A组模型椎弓根应力值在左、右旋转两种运动状态比较中均有统计学意义(P < 0.05)，而B组模型仅在T2、T3左、右旋转状态比较有统计学意义(P < 0.05)，见表6。

两组模型的椎弓根平均应力值在6种工况运动状态下，均随椎序的递增走势呈“U”形，谷值均为左旋转状态下T6[A组模型(1.99±0.05) MPa；B组模型(1.99±0.07) MPa]，峰值均为前屈状态下T2[A组模型(3.85±0.12) MPa；B组模型(3.85±0.09) MPa]，见图4。



2.4   上关节突关节面应力值   前屈、后伸和侧屈运动状态时，A、B两组模型上关节突的应力值组间比较差异均无显著性意义(P > 0.05)；左旋转、右旋转状态时，差异有显著性意义(P < 0.05)的节段分别位于T10和T8，且B组模型上关节突关节面应力值均大于A组。

两组模型的上关节突关节面应力值在6种工况运动状态下，均是左侧屈>右侧屈>后伸>左旋转>右旋转>前屈，均随椎序的递增走势呈“U”形，谷值均为前屈状态下T6[A组模型(0.12±0.20) MPa；B组模型(0.02±0.02) MPa]，峰值均为左侧屈状态下T2[A组模型(3.91±0.18) MPa；B组模型(3.78±0.19) MPa]，见图5。



2.5   椎间盘、钛钉和钛棒的应力云图   根据标尺彩虹色谱显示颜色不同，对应应力大小分布不同。小关节螺钉模型仅在前屈、右侧屈和右旋转工况下T1-2节段椎间盘平均应力值大于传统椎弓根螺钉模型，其余均小于后者，见图6，钛钉和钛棒的整体应力云图中，传统椎弓根螺钉平均应力值均大于小关节螺钉，见图7。

长期以来，后路螺钉技术是目前重建脊柱稳定性最成熟的技术之一[1]，随着脊柱螺钉技术的深入研究，螺钉固定方法也不同[2-3]。传统的椎弓根螺钉以横图椎板凹最低点为进钉点，经椎弓根至椎体前缘，其固定系统具有优良的生物力学特性，利于促进融合和维持重建后脊柱的稳定性，是脊柱疾病手术治疗的首选固定方式[4]。随着脊柱“三柱理论学说”的提出及改进，关节突关节作为后柱的重要结构，具有引导和限制脊柱节段运动方向的作用[5-6]，于是HEGGENESS等[7]于1991年通过对35例腰椎经关节螺钉内固定患者进行的一项临床和生物力学研究，证明经关节螺钉内固定具有良好的生物力学稳定性。YU等[8]在8具新鲜成人脊柱上胸椎行关节螺钉固定，其进钉点改为关节突关节面内侧缘垂直线和上缘水平线，通过与传统椎弓根螺钉进行生物力学实验比较，证明二者具有相似的力学稳定性。由于关节螺钉可达到增加皮质骨通道的效果，对骨质疏松患者可提高一定的螺钉把持力，因此目前已作为一种被接受的内固定方法在颈椎和腰椎中进行了广泛的研究和应用[9-12]。此次研究拟通过有限元法定量分析比较青少年胸椎经关节螺钉内固定和传统椎弓根螺钉内固定在6种工况运动状态下，椎弓根、椎间盘、螺钉和钛棒等结构的关节活动度和应力情况，分析二者是否具有相同的受力情况和生物力学稳定性。
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

1.1   设计   有限元分析。左右侧别间比较采用配对t检验；两组计量资料对比采用χ2检验；多组数据间比较采用方差分析，组内两两比较采用独立样本t检验。
1.2   时间及地点   实验于2020年1月至2021年7月在内蒙古医科大学完成。
1.3   对象   选取1名14岁男性、体质量50 kg青少年志愿者，经X射线片、CT和MRI检查排除脊柱胸段相关疾病及外伤史。患者本人及父母同意，自愿作为测试对象，对试验过程完全知情同意，并签署了“知情同意书”。研究方案的实施符合内蒙古医科大学相关伦理要求。
1.4   仪器设备和软件   美国GE公司Light Speed 64排螺旋CT，扫描参数：螺旋扫描模式，管球电压80 kV，管电流200 mA，矩阵512×512，螺距1.375∶1，层厚0.625-1.25 mm，扫描图像以DICOM格式导出存盘；比利时Materialise公司的Mimics21.0、3-Matic 13.0(由内蒙古医科大学数字医学中心提供)进行3D模型重建；美国Altair公司Hypermesh软件进行有限元网格划分前处理；美国ANSYS公司的ANSYS 19.2进行有限元模型分析。

