三维有限元法分析内固定类型及骨质疏松对斜外侧椎间融合的影响

doi:10.12307/2021.259

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (30): 4767-4773.doi: 10.12307/2021.259

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三维有限元法分析内固定类型及骨质疏松对斜外侧椎间融合的影响

秦一川1，2，赵斌1，原杰1，徐朝健1，吕杰1，2，郝家齐1，2，王永峰1

1山西医科大学第二医院骨科，山西省太原市 030001；2山西医科大学，山西省太原市 030001

收稿日期:2021-01-04 修回日期:2021-01-06 接受日期:2021-02-18 出版日期:2021-10-28 发布日期:2021-07-29
通讯作者: 王永峰，博士，主任医师，硕士生导师，山西医科大学第二医院骨科，山西省太原市 030001
作者简介:秦一川，男，1994年生，山西省运城市人，汉族，山西医科大学在读硕士，主要从事脊柱外科相关研究
基金资助:
山西省自然科学基金项目(201801D121220)，项目负责人：王永峰

Effects of internal fixation types and osteoporosis on oblique lateral interbody fusion: three-dimensional finite element analysis

Qin Yichuan1, 2, Zhao Bin1, Yuan Jie1, Xu Chaojian1, Lü Jie1, 2, Hao Jiaqi1, 2, Wang Yongfeng1

1Department of Orthopedics, Second Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China; 2Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China

Received:2021-01-04 Revised:2021-01-06 Accepted:2021-02-18 Online:2021-10-28 Published:2021-07-29
Contact: Wang Yongfeng, MD, Chief physician, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, Second Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China
About author:Qin Yichuan, Master candidate, Department of Orthopedics, Second Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China; Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi Province, China
Supported by:
Natural Science Foundation of Shanxi Province, No. 201801D121220 (to WYF)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
骨质疏松症：是一种以骨量减少、骨密度减低，导致骨脆性增加、易发生骨折为特点的全身性疾病，多发生于绝经后女性及老年男性，主要分为原发性和继发性两大类。
斜外侧椎间融合：该术式经腰大肌和腹主动脉间隙，通过植入宽大的融合器来达到间接减压的目的。临床中常被用于重建椎间稳定性、恢复椎间隙高度、实现间接减压和恢复腰椎正常序列的各类腰椎疾病。
背景：目前斜外侧椎间融合是否需要内固定尚有争议，骨质疏松的存在是否会对应用斜外侧椎间融合时内固定类型的选择造成影响也缺乏生物力学研究支持。
目的：运用三维有限元法分析开展斜外侧椎间融合时骨质疏松及后路椎弓根钉棒的不同固定类型对腰椎生物力学的影响。
方法：获取健康人L3-L5节段CT扫描数据，运用Mimics、Geomagic、Solidworks、ANSYS软件建立L3-L5正常三维有限元模型(M0)和骨质疏松模型(N0)，并分别以M0、N0为基础在L4-L5节段建立斜外侧椎间融合正常腰椎单纯融合固定(stand-alone)模型(M1)、单侧椎弓根钉棒固定模型(M2)、双侧椎弓根钉棒固定模型(M3)及骨质疏松腰椎单纯融合固定模型(N1)、单侧椎弓根钉棒固定模型(N2)、双侧椎弓根钉棒固定模型(N3)。在L3上表面施加500 N垂直载荷及7.5 N•m力矩，模拟脊柱前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转等生理活动，观察各有限元模型不同工况下L4-L5节段的相对活动度、L5上终板、融合器和钉棒系统的应力分布，并记录Von Mises 应力峰值。
结果与结论：①无论是在正常模型中还是骨质疏松模型中，随着后路内固定的增加，L4-L5活动度、L5上终板应力、融合器应力总体上均呈现下降趋势；②M2内固定的应力相比M3最大增大了115.26%；N2内固定的应力相比N3最大增大了78.87%；③同种内固定类型下，骨质疏松模型的L4-5活动度、L5上终板应力、融合器应力均较正常模型增大；④N2内固定的应力相比M2最大增幅为39.59%，N3内固定的应力相比M3最大增幅为43.30%；⑤提示骨密度正常、无明显序列失衡的腰椎应优先考虑单纯融合固定或单侧椎弓根钉棒固定；若腰椎存在明显序列失衡，则应联合双侧椎弓根钉棒固定；骨质疏松腰椎应联合双侧后路椎弓根钉棒进行固定，有助于降低其融合器沉降、终板塌陷的发生率，提高固定安全性。

