的骨模型材料屬性賦值除外。

表面密度:ρ=1×HU (單位：kg/m3)；楊氏模量:上-下方向E=7.136ρ-172.3 MPa；泊松系數(shù)V=0.3。

1.2.5 生成標(biāo)準(zhǔn)格式文件

將Mimics內(nèi)劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)出模型CDB文件、TXT命令流文件、Excel骨密度數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)庫(kù)文件，提取參數(shù)，以備后用。

1.3 提取參數(shù)

1.3.1 賦螺釘材料屬性

將模型導(dǎo)入ANSYS。在ANSYS中賦予螺釘材料屬性:螺釘采用鈦合金，具有穩(wěn)定，不會(huì)引起機(jī)體排異反應(yīng)等特殊特點(diǎn)，一般可以終生使用。密度ρ=4 620 kg/m3。抗拉強(qiáng)度σb=539 MPa；伸長(zhǎng)率ε=25%；斷面收縮率ψ=25%；楊氏模量E=113.19 MPa；硬度HB195。

1.3.2 賦加約束和載荷

Matsukawa等[13]在實(shí)驗(yàn)中得出的拔出時(shí)扭矩與股骨骨密度、椎板內(nèi)螺釘長(zhǎng)度、頭頂角之間關(guān)系為

Tu=4.59ρu+0.08Lu+0.04α-2.88。

式中：Tu為螺釘拔出扭矩，N·m；ρu股骨骨密度，g/cm3；Lu為椎板內(nèi)螺釘長(zhǎng)度，mm；α為頭頂角，(°)。螺釘拔出時(shí)扭矩設(shè)定為3 398 N·mm。

骨與釘設(shè)置為綁定接觸，模擬較高融合率下的實(shí)際釘骨接觸狀態(tài)。分別約束L1～L5的上終板和下終板6個(gè)方向自由度，模擬腰部各組織對(duì)腰椎的固定作用。最后對(duì)腰椎骨進(jìn)行力學(xué)分析。

1.4 設(shè)置對(duì)照組

設(shè)置一組對(duì)照，對(duì)照組只改變腰椎的賦值方式，將所完整腰椎單元均賦以統(tǒng)一材料屬性，本次采用類鋁合金模擬實(shí)驗(yàn)，密度2 770 kg/m3。希望對(duì)照得出不同材料屬性相同載荷下，腰椎骨的內(nèi)部力學(xué)性能分布變化趨勢(shì)，進(jìn)而總結(jié)內(nèi)固定螺釘在拔出力影響下的變化規(guī)律。

分別建立腰椎五部椎體L1～L5的有限元分析模型。椎骨模型的材料屬性賦值采用非線性賦值法，依據(jù)實(shí)際CT值采用經(jīng)驗(yàn)公式賦予椎骨材料屬性。通過(guò)改變內(nèi)固定螺釘在腰椎關(guān)節(jié)內(nèi)軌跡，使釘?shù)来┻^(guò)不同骨密度區(qū)域，進(jìn)而得出BMD對(duì)內(nèi)固定螺釘拔出力改變的影響規(guī)律。思路為逆向仿真，對(duì)所有螺釘設(shè)置一定的拔出扭矩，分析在此載荷下，腰椎骨的內(nèi)部力學(xué)性能分布變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)旨在對(duì)比皮質(zhì)骨軌跡固定術(shù)作為經(jīng)椎弓根固定術(shù)治療骨質(zhì)疏松性腰椎時(shí)的療效，以及其內(nèi)部影響情況，為優(yōu)化方案的提出提供設(shè)計(jì)思路。

2 結(jié)果

2.1 應(yīng)力和統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2為腰椎L3釘?shù)乐車鷳?yīng)力分布，圖3為腰椎L1、L2、L4、L5釘?shù)乐車鷳?yīng)力分布。沿螺釘中軸線進(jìn)行平面剖，得到上下方向的側(cè)視剖面圖。由于各段應(yīng)力總體分布規(guī)律類似，此處僅顯示L3的完整釘面和L1、L2、L4、L5的局部釘面進(jìn)行說(shuō)明，分別對(duì)應(yīng)圖2和圖3。對(duì)照組的應(yīng)力分布如圖4所示。由于機(jī)械學(xué)術(shù)上對(duì)螺釘?shù)牟课欢x與醫(yī)學(xué)不同，此處螺釘頭部與螺釘尾部以醫(yī)學(xué)定義為準(zhǔn)進(jìn)行說(shuō)明。

