赵晓栋，厉 锋，刘大勇，马崇一

（1.潍坊医学院，山东 潍坊 261053；2.潍坊市人民医院，山东 潍坊 261041）

随着我国人口老龄化的不断进展［1］，腰椎退行性疾病患者不断增多，手术也成为更多患者的选择。目前传统椎弓根螺钉（traditional pedicle screw,TPS）内固定系统常用于腰椎手术中［2］，但随着老年骨质疏松患者不断增加，该系统存在较高的内固定松动、脱出等风险，严重影响手术效果［3］，其原因与骨质量降低、应力分布不均和螺钉-骨界面不良有关［4，5］。因此，如何降低内固定系统的失败率成为当今脊柱外科领域的研究热点。应用骨水泥强化椎弓根螺钉、增加螺钉的直径、增加置钉的深度等都可以提高内固定系统的稳定性［6，7］，但使用骨水泥存在骨水泥渗漏、骨水泥毒性反应等风险［8］；增加螺钉的直径和置钉深度则会增加损伤神经的风险［9］。为降低腰椎内固定松动的发生率，笔者团队设计了新型腰椎椎弓根钉（nov⁃el pedicle screw,NPS）固定装置，其在同一椎体的两螺钉之间增加了横向连接杆，螺钉尾端螺纹改为皮质骨螺纹。本研究旨在通过三维有限元分析的方法，分析NPS固定模型、TPS固定模型、传统椎弓根螺钉+横连接 （TPS-transvers link,TPS-T）固定模型、传统椎弓根螺钉+骨水泥 （TPS-bone cement,TPS-C）固定模型的生物力学特点，进而评价NPS降低内固定松动的有效性。

1 资料与方法

1.1 腰椎三维模型建立

选取一名60岁骨质疏松症志愿者（t≤-2.5），排除遗传病史、家族史及外伤史；排除腰椎骨折、畸形、骨肿瘤等疾病；通过医院伦理委员会批准，签署知情同意书后，行腰椎螺旋CT（Discovery CT750 HD，GE公司，美国）扫描，获取DICOM格式图像，并将其导入Mimics20（比利时，Materialise公司）软件。设定阈值，区分不同组织，进行不同区域的三维重建，完成图像的充填、修饰。建立L4/5椎体几何轮廓。根据材料的不同属性进行边界定义，将其设定为各项同性、均质的线弹性材料，按照各材料的泊松比和弹性模量对其进行赋值（表1）。最终得到包含松质骨和皮质骨的腰椎模型。

表1 有限元模型的材料赋值

1.2 内固定有限元模型建立

运用UG10.0（德国，Siemens PLM Software公司）软件制作四组内固定系统，并完成内固定系统与椎体模型的装配，建立NPS固定模型、TPS固定模型、TPS-T固定模型、TPS-C固定模型（图1）。

图1 四组手术模型 1a:NPS组手术模型 1b:TPS组手术模型 1c:TPS-T组手术模型 1d:TPS-C组手术模型

1.3 有限元模型应力施加

将模型分别导入Abaqus 6.14（法国，Dassault公司），设定L5下表面被完全固定；对L4椎体及L5椎体其余部分不进行约束，认为其可以发生形变，并赋予前屈、后伸、侧弯、旋转等方向的活动度，在L4上表面添加500 N垂直载荷模拟重力对脊柱的轴压载荷。对L4椎体上表面施加10 N·m的扭矩，模拟人体前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转运动，旋转的方向根据右手螺旋定则进行判定，其中拇指方向表示扭矩加载方向，四指弯曲表示模型活动的运动方向。

1.4 测量指标

在L4椎体、螺钉表面、钉道骨质分别选取30个节点，分别用于测量四组模型在各运动状态下的活动度、螺钉von Mises应力、钉道骨质von Mises应力［10］。每个模型重复测量30次。

1.5 统计学方法

采用SPSS 26.0软件（美国，IBM公司）进行统计学分析，计量资料以±s表示，四组间比较采用单因素方差分析，对有差异的指标再次采用LSD法得出组间两两比较。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 模型验证