https://orcid.org/0000-0002-8336-4103 (秦一川)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 腰椎, 斜外侧椎间融合, 骨质疏松, 内固定, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: At present, whether the oblique lateral interbody fusion requires internal fixation is still controversial, and whether the osteoporosis will affect the choice of the type of internal fixation during the application of oblique lateral interbody fusion is also lack of biomechanical research support.
OBJECTIVE: To study the biomechanical effects of osteoporosis and different types of posterior pedicle screw fixation on the lumbar spine during oblique lateral interbody fusion by three-dimensional finite element method.
METHODS: CT scan data of L3-L5 segments of healthy people were obtained. The normal intact three-dimensional finite element model (M0) and osteoporosis model (N0) of L3-L5 were established by using Mimics, Geomagic, Solidworks and ANSYS software. M0 and N0 were used as the basis at L4-L5 to establish the normal oblique lateral interbody fusion stand-alone model (M1), the normal oblique lateral interbody fusion with unilateral pedicle screw fixation model (M2), the normal oblique lateral interbody fusion with bilateral pedicle screw fixation model (M3), the osteoporotic oblique lateral interbody fusion stand-alone model (N1), the osteoporotic oblique lateral interbody fusion with unilateral pedicle screw fixation model (N2) and the osteoporotic oblique lateral interbody fusion with bilateral pedicle screw fixation model (N3). A vertical load of 500 N and a moment of 7.5 N•m were applied to the L3 upper surface to simulate the physiological activities of lumbar spine in flexion, extension, right/left lateral bending and right/left axial rotation. The L4-L5 segment range of motion, stress distribution of L5 superior endplate, cage, and internal fixation under different working conditions was observed. The maximum Von Mises stresses were recorded.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Whether in the normal models or the osteoporotic models, with the increase of posterior internal fixation, the L4-L5 range of motion, the L5 superior endplate stress, and the cage stress generally showed a downward trend. (2) The internal fixation stress of M2 increased by 115.26% mostly compared with that of M3. Compared with that of N3, the internal fixation stress of N2 increased by 78.87% mostly. (3) At the same type of internal fixation, the L4-L5 range of motion, L5 superior endplate stress, and cage stress of the osteoporotic models were all higher than those of the normal models. (4) Compared with that of M2, the internal fixation stress of N2 increased by 39.59% mostly. The internal fixation stress of N3 increased by 43.30% compared with that of M3. (5) It is indicated that the lumbar spine with normal bone mineral density and without significant alignment imbalance should be given priority for oblique lateral interbody fusion stand-alone or unilateral pedicle screw fixation. If there is significant alignment imbalance in the lumbar spine, bilateral pedicle screw fixation should be combined. The lumbar spine with osteoporosis should be combined with bilateral pedicle screw fixation to help reduce the incidence of cage settlement, endplate collapse and improve surgical safety.

Key words: lumbar vertebrae, oblique lateral interbody fusion, osteoporosis, internal fixation, finite element analysis

中图分类号:

秦一川, 赵斌, 原杰, 徐朝健, 吕杰, 郝家齐, 王永峰. 三维有限元法分析内固定类型及骨质疏松对斜外侧椎间融合的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(30): 4767-4773.

Qin Yichuan, Zhao Bin, Yuan Jie, Xu Chaojian, Lü Jie Hao Jiaqi Wang Yongfeng. Effects of internal fixation types and osteoporosis on oblique lateral interbody fusion: three-dimensional finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(30): 4767-4773.

