脊柱骨折矢状面不同角度置钉方式的有限元分析

doi:10.12307/2022.167

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (6): 864-869.doi: 10.12307/2022.167

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脊柱骨折矢状面不同角度置钉方式的有限元分析

魏兵1，常山2

1重庆市渝北区人民医院骨科，重庆市 401120；2成都医学院第一附属医院骨科，四川省成都市 610500

收稿日期:2021-02-27 修回日期:2021-03-02 接受日期:2021-04-10 出版日期:2022-02-28 发布日期:2021-12-07
通讯作者: 常山，硕士，主任医师，教授，成都医学院第一附属医院骨科，四川省成都市 610500
作者简介:魏兵，男，1991年生，重庆市人，汉族，硕士，主要从事脊柱生物力学研究。

Finite element analysis of different angles of nail placement in sagittal plane of spinal fracture

Wei Bing1, Chang Shan2

1Department of Orthopedics, Yubei District People’s Hospital, Chongqing 401120, China; 2Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Chengdu Medical College, Chengdu 610500, Sichuan Province, China

Received:2021-02-27 Revised:2021-03-02 Accepted:2021-04-10 Online:2022-02-28 Published:2021-12-07
Contact: Chang Shan, Master, Chief physician, Professor, Department of Orthopedics, First Affiliated Hospital of Chengdu Medical College, Chengdu 610500, Sichuan Province, China
About author:Wei Bing, Master, Department of Orthopedics, Yubei District People’s Hospital, Chongqing 401120, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
水平角：是指水平面椎弓根螺钉植入之角度。对同一椎体而言，水平角随术者定位点选择及钉外展角度的大小而变化，是一可变角度。如按ROY-camille 定位法(即平分两侧横突的水平线与连接上下小关节中央的垂线交点下1 mm处)，则水平角均应为0°。
矢状角：矢状面椎弓根螺钉置入的角度。以与椎体上、下终板平行为0°，斜向上终板为正角、斜向下终板为负角，为一可变的角度，因术者的经验不同及椎体不同节段而变化。

背景：对于脊柱骨折患者，术者采用后路置钉方式治疗时会根据自己的习惯采取不同角度置入，但何种角度对术后效果更优暂无明确定论。
目的：建立胸腰段脊柱椎体骨折的有限元模型，以探讨矢状面不同角度置入椎弓根螺钉对脊柱稳定性的影响。
方法：选择青壮年L1椎体新鲜压缩性骨折患者3例，通过有限元软件构建骨折模型(L1椎体骨折，T12-L2模型)，利用HyperMesh装配螺钉建立L1骨折在矢状面3种不同角度(以矢状面平行上终板、斜向上终板7°、斜向下终板7°)置钉方式的模型，对模型施加各类载荷，对其受力情况进行生物力学分析。
结果与结论：在垂直状态下，不同置钉方式后椎体的最大位移都出现在T12椎体表面；在扭转状态下，椎体的最大位移均向后移动到了上位椎体后柱部分及连接杆上部；在前屈状态下，椎体最大位移出现在T12椎体的前缘或者后柱部分；在后伸状态下，椎体最大位移主要集中在T12椎体的后柱部分；在侧曲状态下，椎体较大位移主要集中在T12椎体侧曲方向一侧；在相同状态下，斜向上置钉下的椎体位移最小，表明斜向上7°置钉时椎体会取得更好的稳定性。

https://orcid.org/0000-0001-8510-1596 (魏兵)

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: 骨折, 脊柱骨折, 后路置钉, 有限元分析, 椎弓根螺钉, 稳定性, 矢状角

