空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂的三维有限元分析

doi:10.12307/2023.375

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (22): 3451-3456.doi: 10.12307/2023.375

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂的三维有限元分析

高红亮1，2，李旭升1，王振虎3，张晓敏4，李鹏1，2，张涛1，刘华1，李松凯1

1中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院(原兰州总医院)全军骨科中心，甘肃省兰州市 730050；2甘肃中医药大学第一临床医学院，甘肃省兰州市 730030；3广东医科大学附属医院，广东省湛江市 524001；4甘肃中医药大学护理学院，甘肃省兰州市 730000

收稿日期:2022-04-28 接受日期:2022-06-27 出版日期:2023-08-08 发布日期:2022-11-02
通讯作者: 李松凯，博士，副主任医师，研究生导师，中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院(原兰州总医院)全军骨科中心，甘肃省兰州市 730050
作者简介:高红亮，男，1991年生，甘肃省漳县人，汉族，甘肃中医药大学在读硕士，医师，主要从事脊柱及骨科生物力学的研究。
基金资助:
院内应用基础研究面上项目(2021yxky008)，项目负责人：李松凯；兰州市人才创新创业项目(2019-RC-65)，项目负责人：李旭升；甘肃省科技计划项目(重点研发计划)(21YF1FA179)，项目负责人：李松凯

Three-dimensional finite element analysis of the treatment of lumbar spondylolysis with cannulated lag screw

Gao Hongliang1, 2, Li Xusheng1, Wang Zhenhu3, Zhang Xiaomin4, Li Peng1, 2, Zhang Tao1, Liu Hua1, Li Songkai1

1Department of Joint Surgery, Institute of Orthopedics, The 940th Hospital of PLA Joint Logistics Support Force, Lanzhou 730050, Gansu Province, China; 2First Clinical Medical College of Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730030, Gansu Province, China; 3Affiliated Hospital of Guangdong Medical University, Zhanjiang 524001, Guangdong Province, China; 4College of Nursing, Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000, Gansu Province, China

Received:2022-04-28 Accepted:2022-06-27 Online:2023-08-08 Published:2022-11-02
Contact: Li Songkai, MD, Associate chief physician, Master’s supervisor, Department of Joint Surgery, Institute of Orthopedics, The 940th Hospital of PLA Joint Logistics Support Force, Lanzhou 730050, Gansu Province, China
About author:Gao Hongliang, Master candidate, Physician, Department of Joint Surgery, Institute of Orthopedics, The 940th Hospital of PLA Joint Logistics Support Force, Lanzhou 730050, Gansu Province, China; First Clinical Medical College of Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730030, Gansu Province, China
Supported by:
Fundamental Research Project in the Hospital, No. 2021yxky008 (to LSK); Lanzhou Talent Innovation and Entrepreneurship Project, No. 2019-RC-65 (to LXS); Gansu Provincial Science and Technology Plan Project (Key Research & Development Plan), No. 21YF1FA179 (to LSK)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
腰椎峡部裂(Lumbar spondylolysis)：指腰椎的一侧或双侧椎弓上下关节突与横突移行区骨质不连续或骨质缺损，也称峡部不连或椎弓崩裂。
有限元分析方法(Finite element analysis)：是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个区域都成为简单的部分，即单元，单元之间通过节点相连接，因此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。

背景：空心拉力螺钉技术治疗峡部裂有很多优势，但依然存在内固定的断裂、松动的风险。
目的：通过三维有限元软件建立L4-S正常模型、峡部裂模型及空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂模型，分析空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂的生物力学稳定性。
方法：选择1名男性健康青年军人志愿者，对志愿者腰椎、骶椎进行三维CT扫描，获取影像学数据并保存为Dicom格式。将CT数据导入Mimics research 21.0软件初步建立几何模型，并进行偏差分析，将所得模型以STEP格式输出；再导入Solidworks 21.0软件分别建立L4-S节段正常、L5双侧峡部裂、空心拉力螺钉治疗峡部裂3组模型，分别用A，B，C表示，比较轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转5种工况下3组模型的生物力学特点。
结果与结论：①相比于A，C模型，B模型在轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转5种工况下的整体最大位移均为最大，而A，C整体最大位移相差不明显；②C模型去除内固定之后，最大应力趋势与A模型相近，而B模型在左侧弯及左旋转时应力明显高于A，C模型；③3组模型的整体最大转角表明，B模型在5种工况下的最大转角明显大于A，C模型，A，C模型相似；3组模型L4椎体的活动度变化不明显；而B模型L5椎体的活动度明显高于A，C模型，在左侧旋转及左侧弯时更明显；④结果说明，脊柱生理运动状态下，空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂模型的变化趋势同正常模型，可获得良好的生物力学稳定性，保留了脊柱的正常力学特性，但应避免术后即刻过度的后伸及旋转。
https://orcid.org/0000-0002-4421-8840 (高红亮)

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: 空心拉力螺钉, 腰椎, 峡部裂, 有限元分析, 生物力学, 单椎节固定, 稳定性