图/表（结果） 8

2.1 模型有效性验证在正常腰椎有限元模型(M0)的L3上表面施加前述载荷，测量L3-L4、L4-L5相对活动度。作者发现此次研究结果与SHIM等[17]、DREISCHARF等[18]的结果趋势一致(图2)，说明所建立的模型可以用于相关研究。

2.2 各运动状态下L4-L5节段腰椎相对活动度随着后路内固定的增加，手术节段的活动度总体上呈下降趋势。正常模型中，相比M0，M1模型的L4-5活动度在各运动状态下均明显下降，最大降低了87.85%，为左侧弯时；M2的L4-5活动度在M1的基础上再次减小，后伸时减少最多，为40.01%；M3的L4-5活动度相比M2进一步下降，最多为前屈时的64.56%。骨质疏松模型中的情况类似，相比N0，N1的L4-5活动度均下降，最大降幅为左侧弯时的84.41%；相比于N1，N2的L4-5活动度在各运动状态均下降，在后伸时出现最大降幅，为42.10%；与N2比较，N3的L4-5活动度均降低，前屈时同样出现最大降幅，为64.78%(图3)。同种后路内固定下，骨质疏松模型的L4-5活动度均比正常模型大；N1相比M1最大升高了46.58%，N2相比M2最大升高了41.19%，N3相比M3最大升高了55.36%(图3)。

2.3 各运动状态下L5上终板的应力峰值随着后路内固定的增加，L5上终板应力逐渐降低。正常模型中，相比于M1，M2在各种运动状态下L5上终板的应力峰值均明显减小，其中在后伸时减小最多，达到56.03%，其次为前屈状态，为35.88%；与M2相比，M3的L5上终板应力峰值在各种运动状态下均减小，最大降幅出现在后伸状态下，为27.15%。骨质疏松模型中，与N1相比，N2在后伸时降幅最大，为51.44%，前屈状态下为30.61%；N3相比于N2在各种运动状态下的L5上终板应力峰值进一步减小，后伸时减少最多，为33.68%，见图4。

相同后路内固定下，骨质疏松模型的L5上终板应力均比正常模型大。与M1相比，N1在左侧弯增大最多，达到27.80%；相比于M2，N2于右旋转增幅最大，为25.08%；与M3相比，N3在左侧弯增幅最大，为24.92%(图4)。各OLIF模型在后伸运动状态时的L5上终板应力分布云图可见图5。

2.4 各运动状态下融合器应力峰值随着后路内固定的增加，融合器应力呈现下降趋势。正常模型中，M2融合器的应力峰值相比于M1在各种运动状态下均明显减小，其中后伸时降幅达到了54.95%，前屈时降幅为38.30%；与M2相比，M3融合器的应力峰值在各种运动状态下均减小，尤以前屈及后伸为甚，其中后伸时降幅达到了30.68%，前屈时降幅为16.83%。骨质疏松模型中，N2相比于N1在各种运动状态下的融合器应力峰值均减小，在后伸时降幅最大，为57.69%，前屈状态下为33.56%；与N2相比，N3在各种运动状态下的融合器应力峰值均减小，在右旋转时降幅最大，为21.09%，后伸时为16.73%，见图6。

相同后路内固定下，骨质疏松模型的融合器应力几乎均比正常模型大。与M1相比，N1在右旋转时增大最多，达到26.34%；N2相比于M2，于右旋转时增幅最大，为32.04%；与M3相比，N3在右侧弯时出现最大增幅，为23.65%(见图6)。各OLIF模型在后伸运动状态时的融合器应力分布云图可见图7。

2.5 各运动状态下内固定的应力正常模型中，M2内固定的应力相比M3在大部分运动状态下增大，在前屈、后伸时最为明显，前屈时增大了82.36%，后伸时增大了115.26%。骨质疏松模型中的情况类似，与N3对比，N2内固定的应力在大部分运动状态下也增大，前屈时增幅为78.87%，后伸时增幅为70.42%，见图8。