Abstract: BACKGROUND: For patients with spinal fractures, when the surgeon adopts the method of posterior implantation and nail placement, different angles will be adopted according to his own habits, but which angle is better for the postoperative effect is not yet clear.
OBJECTIVE: To establish a finite element model of thoracolumbar vertebral body fracture to explore the influence of pedicle screws placed at different angles in the sagittal plane on spinal stability.
METHODS: Three young and middle-aged patients with fresh compression fractures of the lumbar 1 vertebral body were selected. The fracture model was constructed by finite element software (lumbar 1 vertebral body fracture, T12-L2 model), and the HyperMesh assembly screw was used to establish the model of the L1 fracture at three different angles (sagittal plane is parallel to the upper endplate; obliquely upward endplate 7°; obliquely downward endplate 7°) in the sagittal plane. Various loads were applied to the model, and biomechanical analysis of its force was conducted.
RESULTS AND CONCLUSION: In the vertical state, the maximum displacement of the vertebral body after different nail placement methods all appeared on the surface of the thoracic 12 vertebral body. In the torsion state, the maximum displacement of the vertebral body all moved back to the upper vertebral body in the posterior column part and the upper part of the connecting rod. In the forward flexion state, the maximum displacement of the vertebral body occurred at the front edge or the posterior column part of the thoracic 12 vertebral body. In the extension state, the maximum displacement of the vertebral body was mainly concentrated in the posterior column of the thoracic 12 vertebral body. In the scoliosis state, the larger displacement of the vertebral body was mainly concentrated on the scoliosis side of the thoracic 12 vertebral body. In the same state, the body displacement of all vertebrae with the oblique upward screw is the smallest, indicating that the vertebral body will be more stable if the screw is placed at an angle of 7°.

Key words: fracture, spinal fracture, posterior nail placement, finite element analysis, pedicle screw, stability, sagittal angle

中图分类号:

魏兵, 常山. 脊柱骨折矢状面不同角度置钉方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 864-869.

Wei Bing, Chang Shan. Finite element analysis of different angles of nail placement in sagittal plane of spinal fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(6): 864-869.

图/表（结果） 6

2.1 垂直状态下螺钉不同置入方式后椎体位移云图在垂直状态下(相当于静止状态下)，3种置钉方式后椎体的最大位移都出现在T12椎体表面，位移云图上以红色区域表示，越往下椎体的位移越来越小，其中平行置入组的位移值最大为0.308 5 mm，向下置入组的最大位移为0.286 9 mm，向上置入组的最大位移为0.265 1 mm，说明3种置钉方式在静态下都能取得类似的稳定效果，见图6所示。

2.2 扭转状态下螺钉不同置入方式后椎体位移云图加载了扭转力矩后，3种置钉方式后椎体的最大位移均向后移动到了上位椎体后柱部分及连接杆上部，在位移云图上以T12椎体的棘突位移最大，以红色区域显示，其中平行置入组位移值最大为1.105 mm，向下置入组最大位移为1.071 mm，向上置入组最大位移为1.049 mm，见图7所示。

2.3 前屈状态下螺钉不同置入方式后椎体位移云图加载了前屈力矩后，3种置钉方式后椎体模型较大的位移部分不再集中在T12椎体中部，而是向前柱和后柱集中，其中位移最大点也出现在T12椎体的前缘或者后柱部分，其中平行置入组的位移值最大为0.814 3 mm，向下置入组的最大位移为0.737 mm，向上置入组的最大位移为0.724 6 mm，见图8所示。

2.4 后伸状态下不同植入方式后椎体位移云图对模型加载了后伸力矩，3种置钉方式后椎体位移云图结果近似，椎体较大位移主要集中在T12椎体的后柱部分，在位移云图上以红色区域显示；云图中另外一个明显改变就是模型的棘突部分及连接杆部分颜色变深，具有更多的黄色区域，这表示整个椎体的位移较大部分都集中在了椎体的后半部分，其中平行置入组的位移值最大为1.183 mm，向下置入组的最大位移为1.081 mm，向上置入组的最大位移为1.012 mm，见图9所示。

2.5 侧屈状态下螺钉不同置入方式后椎体位移云图对模型加载了侧曲力矩后，3种置钉方式后椎体位移云图结果近似，椎体较大位移主要集中在T12椎体侧曲方向一侧，在位移云图上以红色区域显示，其中平行置入组的位移值最大为1.433 mm，向下置入组的最大位移为1.356 mm，向上置入组的最大位移为1.274 mm，见图10所示。