1.5   方法
1.5.1   3D模型建立/模型属性及赋值   将连续扫描的胸椎断层影像原始数据以DICOM格式导入Mimics 21.0，定义方位后显示矢状面、冠状面和水平面3个平面的二维图像，点击Thresholding，进行“阈值分割”，选择“Bone”窗口，通过Edit Masks对单个椎骨进行“动态区域增长”后采用软件的3D Calculation对Mask分别进行重建。

在胸椎几何模型基础上模拟传统椎弓根螺钉内固定(A组模型)和小关节螺钉内固定(B组模型)的轨迹，分别调整螺钉的位置，确保螺钉位于椎体内，见图1。将Mimics21.0重建的“3D Objects”导入到3-Matic建立椎间盘、韧带、螺钉、钛棒等初步几何模型，再进行去噪、铺面、平滑等处理以优化模型几何结构。

1.5.2   建立有限元模型   将完善后的模型导入Hypermesh软件，对椎体、椎间盘、韧带、螺钉和钛棒进行网格划分。根据以往相关文献报道对于骨组织、椎间盘、韧带、钛钉及钉棒各成分材料属性赋值[12-16]，见表1。最后，将所分析的胸段网格模型导入到ANSYS 19.2中，显示模型，见图2，得到模型相关参数，并进行有限元分析，见表2。



1.5.3   定义相互接触和边界、载荷的设置   在T1椎体上表面施加重力方向200 N，以模拟正常站立时头部与颈部的重力情况，于冠状轴、矢状轴及垂直轴方向对模型施加7.5 Nm的力矩，模拟前屈、后伸、侧向弯曲(左、右)和轴向旋转(左、右)[15]。
1.6   主要观察指标   
1.6.1   活动度   分别计算比较两种螺钉内固定有限元模型在前屈、后伸、轴向旋转(左、右)、侧向弯曲(左、右)等6种运动状态下T1/2-T11/12各节段关节突关节的活动度。
1.6.2   应力与应变取值   两种固定模型中分别在T2-T11椎骨左、右椎弓根，左、右上关节突、螺钉、钛棒中随机选取30个点，记录各点应力应变值，用 表示；在T1/2-T11/12椎间盘前缘、后缘、左缘、右缘随机选取5个应力应变集中点，用平均值表示，观察变化规律。
1.7   统计学分析   采用SPSS Statistics23.0软件分析。计量资料以x±s表示，左右侧别间比较采用配对t检验；同一测量参数在不同椎序间的比较采用多样本均数比较单因素方差分析；两组计量资料对比采用χ2检验；多组数据间比较采用方差分析，组内两两比较采用独立样本t检验，检验水准为α=0.05，P < 0.05，差异有显著性意义。文章统计学方法已经内蒙古医科大学统计学专家审核。