同种内固定模型进行比较，在大部分运动状态下，N2内固定的最大应力相比M2明显增大，在左侧弯时增大最多，为39.59%；N3在各运动状态下的内固定最大应力相比M3亦明显增大，最大增幅出现在右侧弯，达到43.30%(图8)。各内固定模型在后伸运动状态时的内固定应力分布云图可见图9。

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引言

腰椎椎间融合是治疗各种脊柱疾病的有效术式，包括退行性椎间盘疾病、脊柱畸形、创伤、感染和肿瘤[1-2]。传统的腰椎间融合术，如后路/经椎间孔腰椎间融合术可以直接减压椎管，取得了良好的融合和临床效果[3-4]，患者满意度和融合率均较高[5]。然而，后路融合较其他入路有更多的神经损伤并发症，医源性脊旁肌破坏、硬脊膜粘连可严重影响术后疗效[6]。随着手术技术和微创器械的发展，出现了许多微创椎间融合手术，主要包括斜外侧椎间融合(oblique lateral
interbody fusion，OLIF)、极外侧椎间融合和微创经椎间孔腰椎体间融合[6]。
OLIF最先由SILVESTRE等[7]在2012年报道，因其良好的疗效现已在临床工作中广泛应用。近年来，OLIF单纯融合固定(stand-alone)亦取得了良好的临床效果[8]，但需要注意到融合器下沉仍是OLIF单独使用时常见的并发症之一，有研究指出骨密度、融合水平、融合器位置、融合器高度、螺钉固定与融合器沉降有关[9-10]。在HE等[11]的研究中，OLIF单独使用时融合器的沉降率为15.6%，高于联合后路椎弓根螺钉固定(7.3%)。而融合器下沉、椎间隙塌陷可能导致椎间孔再狭窄和节段性前凸丧失，从而导致持续性背痛或神经根病变，严重时需进行翻修手术[12-13]。
目前，OLIF是否需要内固定仍存在争议，同时骨质疏松的存在会对患者应用OLIF时内固定类型的选择有何影响，尚有待进一步研究。此次研究采用有限元分析的方法，分别建立L4-L5节段OLIF单纯融合固定、单侧椎弓根钉棒固定、双侧椎弓根钉棒固定的正常模型和骨质疏松模型，对比分析内固定类型及骨质疏松对腰椎生物力学特性的影响，旨在为临床工作提供参考。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计三维有限元分析，计算机模拟实验。
1.2 时间及地点于2020年10至12月在山西医科大学第二医院完成。
1.3 材料 64排螺旋CT(德国Siemens公司)，MIMICS 17.0
(比利时Materialise公司)，Geomagic Studio 2017(美国Geomagic 公司)，SolidWorks 2016(美国Dassault Systemes公司)，ANSYS16.0(美国Ansys 公司)。
1.4 对象选取曾于山西医科大学第二医院体检的1名健康成年男性的CT影像资料，身高176 cm，体质量64 kg，既往无腰椎疾病、创伤史。CT影像资料通过64排螺旋CT连续薄层扫描(层厚0.625 mm)获得，并将数据以DICOM格式保存。该男性骨密度正常，终板呈椭圆形，中央凹陷，周边皮质骨较厚形成骺环，L5上终板左右径约为55 mm，前后径约为37 mm。受试对象对研究方案知情同意，并经医院伦理委员会批准同意。
1.5 方法
1.5.1 L3-L5三维几何模型的建立将获取的DICOM数据导入MIMICS 17.0软件中，设置合适阈值分割出L3-L5腰椎的骨性结构，使用3D计算功能，并对模型进行平滑、包裹等处理后以STL格式文件导入逆向工程设计软件Geomagic
Studio 2017进行填孔、光滑、打磨、简化、构造曲面片等处理，再以Step格式导入到SolidWorks 2016软件中通过组合、删减、分割等功能重建皮质骨、松质骨、后部结构、椎间盘、软骨终板和关节突软骨，完成 L3-L5三维几何模型的建立。
椎间盘由髓核和纤维环构成，其中髓核约占椎间盘的40%。软骨终板与椎体上下表面紧密贴合，厚度为1 mm；皮质骨厚度为1 mm，松质骨与皮质骨紧密贴合；关节突软骨与关节突关节面紧密贴合，厚度为0.2 mm。
1.5.2 融合器、椎弓根钉棒模型的建立基于上海三友楔石融合器的参数在Solidworks 2016中建立融合器的三维几何模型。融合器的长宽高分别为50，17，10 mm，前后不等高，上下表面成8°夹角，为降低建模时的复杂程度，用矩形面代替锯齿面。椎弓根螺钉模型长50 mm，直径6.5 mm，表面设计有螺纹；连接棒长53 mm，直径5.5 mm。
1.5.3 手术模型的建立在Solidworks 2016软件中将 L3-L5三维几何模型与融合器、椎弓根钉棒几何模型进行装配，分别构建单纯融合固定(stand-alone)模型、单侧椎弓根钉棒固定模型和双侧椎弓根钉棒固定模型。腰椎终板与所选融合器匹配；所有手术模型均以L4-5节段作为手术节段，从左侧置入融合器，放置于椎间隙中1/2范围，并将L4-5节段的髓核、纤维环以及软骨终板进行移除。
1.5.4 有限元模型的建立将上述模型导入有限元分析软件ANSYS 16.0中，对所有模型进行添加脊柱韧带(包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带和关节囊韧带)，韧带采用仅承受拉力的Spring单元代替。划分网格时采用四面体网格，为保证计算的精度及准确度，对皮质骨、松质骨、后部结构、椎间盘、软骨终板和融合器的网格大小设置为2.0 mm，对关节突软骨网格大小设置为