2.6 各组模型椎体在不同工况下的位移比较一般研究认为，在一定载荷下位移越小刚度越大，则该构件越稳定。在相同角度置入椎弓根螺钉模型中，垂直压缩状态下的椎体位移最小，侧屈状态下的椎体位移最大；在垂直、扭转、前屈、后伸、侧屈状态下，3种不同角度置入椎弓根螺钉后椎体最大位移比较，斜向上7°置入后椎体最大位移值最小，平行置入后椎体最大位移值最大，见表2，3。这就表明螺钉置入方式是影响椎体位移的因素，同时也就表明斜向上7°置入螺钉椎体的位移最小。

参考文献

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引言

脊柱骨折十分常见，占全身骨折的5%-6%，脊柱损伤常发生在胸腰段，占脊柱损伤的 28%-58%[1]。胸腰段骨折常常导致患者胸腰椎不稳，若不及时行坚强内固定治疗，就会导致相应节段的脊髓损伤加重并发瘫痪，为患者自身、家庭及社会带来巨大的损失及负担。胸腰椎后路手术通过使用椎弓根螺钉固定椎体的前中后三柱来为椎体提供坚强的内固定，避免脊髓或马尾神经损伤进一步加重，虽然椎弓根螺钉在临床上取得了满意的临床效果，但是也有部分患者出现螺钉松动、断钉等不良并发症。螺钉本身的属性[2-6]、椎体骨密度[7-10]、螺钉置钉方式是影响椎弓根螺钉固定强度的主要原因。对于螺钉本身的属性及椎体骨密度，相关研究已经得出了比较可信的临床证据，这两点是与术者操作无关；临床中胸腰段后路椎弓根螺钉的置入方式往往与术者的工作习惯有关，椎弓根螺钉在椎体水平面、矢状面分别形成的水平角(指水平面椎弓根螺钉置入之角度)、矢状角(指矢状面椎弓根螺钉置入的角度)是2个非恒定的数值[11]，不同的水平角、矢状角置钉都会影响椎弓根螺钉在椎体中的把持力，从而影响整个椎弓根螺钉系统对脊柱稳定性的保持。目前临床实际工作中常见的椎弓根螺钉置钉方式有平行终板置钉(矢状角为0°)、斜向上终板置钉(矢状角为正角)、斜向下终板置钉(矢状角为负角)3种。虽然临床工作中术者对椎弓根螺钉的不同组合方式能达到不同的稳定效果，但对其在矢状角度中的单一变化均未做出详细有限元研究。目前对于椎弓根螺钉置入方式的有限元分析研究大多只是基于在单一椎体上的测试，实际临床工作中仅在单一椎体置钉是没有意义的，大多数需要置入椎弓根螺钉的手术往往都是在2个椎体、3个椎体甚至是多个椎体上进行的，从而达到立体固定，才能使骨折椎体提高稳定性。不同方式置入椎弓根螺钉系统是否依然符合在单一椎体上的生物力学特点呢？固定强度是否只是单一椎体固定强度的简单相加呢？试验利用三维有限元法建立人体 T12-L2节段且L1椎体骨折的有限元模型，比较3种不同固定方式(平行终板置钉、斜向上终板置钉、斜向下终板置钉)在同一损伤模型中的生物力学差异，希望通过生物力学实验比较3种不同的椎弓根螺钉固定方式在胸腰段骨折中何种具有更好的生物力学稳定性，以期在临床上为椎弓根螺钉置入提供一个更优的指导方式。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，两因素方差分析。
1.2 时间及地点试验于2019年6月至2020年5月在成都医学院第一附属医院骨科完成。
1.3 对象选择成都医学院第一附属医院骨科住院患者3例，其中男2例，女1例，年龄32，36，40岁。患者对试验知情同意。试验经成都医学院第一附属医院伦理委员会批准。
纳入标准：年龄25-45岁；伤后2周内；L1椎体骨折；无神经症状。
排除标准：同一节段有手术史；两节段以上骨折、后柱骨折、脱位或重要脏器损伤；有严重神经症状及体征；非外伤导致的椎体骨折；合并骨质疏松等。
1.4 仪器与软件 SiemensHealthineers公司64排螺旋CT机(Siemens Somatom Sensation 64)，硬件达标计算机；图像处
理软件：aterialise Mimics、Geomagic Studio、Solidworks、Altair
HyperMesh、ANSYS、Abaqus、SPSS分析软件。
1.5 方法
1.5.1 L1椎体骨折模型建立对3名志愿者行胸腰段CT薄层扫描，将患者的CT数据以DICOM 格式导入到Mimics软件，通过阈值分割、区域增长、模型优化及面网格处理，生成实体模型，见图1；同时利用Solidworks 2016模拟手术中所使用的钉棒系统，见图2。