椎體L1:圖3上部L1欄CBT組兩側(cè)釘?shù)赖膽?yīng)力均集中分布在植入松質(zhì)骨的釘頭一段范圍內(nèi)(L1左端和右端)。釘尾皮質(zhì)骨(L1欄中部)則比較穩(wěn)定。最大應(yīng)力在右側(cè)釘?shù)赖尼敿狻T組釘?shù)拦菓?yīng)力分布則相對(duì)比較勻稱，最大應(yīng)力在右側(cè)釘?shù)琅c釘中段偏左一段螺紋牙距外徑配合處[圖3(d)中端偏左]。應(yīng)力面總面積CBT釘?shù)老啾萒T組變化不大且有增加。

椎體L2:相比L1在分布上L2總體與L1相似，左側(cè)和右側(cè)釘?shù)泪斘簿猩倭苛阈欠植紤?yīng)力(圖3兩L2欄兩端)。TT組與釘尖配合部分釘?shù)繹對(duì)應(yīng)圖3下部L2欄左右兩端]的應(yīng)力分布相比L1明顯增多，最大應(yīng)力在左側(cè)釘?shù)琅c釘中段螺紋牙距外徑配合處[圖3(c)L2區(qū)中段偏左]。CBT組相比TT組，應(yīng)力面積明顯減少，最大應(yīng)力在左側(cè)釘尖。

椎體L3:應(yīng)力分布如圖2所示。相比L1、L2在分布上大體相同，且更接近L1的分布規(guī)律。TT組左側(cè)釘相較其他應(yīng)力分布區(qū)域密度減少，釘尾[圖2(c)右端和圖2(d)左端]應(yīng)力分布相比其他四組明顯減少，最大應(yīng)力位置在右側(cè)釘尖 。CBT組的左側(cè)釘尾配合部分釘?shù)琅cL2相似，最大應(yīng)力在左側(cè)釘?shù)赖尼敿馀c最末一段螺紋牙距外徑配合處[圖2 (a)的左端和圖2 (b)的右端]。

圖2 腰椎L3釘?shù)乐車鷳?yīng)力分布圖

椎體L4:L4的應(yīng)力相比其他四組在分布總面積上最大，TT組兩側(cè)螺釘尾部(圖3下部L4欄兩端)應(yīng)力區(qū)分布密集度和大小均有明顯增加；最大應(yīng)力均在中段靠近釘尖一側(cè)釘?shù)缆蔟X外徑配合處。CBT組右側(cè)釘?shù)狼闆r相似于L1，左側(cè)釘?shù)乐胁坑胁糠謶?yīng)力區(qū)分布，應(yīng)力總面積有明顯較少。

椎體L5:L5釘?shù)乐車鷳?yīng)力分布更加接近L1～L4分布規(guī)律的疊加態(tài)。TT組應(yīng)力區(qū)散布增加明顯，并且是全釘?shù)栏采w。最大應(yīng)力在左側(cè)釘?shù)谰噌敿?倍螺距螺紋釘牙外徑配合處[圖3(c)L5欄中段偏左]。CBT組最大應(yīng)力在兩側(cè)釘?shù)赖尼敿馀c從釘尖處數(shù)第二段牙距螺釘牙內(nèi)徑配合處(圖3上部L5欄兩端)。且在右側(cè)釘?shù)乐卸斡幸惶帒?yīng)力集中點(diǎn)。

圖3 腰椎L1、L2、L4、L5釘?shù)乐車鷳?yīng)力分布圖

對(duì)照組腰椎模型來(lái)自L3，結(jié)果上相比圖2變化明顯，應(yīng)力變化均勻，幅度小；最大值在右側(cè)釘尖處釘?shù)溃襎T比CBT釘尾應(yīng)力集中嚴(yán)重。其他四組腰椎應(yīng)力分布規(guī)律均趨同于圖4，在此不再羅列。兩組釘?shù)雷畲髴?yīng)力值和平均值統(tǒng)計(jì)，以及CBT組對(duì)比TT組釘?shù)雷畲髴?yīng)力值及其增幅如表1所示。