1 mm。设定腰椎结构为各向同性的线弹性材料，通过对各个模型赋予材料属性最终生成L3-L5正常三维有限元模型(M0)、骨质疏松有限元模型(N0)、正常腰椎单纯融合固定模型(M1)、单侧椎弓根钉棒固定模型(M2)、双侧椎弓根钉棒固定模型(M3)及骨质疏松腰椎单纯融合固定模型(N1)、单侧椎弓根钉棒固定模型(N2)、双侧椎弓根钉棒固定模型(N3)(图1)。M0与N0均共计494 853个节点，294 764个四面体单元；M1与N1均共计482 571个节点，287 938个四面体单元；M2与N2均共计542 127个节点，320 439个四面体单元；M3与N3均共计600 198个节点，352 173个四面体单元。

骨质疏松模型通过调整材料属性进行建立，骨质疏松材料属性的定义是松质骨的弹性模量降低66%，皮质骨、终板和后部结构的弹性模量降低33%，软组织结构保持不变[14]。各模型的组织结构及内植物材料属性参考之前的研究[15-16]，见表1。
1.5.5 接触对设置、边界条件的假定与载荷施加融合器与椎间隙上下终板的接触类型设置为“bonded”；小关节接触类型设置为“frictional”，系数设为0.2，以保证关节突关节在维持脊柱功能结构的正常作用；螺钉与钉道、钉棒接触类型设置为“bonded”。将L5下终板固定，即在受力的条件下不发生位移和旋转，在L3上表面添加大小为500 N的垂直载荷及7.5 N•m力矩，模拟人体前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转运动。
1.6 主要观察指标观察并记录各模型在不同运动状态下L4-5节段相对活动度以及融合器、L5上终板、钉棒系统的Von Mises峰值及应力分布。