在相同载荷下，将腰椎模型的活动度与文献中的腰椎模型活动度进行比较［11］，结果本研究中的腰椎模型活动度与文献中腰椎活动度相似。

2.2 活动度测量

四组模型的节段ROM测量结果见表2。NPS组模型与其余三组模型在屈伸、左右侧屈运动时的ROM差异无统计学意义（P>0.05）。在左右旋转时，NPS组的ROM显著小于其余三组（P<0.05）；TPS组的ROM显著大于其余三组（P<0.05）；TPS-T组和TPS-C组之间的ROM差异无统计学意义（P>0.05）。

表2 四种固定方式节段ROM测量结果（n=30，°，±s）与比较

表2 四种固定方式节段ROM测量结果（n=30，°，±s）与比较

images/BZ_67_205_2273_368_2350.pngimages/BZ_67_368_2273_742_2350.pngimages/BZ_67_742_2273_1167_2350.pngimages/BZ_67_1167_2273_1617_2350.pngimages/BZ_67_1617_2273_2043_2350.pngimages/BZ_67_2043_2273_2277_2350.pngimages/BZ_67_205_2428_368_2506.pngimages/BZ_67_368_2428_742_2506.pngimages/BZ_67_742_2428_1167_2506.pngimages/BZ_67_1167_2428_1617_2506.pngimages/BZ_67_1617_2428_2043_2506.pngimages/BZ_67_2043_2428_2277_2506.pngimages/BZ_67_205_2583_368_2661.pngimages/BZ_67_368_2583_742_2661.pngimages/BZ_67_742_2583_1167_2661.pngimages/BZ_67_1167_2583_1617_2661.pngimages/BZ_67_1617_2583_2043_2661.pngimages/BZ_67_2043_2583_2277_2661.pngimages/BZ_67_205_2738_368_2816.png前屈左侧屈左旋images/BZ_67_368_2738_742_2816.png1.15±0.20 0.66±0.12 0.41±0.05images/BZ_67_742_2738_1167_2816.png1.16±0.10 0.67±0.08 0.59±0.10images/BZ_67_1167_2738_1617_2816.png1.15±0.19 0.65±0.09 0.49±0.09images/BZ_67_1617_2738_2043_2816.png1.16±0.20 0.65±0.09 0.52±0.09images/BZ_67_2043_2738_2277_2816.png0.990 0.650<0.001

2.3 螺钉von Mises应力测量

四组模型的螺钉von Mises应力测量结果见表3。NPS组与其余三组在屈伸、左右侧屈运动时螺钉的von Mises应力差异无统计学意义（P>0.05）。在左右旋转时，NPS组螺钉的von Mises应力显著小于其余三组（P<0.05）；TPS组的螺钉von Mises应力显著大于其余三组（P<0.05）；TPS-T组和TPS-C组的螺钉von Mises应力差异无统计学意义（P>0.05）。

表3 四种固定方式螺钉von Mises应力测量结果（n=30，MPa，±s）与比较

表3 四种固定方式螺钉von Mises应力测量结果（n=30，MPa，±s）与比较

images/BZ_68_205_618_406_684.pngimages/BZ_68_406_618_713_684.pngimages/BZ_68_713_618_1152_684.pngimages/BZ_68_1152_618_1610_684.pngimages/BZ_68_1610_618_2042_684.pngimages/BZ_68_2042_618_2075_684.pngimages/BZ_68_2075_618_2276_684.pngimages/BZ_68_205_750_406_817.pngimages/BZ_68_406_750_713_817.pngimages/BZ_68_713_750_1152_817.pngimages/BZ_68_1152_750_1610_817.pngimages/BZ_68_1610_750_2042_817.pngimages/BZ_68_2042_750_2075_817.pngimages/BZ_68_2075_750_2276_817.pngimages/BZ_68_205_883_406_950.pngimages/BZ_68_406_883_713_950.pngimages/BZ_68_713_883_1152_950.pngimages/BZ_68_1152_883_1610_950.pngimages/BZ_68_1610_883_2042_950.pngimages/BZ_68_2042_883_2075_950.pngimages/BZ_68_2075_883_2276_950.pngimages/BZ_68_205_1016_406_1082.png前屈左侧屈左旋images/BZ_68_406_1016_713_1082.png96.23±5.58 114.83±5.49 76.63±5.72images/BZ_68_713_1016_1152_1082.png98.40±4.67 117.00±5.99 100.97±6.33images/BZ_68_1152_1016_1610_1082.png97.83±4.02 115.60±5.38 95.93±5.78images/BZ_68_1610_1016_2042_1082.png97.07±5.90 116.03±6.33 97.00±5.56images/BZ_68_2042_1016_2075_1082.pngimages/BZ_68_2075_1016_2276_1082.png0.384 0.539<0.001