表1 各組最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

圖4 對(duì)照組腰椎L3釘?shù)乐車鷳?yīng)力分布圖

2.2 求解應(yīng)變，統(tǒng)計(jì)結(jié)果

各組應(yīng)變最大值及對(duì)CBT組相比TT組增長(zhǎng)幅度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 各組最大應(yīng)變統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在相同扭矩下L1～L5的CBT組比TT組最大應(yīng)變大平均值減少21.49%，加上對(duì)照組后平均值減少18.72%。

3 討論

增強(qiáng)腰椎骨內(nèi)固定螺釘?shù)姆€(wěn)定性的研究眾多，對(duì)這類研究可大致劃分兩類。一類集中在理論設(shè)想上，缺乏實(shí)踐試驗(yàn)及對(duì)比分析。另一類研究集中在對(duì)部分可行性理論的物理實(shí)驗(yàn)方面，并且多為真實(shí)的生物體或標(biāo)本上的醫(yī)學(xué)方面實(shí)驗(yàn)。優(yōu)點(diǎn)是腰椎物理實(shí)驗(yàn)易操作，易量化指標(biāo)，但其實(shí)驗(yàn)標(biāo)本難以獲取，成本高。現(xiàn)有研究尤以物理實(shí)驗(yàn)居多。部分研究模擬了實(shí)際狀態(tài)下多關(guān)節(jié)的聯(lián)動(dòng)應(yīng)力、穩(wěn)定性等力學(xué)分析[11，19-20]。

本文研究通過(guò)置入椎體不同BMD軌跡區(qū)的情況仿真腰椎內(nèi)部置釘，分析了單體腰椎完整關(guān)節(jié)單元在螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)載荷作用下的力學(xué)性能。

由結(jié)果對(duì)比分析，CBT螺釘組左側(cè)釘和右側(cè)釘應(yīng)力均集中分布在植入松質(zhì)骨的釘頭一段范圍內(nèi)，且為螺釘中線下側(cè)面積比上側(cè)大，釘尾則比較穩(wěn)定，保護(hù)了重要的皮質(zhì)骨部分。CBT固定螺釘在骨剛度對(duì)比上仍表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，降低骨裂風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的經(jīng)椎弓根螺釘沿著椎弓根解剖軸從外側(cè)到內(nèi)側(cè)的軌跡與皮質(zhì)骨相比，松質(zhì)骨的接觸面積更大。松質(zhì)骨密度較低，穩(wěn)定性較差，比皮質(zhì)骨更具彈性，在骨質(zhì)疏松癥中會(huì)發(fā)生明顯的退變。松質(zhì)骨的應(yīng)力集中損害了螺釘-骨界面的強(qiáng)度，并與椎弓根螺釘松動(dòng)有關(guān)。最大應(yīng)力分布位置均在皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的銜接部位，說(shuō)明骨質(zhì)變化會(huì)對(duì)應(yīng)力集中產(chǎn)生影響。

L4組為最大應(yīng)力增長(zhǎng)比例最高的一組，且L4、L5是增長(zhǎng)，其他三組CBT結(jié)果均小于TT結(jié)果。L5的結(jié)果是五組CBT應(yīng)力最大值中最小的一組，其次為L(zhǎng)4。TT五組中最小的為L(zhǎng)4，其次為L(zhǎng)5。在應(yīng)力區(qū)域總面積上L4、L5最大的一組表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)，說(shuō)明內(nèi)固定螺釘方式置釘在L4、L5段腰椎發(fā)生整體失效風(fēng)險(xiǎn)最大。可能原因，因?yàn)長(zhǎng)4～L5承重更多；形狀上L4、L5相比L1～L3外形更扁，輪廓更大；椎體內(nèi)部松質(zhì)骨相比L1～L3的BMD值更高，且高低分布規(guī)律不同于L1～L3。五部腰椎關(guān)節(jié)最大應(yīng)變值CBT組全部小于TT組，最大應(yīng)力平均增加2.71%；最大應(yīng)變平均值減少21.49%。圖4中CBT組的應(yīng)力分布面積依然明顯少于TT組。綜合5組腰椎的數(shù)據(jù)對(duì)比得出，并非對(duì)所有的腰椎組織CBT方式置釘均具有更好的性能，可能未來(lái)需要區(qū)分具體情況針對(duì)CBT方案進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化治療。而由對(duì)照組的應(yīng)力分布圖是均勻增加，幅度區(qū)間十分平緩，且應(yīng)力區(qū)域大體上沿螺釘中線對(duì)稱分布，CBT螺釘應(yīng)力集中部分分布在植入松質(zhì)骨的釘頭一側(cè)范圍內(nèi)，TT螺釘則分布相對(duì)比較勻稱，對(duì)這十分明顯的區(qū)別可以總結(jié)推論。但是，結(jié)合各對(duì)比圖發(fā)現(xiàn)，CBT組中釘頭一側(cè)處于松質(zhì)骨與皮質(zhì)骨過(guò)渡區(qū)的一段釘?shù)郎⒉加性S多應(yīng)力集中點(diǎn)，對(duì)此有必要對(duì)CBT方案進(jìn)行優(yōu)化，以減小對(duì)骨組織的刺激。