讨论

OLIF通过腰大肌和腹主动脉的间隙植入较大的融合器进行间接减压，与前路椎间融合术相比，OLIF避免了前方血管的牵拉，降低了腹膜后大血管损伤和逆行性射精的风险。同时，由于斜外侧入路不经过腰大肌，有效避免了极外侧椎间融合术引起的腰丛或股神经损伤等并发症[19]。另外与后路腰椎间融合术或经椎间孔腰椎间融合术相比，OLIF通过植入更大的融合器恢复椎间隙高度间接减压，不需打开椎管，对神经无干扰，不损伤后方肌肉、韧带和骨性结构，避免了术后相关并发症。OLIF技术凭借其微创的特点、较好的矫形效果、较高的融合率受到临床医生及学者的认可，但腰椎退行性疾病大多出现于老年患者，受其骨质条件等因素的影响，术后融合器沉降、移位等并发症值得重视[20]。
融合器置入后通过“撑开-压缩张力带”效应为手术节段提供稳定性，使Cage处于自稳状态[21]，从而使得OLIF单纯融合固定成为可能。在此项研究中，无论是正常模型还是骨质疏松模型，在应用单纯融合固定时，手术节段的腰椎活动度在各种运动状态下均较相应完整模型下降，其中正常模型和骨质疏松模型均在左侧弯时达到最大降幅，分别为87.85%及84.41%，说明OLIF单纯融合固定方式可为手术节段提供一定的稳定性。这归因于OLIF使用的宽大融合器，增加了其与终板的接触面积；上下表面的夹角也有助于改善腰椎序列。临床研究也得出了类似结论，即单纯融合固定可提高人体运动节段在各方向的稳定性[22]。但需要注意的是，单纯融合固定时由于没有钉棒系统来分散手术节段的应力，使得应力主要集中于融合器和相邻终板上，故单纯融合固定手术可能是终板塌陷及融合器沉降的潜在危险因素。
在考虑何种情况下术后更可能出现融合器下沉等并发症时，应综合分析终板等骨性结构的强度和融合器、终板承载负重两方面的因素。在终板等骨性结构强度方面，相关研究指出，在骨质疏松等情况下，皮质骨的厚度、骨密度、强度及松质骨强度都会降低[23-24]。而在融合器、终板承载负重方面，此次研究结果显示，在应用OLIF单纯融合固定时，骨质疏松模型融合器及终板的应力均较正常模型增大，融合器应力在右旋转时增大最多，为26.34%；而终板应力的最大增幅出现在左侧弯，为27.80%。因此，骨质疏松腰椎应用OLIF单纯融合固定时，骨性结构强度降低的同时承载了更大应力，其发生融合器沉降、终板塌陷的可能性较高，这与LIU等[25]的研究结论相一致。
椎间隙塌陷除与患者骨密度相关外，术中终板损伤、椎间过度撑开、多节段融合、融合器尺寸较小等多种因素也参与其中[26-27]，而内固定的类型亦是重要因素之一[28]。椎弓根螺钉固定系统以其优良的生物力学稳定性，利于维持脊柱正常序列、重建序列稳定、促进融合，成为腰椎融合手术疗效的关键[29-30]。但OLIF应结合何种内固定类型尚有争议，目前研究热点主要集中于联合单侧还是双侧后路椎弓根钉棒进行固定。WEN等[31]比较了OLIF术中单侧和双侧固定在2年随访中的临床和放射学结果，发现OLIF联合单侧椎弓根钉棒固定时手术时间更短，医疗费用更低，而二者的影像学和临床疗效相似。国内学者的研究显示，各运动状态下 OLIF联合双侧椎弓根钉棒固定的稳定性优于OLIF单侧椎弓根钉棒固
定[32]。在此次研究中，相比单纯融合固定，OLIF结合后路单侧椎弓根钉棒固定时，骨质疏松模型融合器的应力最大降低了57.69%，终板的应力最大降幅为51.44%，活动度最大降低了42.10%；在正常模型中融合器的应力最大降低了54.95%，终板的应力最大降幅为56.03%，活动度最大降低了40.01%；这表明后路单侧椎弓根钉棒固定可在单纯融合固定的基础上再次降低手术节段的活动度，为其提供相应的稳定性，同时通过分担融合器及终板的应力，一定程度上降低融合器沉降的可能性。但椎弓根螺钉固定很大程度上依赖于松质骨骨密度，而松质骨骨密度受骨质疏松症影响最大，故因椎弓根螺钉松动、退出或断钉等并发症导致内固定失败的病例并不少见，且更多见于老年患者[33-34]。