1.5.2 模型装配将Mimics中建立的完整椎体模型(带有椎间盘)导入Hypermesh，同时导入椎弓根螺钉及钉棒，按照实际手术模式进行装配，以人字脊为进针点，沿椎弓根长轴置入，分别以矢状面平行上终板、斜向上终板7°、斜向下终板7° 3种模式置入椎弓根螺钉及装配好钉棒。装配完整之后进行布尔运算，生成装配模型，并在Hypermesh中赋予相应的材料属性及验证，见图3，4及表1。

1.5.3 模型有效性验证试验通过直接提取胸腰段骨折患者的CT扫描数据从而建立患者伤后胸腰段椎体的三维有限元模型，利用Mimics、hypermesh、solidworks等专业软件建立、处理优化模型，保留患者个体原始数据的精确度，最大程度地降低了后期处理分析的误差。试验中的3例患者模型中各项材料赋值、力学加载方式均采用国内外学者公认的文献报道来设定。

有限元模型有效性进行验证可以采用自身检验、与以往相同模型进行数据比较，以及与体外生物力学实验结果比较等多种方法[17]，试验采用自身检验的方法来验证其有效性。有限元模型自身检验可以通过观察模型的几何外形，加载后的形态变化等方法。试验建立的椎体模型在几何外形上与实体差异性不大，且加载后的形态学变化与既往类似文献相似，因此认为此次建立的3个L1椎体骨折有限元模型是有效的，后期是可以进一步处理和分析数据。
1.5.4 模型边界条件、加载负荷运算固定L2椎体的下表面，在T12椎体上表面均匀施加约人体体质量2/3的500 N应力[17-18]，使其均匀分布到T12上的各个节点，同时施加15 Nm的力矩，以此来模拟椎体在垂直压缩、前屈、后伸、侧弯及旋转5种状态下螺钉的应力，见图5，观察整个模型加载负荷后螺钉、内固定棒的应力位移彩色云图。比较不同状态下下各部在垂直压缩、前屈、后伸、侧弯、旋转下位移，并以云图方式显示。

1.6 主要观察指标观察整个模型加载负荷后螺钉、内固定棒的位移彩色云图，比较不同状态下各模型在垂直压缩、前屈、后伸、侧弯、旋转下内固定的位移。
1.7 统计学分析所得数据采用统计软件SPSS 24.0进行数据分析处理，由于所得的数据是由模型和状态2个变量交互得到，因此对最终的实验数据采用两因素方差分析。P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