研究結(jié)果為基于單體患者實(shí)際骨質(zhì)條件而建模，由于各類內(nèi)固定螺釘為事先在模擬平臺(tái)上按各醫(yī)學(xué)理論放置在指定的位置，而臨床實(shí)際中存在個(gè)體差異不同，很可能難以達(dá)到理想狀態(tài)，從而造成偏差。另外，臨床中骨質(zhì)疏松患者各內(nèi)固定螺釘釘骨融合的程度不同，考慮到置釘恢復(fù)過(guò)程干擾類型比較多，本研究采用統(tǒng)一要素設(shè)計(jì)。不同類型的螺釘會(huì)對(duì)腰椎內(nèi)固定螺釘?shù)姆€(wěn)定性產(chǎn)生什么樣的影響。螺距，螺紋直徑，螺紋牙型，螺紋升角等因素改變會(huì)對(duì)螺釘穩(wěn)定性產(chǎn)生積極作用還是消極作用等問(wèn)題還有待研究。由于此次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與真實(shí)結(jié)果相接近，也側(cè)面證明了此模擬實(shí)驗(yàn)的可行性。也為解決上述問(wèn)題提供了有效思路。

綜上所述，研究結(jié)果反映出了CBT螺釘固定和TT螺釘固定釘?shù)纼?nèi)應(yīng)力分布情況和兩種固定方式穩(wěn)定性的比較，為CBT螺釘技術(shù)在骨質(zhì)疏松患者腰椎固定中的應(yīng)用以及方案優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

椎體內(nèi)應(yīng)力層面證實(shí)了與傳統(tǒng)椎弓根螺釘相比，側(cè)角向外導(dǎo)向的皮質(zhì)骨椎弓根螺釘具有更好的抵抗釘尾部負(fù)荷能力的理論[8]，并且得出一系列新結(jié)論。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

(1)不同的材料屬性會(huì)對(duì)植入螺釘穩(wěn)固力產(chǎn)生不同的影響，即骨密度會(huì)影響內(nèi)固定螺釘在腰椎內(nèi)的生物力學(xué)表現(xiàn)。傳統(tǒng)的經(jīng)椎弓根內(nèi)固定方式限制了皮質(zhì)骨的置入占比，導(dǎo)致許多脊柱固定術(shù)因螺釘松動(dòng)器械過(guò)早失效。

(2)骨質(zhì)銜接變化位置容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且CBT方案增加了集中點(diǎn)的分布，CBT方案尚需優(yōu)化改良，增加皮質(zhì)骨的置入占比是較好的手段。

(3)不同的螺釘植入角度也會(huì)對(duì)釘?shù)膽?yīng)力分布以及最大應(yīng)力值產(chǎn)生影響。

(4)在受相同載荷時(shí)，CBT螺釘方案比TT螺釘方案減少了椎骨形變。

(5)各椎體功能差異，導(dǎo)致形狀、大小各不相同，其力學(xué)性能表現(xiàn)也不相同，骨質(zhì)疏松患者治療時(shí)需要對(duì)不同的腰椎采取不同的治療方案。

在此認(rèn)為CBT螺釘技術(shù)相比TT螺釘技術(shù)具有優(yōu)越性，是骨質(zhì)疏松患者腰椎內(nèi)固定矯正的一種優(yōu)選方式。