此外，现有研究指出，伴有骨质疏松症或腰椎退变性失稳的老年患者，需要更强大的内固定把持力及稳定性来维持术后脊柱稳定[34]。此次研究通过进一步分析显示，相比于单侧椎弓根钉棒固定，双侧椎弓根钉棒固定手术节段的活动度及融合器、终板的应力进一步降低，由此可见，双侧椎弓根钉棒固定可为手术节段提供最充足的稳定性，且最大程度降低OLIF术后融合器沉降、终板塌陷的发生率。文献报道钛合金螺钉的屈服强度为897-1 034 MPa[35]，此次研究中各模型的钉棒应力峰值均小于这一屈服强度，但多数情况下单侧椎弓根钉棒的应力明显高于双侧椎弓根钉棒，长期的应力集中可能会导致钉棒因疲劳而断裂，从而影响手术的疗效。
通过这项研究作者还发现，在同一种类型内固定方式下，骨质疏松模型的活动度、融合器应力、终板应力以及内固定应力均大于正常模型。对此作者认为，骨质疏松患者多为老年人，通常合并脊柱退行性改变，如腰椎失稳症，因而腰椎稳定性下降，进一步导致内植物的应力增大。同时，之前有研究通过建立对应骨组织的高密度和低密度多孔泡沫三维模型进行螺钉-骨抗拔出力试验，发现螺钉拔出力在高密度组中明显大于低密度组[36]。由此进一步可以推断出，骨质疏松的存在会在一定程度上降低内固定的坚强固定作用，骨质疏松腰椎应用OLIF时出现并发症的可能性较正常骨密度腰椎明显提高。HOU等[37]也通过研究发现，低骨密度的椎体终板破坏载荷较低，并得出结论，骨质疏松患者有较高的椎间融合器下沉风险。
在术后融合率方面，LIN等[38]对52例未行后路内固定的OLIF患者进行评估，术后12个月以上融合率为81.9%。KIM等[39]对29例后路椎弓根螺钉内固定的OLIF患者进行CT检查，12个月融合率为92.9%。但在HE等[11]的研究中，单纯融合固定与联合双侧椎弓根钉棒固定的融合率差异并无显著性意义。其他研究指出，OLIF配合后路内固定能有效恢复椎间隙高度、手术节段前凸角和腰椎前凸角[40-41]。但国内相关研究发现OLIF对恢复腰椎前凸角及融合节段前凸角并无明显优势[42]，不过这一结果可能与其研究中有2/3的患者未使用后路内固定有关。因而可以推测，联合后路内固定有助于提高OLIF术后融合率，恢复椎间隙高度、节段前凸角和腰椎前凸角。
在此项有限元分析中，分别模拟了不同内固定类型下的正常腰椎模型及骨质疏松模型，与临床工作更加贴近。但需要说明的是，在建模过程中，作者没有保留手术节段的残余纤维环，腰椎各个韧带用弹簧来代替；没有建立脊旁肌肉，而脊旁肌在维持腰椎稳定性方面起着十分重要的作用；在建立融合器时，没有重建其表面的锯齿状突起；有限元分析的研究结果反映的是一种趋势，以上这些因素是否会对研究结果产生影响，尚需大量体外生物力学及临床研究进一步验证。
综上所述，临床中应用OLIF时，内固定的类型应根据实际情况综合考虑。对于骨密度正常、无明显序列失衡的腰椎来说，单纯融合固定可为手术节段提供相应的稳定性，而单侧后路椎弓根钉棒固定在进一步提高稳定性的同时降低了融合器和终板的应力，故在应用OLIF时应优先考虑；但若腰椎存在明显序列失衡，则应联合双侧椎弓根钉棒固定。鉴于骨质疏松患者腰椎术后较高的椎间隙塌陷风险，建议联合双侧后路椎弓根钉棒进行固定，这可为手术节段提供最可靠的稳定性，有利于降低OLIF术后融合器沉降、终板塌陷的发生率，并提高早期融合率，为安全应用OLIF提供保障。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

三维有限元法分析内固定类型及骨质疏松对斜外侧椎间融合的影响

Effects of internal fixation types and osteoporosis on oblique lateral interbody fusion: three-dimensional finite element analysis

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