椎弓根螺钉通过穿过狭长的椎弓根到达椎体内而起到固定作用，目前研究逐渐表明影响椎弓根螺钉稳定性的相关因素主要有：椎体骨密度、螺钉直径、螺钉外形、植入长度、螺钉制作材质、螺纹形状、螺钉植入方法、螺钉的组合方式等[19-24]。对于螺钉本身的属性及椎体的骨密度，在研究中已经得出了比较可信的临床证据，而椎弓根螺钉置入方式往往与术者的工作习惯有关，椎弓根螺钉在椎体水平面、矢状面分别形成水平角、矢状角，由于椎弓根在横断面上的直径比较小，在保证螺钉置入安全性的条件下，椎弓根螺钉在椎体水平面形成的水平角相对于单一椎体可变化性较小，因此更好地选择水平角尤为重要。目前对水平角的研究主要是通过在尸体上置钉模拟检测，但是各研究中得到的结果不完全相同，ROY-CAMILLE等[25]建议椎弓根螺钉应平行椎体上下终板置入，即螺钉在矢状面呈0°；MAGERL[26]则认为螺钉在矢状面呈 15°夹角力学效果更佳；KRAG等[27]提出螺钉应向内上方倾斜置入，这样可使其拔出的强度增大[28]。“AO”则推荐在胸腰段螺钉的置入应向中线倾斜5°左右，L2-L5倾斜10°-15°[29]。王正等[30]比较平行置入和矢状面7°置入，发现后者拔出力增加20%，其弯曲刚度两者增加25%，证明倾斜置入螺钉更符合力学原则。但是也有研究利用AO 螺钉平行椎弓根固定与矢状面成角 4°-16°不等固定相比较，发现角度对螺钉的拔出强度影响不明显。因此，椎弓根螺钉在矢状面所成的角度对螺钉及椎体的稳定性目前还没有明确的定论。
一般来讲，一定载荷下的模型位移越小刚度越大，则证明该结构越稳定。试验中3组螺钉置入模型在各自不同状态下的位移变化趋势基本一致，平行置钉组位移变化为：垂直<前屈<扭转<后伸<侧屈；斜向上7°置钉及斜向下7°置钉组为：垂直<前屈<后伸<扭转<侧屈。3组螺钉置入模型在垂直状态下位移最小，相当于人体站立静止状态下；而对于人体常见的运动状态下，前屈状态下的椎体位移最小，侧屈下的椎体位移最大，这提示腰椎骨折患者术后在静止状态下椎体的稳定性得到最大程度的维持，在侧弯状态下，椎体稳定性会得到一定程度的破坏，所以术后应该提示患者尽量避免腰部运动，特别是减少侧弯。
在同种状态下比较，3种置钉方式后椎体的位移变化趋势一致，且数据比较有统计学意义，均为：斜向上7°置入组<斜向下7°置入组<平行置入组，这就表明斜向上7°置钉会取得更好的椎体稳定性。椎弓根螺钉与周围椎体骨质的结合形成“螺钉-骨质”界面，提供把持力,使脊柱达到稳定状态。“螺钉-骨质”界面的强度主要跟钉道周围骨质强度及螺钉结构相关，钉道周围骨质强度越大，即钉道周围的骨皮质结构越多，螺钉的稳定性越大，斜向终板置钉会使骨质-螺钉界面中骨皮质-螺钉界面所占的比例越大，而平行置钉的骨质-螺钉界面中骨松质-螺钉界面所占的比例更大，这有可能就是为什么试验中所得到的结果中，斜向上或向下7°置入组的椎体位移较平行置入组更少的原因。椎弓根一般位于椎体的中上部分，作者采取“人字嵴”作为进针点，置入同等长度的螺钉，斜向上方向就更加有机会到达上终板，接触到的骨皮质就可能越多，因此斜向上7°置钉的稳定性就越高。
综上所述，试验运用有限元数字模型来精确模拟腰椎运动情况，模拟在矢状面上不同植入角度置入椎弓根螺钉，以此来为提高椎体稳定性及后期断钉风险评估提供一定的参考依据。但研究仍有不足，首先模型建模时将钉棒与椎体间设为绑定关系，关节面之间摩擦系数等可能跟实际情况不符，简化了部分结构；其次是模型中没有考虑到椎体模型中骨量减少、韧带松弛、椎间盘弹性减弱等情况；再者就是模型所用的材料参数均为正常状态下数值；最后就是课题只采用了3例患者的数据分别建模，模型数量偏少。尽管如此，在相同试验条件下，3种不同置钉方式下内固定力学稳定性等还是可以比较的，所得结果也是可信服的，对临床具有一定指导意义。
试验利用以非线性三维有限元模型来模拟胸腰段椎体骨折后路平行终板置钉、斜向上7°置钉及斜向下7°置钉的模型，通过比较垂直、前屈、后伸、侧弯和扭转各工况下3组模型的位移差异来分析3种方式在生物力学上的差异，最终得到斜向上7°置钉椎体会取得更好的生物力学稳定性。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

脊柱骨折矢状面不同角度置钉方式的有限元分析

Finite element analysis of different angles of nail placement in sagittal plane of spinal fracture

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