2.4 钉道骨质von Mises应力测量

四组模型的钉道骨质von Mises应力测量结果见表4。NPS组模型与其余三组模型在屈伸、左右侧屈运动时的钉道骨质von Mises应力差异无统计学意义（P>0.05）。在左右旋转时，NPS组钉道骨质von Mis⁃es应力显著小于其余三组（P<0.05）；TPS组的钉道骨质von Mises应力显著大于其余三组（P<0.05）；TPS-T组的钉道骨质von Mises应力显著小于TPS-C组（P<0.05）。

表4 四种固定方式钉道骨质von Mises应力测量结果（n=30，MPa，±s）与比较

表4 四种固定方式钉道骨质von Mises应力测量结果（n=30，MPa，±s）与比较

images/BZ_68_205_1209_432_1276.pngimages/BZ_68_432_1209_790_1276.pngimages/BZ_68_790_1209_1178_1276.pngimages/BZ_68_1178_1209_1606_1276.pngimages/BZ_68_1606_1209_2056_1276.pngimages/BZ_68_2056_1209_2275_1276.pngimages/BZ_68_205_1342_432_1408.pngimages/BZ_68_432_1342_790_1408.pngimages/BZ_68_790_1342_1178_1408.pngimages/BZ_68_1178_1342_1606_1408.pngimages/BZ_68_1606_1342_2056_1408.pngimages/BZ_68_2056_1342_2275_1408.pngimages/BZ_68_205_1475_432_1541.pngimages/BZ_68_432_1475_790_1541.pngimages/BZ_68_790_1475_1178_1541.pngimages/BZ_68_1178_1475_1606_1541.pngimages/BZ_68_1606_1475_2056_1541.pngimages/BZ_68_2056_1475_2275_1541.pngimages/BZ_68_205_1607_432_1674.png前屈左侧屈左旋images/BZ_68_432_1607_790_1674.png7.17±0.99 8.80±0.76 7.23±1.22images/BZ_68_790_1607_1178_1674.png7.57±0.77 9.27±1.20 10.57±0.77images/BZ_68_1178_1607_1606_1674.png7.40±0.81 9.03±0.96 9.23±0.94images/BZ_68_1606_1607_2056_1674.png7.57±0.97 9.23±0.77 9.93±0.83images/BZ_68_2056_1607_2275_1674.png0.26 0.202<0.001

3 讨论

骨质疏松患者的骨密度和骨质量下降，术后存在较高的螺钉松动、脱出风险，需要更强的内固定把持力和稳定性来维持脊柱稳定［12］。为此研究者们做出了诸多努力，在改良螺钉置入技术方面，常通过预先攻丝、调整进钉的角度和深度等方法增加内固定系统的稳定，但其效果有限。相关研究表明，当螺钉的尖端突破椎体前缘超过2 mm时，损伤血管和内脏的风险较高［13］。在钉道强化方面，最常用的是通过骨水泥强化钉道。骨水泥强化钉道的方式主要有两种。第一种是先制备钉道，随后于钉道中加入适量骨水泥，再将螺钉拧入钉道中。第二种是先于椎体中置入骨水泥强化空心椎弓根螺钉，随后在其中注入骨水泥。以上两种技术均可提高螺钉把持力［14，15］。然而使用骨水泥来强化椎弓根螺钉内固定系统也有其不足之处，其中最常见的便是骨水泥渗漏，其发生率为19%～65%［16］，除此之外还有骨水泥的放热反应、毒性反应等［17，18］。