长期以来，后路螺钉技术是目前重建脊柱稳定性最成熟的技术之一，随着脊柱螺钉技术的深入研究，螺钉固定方法也不同[17-19]。传统的椎弓根螺钉固定系统具有优良的生物力学特性，利于维持脊柱正常和重建后序列的稳定及促进融合，是脊柱疾病手术治疗的首选固定方式[20]；然而，螺钉的错位、爆裂和松动不仅发挥不了固定作用，而且还有可能导致严重神经系统损伤的并发症[21]。CHONG等[22]对513个椎弓根螺钉进行术后CT分析，发现胸椎弓根断裂较腰椎弓根多见。关节突关节作为脊柱后柱的重要结构，具有引导和限制脊柱节段运动方向的作用。国内外学者提出经小关节螺钉固定较经椎弓根螺钉固定具有更良好的生物力学稳定性，且相对安全，便于操作，但以往的研究多集中于短节段下胸段的研究[8，11，21，23]。此次研究拟通过有限元法定量分析比较青少年胸椎经关节固定和传统经椎弓根固定6种工况下椎弓根、椎间盘、螺钉和钛棒等结构的应力情况，分析比较二者的应力情况及固定稳定性。
3.1   关节的活动度   此次研究所测得两组模型在6种工况下，各个节段的活动度平均值比RODRIGUEZ-MARTINEZ等[24]和SU等[25]所测的平均值小很多，这可能与固定节段长短和钛棒长度有关。RODRIGUEZ-MARTINEZ等[24]通过体外椎弓根螺钉生物力学证明无钛棒节段的活动度明显大于有钛棒节段。INOUE等[26]通过有限元模型比较不同载荷条件下小关节的生物力学性能和生物力学行为，证明在脊柱稳定性的维持中，小关节具有重要作用，在比较两组模型在各个节段的关节活动度时，发现小关节螺钉均小于传统椎弓根螺钉，因此，生物力学稳定性增加的同时，活动度会相对减小。图3可以看出，不同运动状态下的关节活动度不同，侧屈位活动度最大，其次为后伸、前屈，轴向的旋转运动活动度最小，这与张云飞等[27]通过建立T8-L4节段有限元模型，模拟4种固定方式并分析不同运动状态下的活动度结果相一致。 同时，图3可看出两组模型的活动度无论在何种工况下，各个椎序的活动度小关节螺钉均小于椎弓根螺钉，证明小关节螺钉的稳定性大于椎弓根螺钉稳定性。
3.2   应力值的比较   由图4，5可观察到，两组模型在6种工况下，椎弓根和上关节突的应力值除在前屈、后伸位时上关节突应力值随椎序的增加走势平缓外，其余均呈“U”形，最小应力值均位于T6节段，最大应力值均位于T2节段，而以往的研究仅局限于部分胸椎节段和全腰椎节段[8，21，28]。ZHOU等[28]利用有限元法分析1例成人退行性脊柱侧弯患者L1-L5全节段椎弓根螺钉固定7种工况下的应力情况，认为全节段的椎弓根螺钉固定可最大限度减少螺钉的位移，降低相关术后并发症的风险。此次研究通过对比两组模型T2-T11节段在前屈、后伸、侧屈和旋转状态下椎弓根、上关节突、螺钉和钛棒的应力值，二者差异无显著性意义(P > 0.05)，认为小关节螺钉具有同椎弓根螺钉一样的生物力学特性。ZHANG等[29]通过有限元法对比T7-T9节段单皮质、双皮质和三皮质椎弓根螺钉技术，认为三皮质椎弓根螺钉技术在骨质疏松的胸椎中具有更好的稳定性和强度，增强螺钉的把持力，降低椎弓根螺钉松动的风险。赵红勇等[23]认为胸椎关节突关节可为螺钉的固定提供足够的皮质骨。因此，对于骨质疏松患者而言，小关节螺钉即可达到椎弓根螺钉力学的稳定性，也可增强螺钉的把持力，这与GUVENC等[21]所得结论一致。
3.3   研究的不足和局限性   此次研究未分析肌肉承载载荷条件下椎骨、椎间盘、关节突关节应力及位移的变化，后续将进一步扩大样本量，加入肌肉组织探究青少年胸椎中发挥的作用，对复杂的青少年胸椎进行精确的临床相关建模。

结论：小关节螺钉具有同传统椎弓根螺钉一样的生物力学特性，对于骨质疏松患者而言，小关节螺钉即可达到传统椎弓根螺钉力学的稳定性同时还可增强螺钉的把持力。
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

文题释义：
胸椎：胸椎位于脊柱胸段，一共12块。 上位胸椎形似颈椎，下位胸椎形似腰椎，具有生理弯曲。在椎体侧面上下缘有上肋凹和下肋凹与肋头相关节，T1椎体有上肋凹和半圆形下肋凹；T9和T10椎体只有一个上肋凹；T11和T12椎体只有一个圆形的肋凹。
有限元分析：是利用数学的方法对真实物理几何和载荷工况进行模拟。采用简单而相互作用的单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统的一种测量方法。

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国内外学者提出经小关节螺钉固定较经椎弓根螺钉固定具有良好的生物力学稳定性，且相对安全，便于操作，但以往的研究多集中于短节段下胸段的研究。此次研究拟通过有限元法定量分析比较青少年胸椎经关节固定和传统经椎弓根固定6种工况下椎弓根、椎间盘、螺钉和钛棒等结构的应力情况，分析比较二者的应力情况及固定稳定性。

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