NPS内固定系统在钉尾处增加横向连接杆，通过两根横连杆将整个内固定系统连成一个整体，优化内固定系统的应力分布，减少因螺钉及钉道周围骨质应力集中而导致的骨-螺钉界面不稳定。同时将螺钉钉尾处螺纹改为皮质骨螺纹，增加螺钉与椎弓根皮质骨的接触面积，降低螺钉的松动率［19，20］；NPS内固定系统通过双横连杆增强手术节段的旋转稳定性，为椎间植骨融合创造稳定的环境，提高植骨融合效率。

在之前的研究中，笔者团队模拟该系统对滑脱椎体的复位，并将该系统与传统螺钉组作对比，结果NPS组的最大拔出力为（1173.24±244.57）N，而TPS组的最大拔出力为（705.23±264.09）N，差异有统计学意义（P<0.05）。证明横连杆和皮质骨螺纹可有效提高内固定系统的抗拔出力，提高术中对滑脱椎体的复位能力［21］。

既往的生物力学研究已经证实NPS内固定系统能够降低滑脱椎体复位时螺钉松动、脱出的发生率。该三维有限元研究进一步分析NPS内固定系统在植骨融合完成前降低螺钉松动、脱出等方面的价值。横连杆可以在旋转运动时为内固定系统提供更强的力学稳定性，而在前屈、后伸、左右侧屈运动时对内固定系统的作用不明显［22］。在本研究中，NPS组模型在前屈、后伸、左右侧屈运动时的活动度、螺钉von Mises应力、钉道骨质von Mises应力与其余三组的差异无统计学意义（P>0.05）；在左右旋转运动时，NPS组模型的活动度、螺钉von Mises应力、钉道骨质von Mises应力小于其余三组，差异有统计学意义（P<0.05）。

在患者术后早期活动时，内固定系统代替椎体承担了大量的载荷，维持着脊柱的稳定性，但长时间的应力集中会导致内固定系统松动［23］。NPS组模型在旋转运动时的活动度和螺钉von Mises应力小于其余三组（P<0.05）。由此推测，在旋转运动时横连杆与两螺钉形成的三角形结构可以对手术节段具有较强的限制作用，提高了模型的旋转稳定性；同时横连杆可以优化内固定系统的应力分布，减少螺钉所受应力，降低螺钉的松动率。在左右旋转运动时，NPS组模型的活动度较TPS-T组小（P<0.05），说明双横连杆对旋转稳定性的提升作用较单连杆强，这与Kuklo［24］的结果一致。坚强固定可以为手术节段提供更强的稳定性，维持矫形效果，提高融合率和融合速度［25］，但同时也会增强应力屏蔽效应，导致椎体所受应力减少、固定区骨矿含量和骨融合质量降低、邻近节段退变加快［26］。NPS组内固定具有更强的复位、固定功能，辅以合理的功能锻炼和抗骨质疏松治疗，可一定程度减少固定节段的骨质疏松进展，但其远期疗效还需进一步验证。

患者术后活动时，钉道骨质会承受部分应力，当应力超过正常范围后，应力越大，则钉道骨质吸收越快，继而造成骨-螺钉界面不稳定，螺钉松动率增加［27］。在本实验中四组模型在各方向运动时，钉道骨质皆有明显应力集中，NPS组钉道骨质在各运动方向的von Mises应力皆小于其余三组（P<0.05），说明NPS内固定系统能更好的降低钉道骨质所受应力，降低螺钉松动率。

本研究中的螺钉仍存在不足：螺钉的钉尾较长，需要进一步优化其长度；由于椎体中的螺钉与横向连接成三角形结构，其稳定性较强，形状不易改变，但用于重度骨质疏松患者时，仍然存在一定的螺钉切割椎弓根，甚至损伤神经的风险。由于在实验模型建立中存在简化，忽略了肌肉及椎间盘退化对实验结果的影响，使得所得数据与真实数据存在一定的偏差，但在实体标本相对短缺的大环境中，仍有非常重要的参考价值。