Abstract: BACKGROUND: The cannulated lag screw technique has many advantages in the treatment of spondylolysis, but there is still the risk of fracture and loosening of the internal fixation.
OBJECTIVE: To analyze the biomechanical stability of cannulated lag screw treatment of spondylolysis by establishing L4-S normal model, spondylolysis model and cannulated lag screw treatment model of spondylolysis through three-dimensional finite element software.
METHODS: One male healthy young soldier volunteer was selected. 3D CT scan was performed on the volunteer’s lumbar spine and sacral spine. The imaging data were obtained and saved in Dicom format. CT data were imported into Mimics research 21.0 software to initially establish a geometric model, and deviation analysis was carried out. The obtained model was output in STEP format. Three groups of models of normal L4-S segment, L5 bilateral isthmus and cannulated lag screw in the treatment of spondylolysis were established after imported into Solidworks 21.0 software. They were represented by A, B and C respectively. The biomechanical characteristics of the three groups of models were compared under five motion states, such as axial compression, flexion, extension, left bending, and left rotation.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Compared with models A and C, model B had the largest overall maximum displacement under the five working conditions of axial compression, flexion, extension, left bending, and left rotation. However, the overall maximum displacement of models A and C was not significantly different. (2) After removing the internal fixation in the model C, the maximum stress trend was similar to the model A. The stress of the model B was significantly higher than that of the models A and C during left bending and left rotation. (3) The overall maximum rotation angle of the three groups of models showed that the maximum rotation angle of the model B under the five working conditions was significantly larger than that of the models A and C. The models A and C were similar. The range of motion of the L4 vertebral body in the three groups did not change significantly. The range of motion of the L5 vertebral body in the model B was significantly higher than that in the models A and C, and it was more obvious in the left rotation and left bending. (4) These findings indicate that under the condition of physiological movement of the spine, the change trend of cannulated lag screw in the treatment of lumbar spondylolysis model is the same as that of normal model, which obtains good biomechanical stability and retains the normal mechanical characteristics of the spine, but excessive extension and rotation should be avoided immediately after operation.

Key words: cannulated lag screw, lumbar vertebrae, spondylolysis, finite element analysis, biomechanics, single segment fixation, stability

中图分类号:

高红亮, 李旭升, 王振虎, 张晓敏, 李鹏, 张涛, 刘华, 李松凯. 空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(22): 3451-3456.

Gao Hongliang, Li Xusheng, Wang Zhenhu, Zhang Xiaomin, Li Peng, Zhang Tao, Liu Hua, Li Songkai. Three-dimensional finite element analysis of the treatment of lumbar spondylolysis with cannulated lag screw[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(22): 3451-3456.

图/表（结果） 5

2.1 模型的有效性验证在生理状态下模拟L4-S节段模型前屈、后伸、左侧弯、左扭转工况下的平均刚度，结果分别为0.921，1.664，1.857和2.728 N·m/(°)。结果与其他作者结果进行对比[19-20]，由于约束、载荷、试验条件、网格等差异，所得结果与以往有所偏差，但变化范围和趋势基本一致，表明建模方法有效，模型的边界条件及载荷约束等是合理的，因此上述3组模型可用于下一步求解分析。
2.2 三组模型的位移峰值 3组模型在5种载荷下的位移峰值，见图3。结果显示，所有模型在前屈时的位移峰值都为最大；B模型在轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转5种工况下位移峰值较A，C模型显著增大，其中较A模型分别增大58.19%，29.5%，10.06%，113.59%，185.15%，较C模型分别增大46.75%，29.33%，21.43%，93.67%，171.58%，且在左侧弯及左旋转时增大最为明显；A，C模型在5种工况下的位移峰值大致相同，3组模型在后伸时的位移峰值接近。

2.3 三组模型的应力峰值 3组模型在5种载荷下的最大应力，见图4。结果显示，A，B，C模型在前屈时应力峰值均为最大，分别为40.302，39.510，39.462 MPa；B模型在左侧弯、左旋转时压力较A，C模型逐渐增大，其中较A模型分别增大10%，63%，较C模型分别增大10%，121%，且在左旋转时增大最明显；A，C模型在轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转5种工况下的应力峰值趋势相同，3组模型在轴向、前屈、后伸时的应力峰值相近。

2.4 三组模型的活动度 3组模型在5种载荷下的活动度，见图5。结果显示，B模型在轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转5种工况下的整体活动度较A，C模型显著增大，其中较A模型分别增大24%，16%，9%，52%，220%，较C模型分别增大18%，18%，19%，42%，209%，尤其在左侧弯及左旋转时最为显著；A，C模型在5种工况下的活动度接近。3组模型L4椎体在5种工况下的活动度差别不明显；B模型轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转L5椎体的活动度较A，C模型显著增高，其中较A模型分别增大53%，46%，31%，99%，364%，较C模型分别增大38%，30%，18%，85%，312%，尤其在左侧弯及左旋转时增大最为明显。纵向比较3组模型L4和L5椎体的活动度，除后伸外，其余工况下L5椎体的活动度明显大于L4椎体的活动度。

2.5 内固定的最大应力 C模型在5种载荷下内固定的应力峰值云图，见图6。结果显示，C模型在后伸及左侧旋转时应力峰值最大，分别为186.11，136.95 MPa，在轴向压力最小为56.137 MPa，前屈及左侧弯时的应力峰值接近。

2.6 峡部的最大位移 B，C模型在5种载荷下的峡部的位移峰值，见表2。结果显示，B模型在轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转5种工况下峡部位移峰值较C模型显著增大，分别增大56.2%，33.22%，10.68%，128.79%，333.94%，且在左侧弯及左旋转时增大最为显著。

参考文献

[1] SELHORST M, FISCHER A, MACDONALD J. Prevalence of Spondylolysis in Symptomatic Adolescent Athletes: An Assessment of Sport Risk in Nonelite Athletes. Clin J Sport Med. 2019;29(5):421-425.
[2] OREN S, ITZIK M, CARA O, et al. Overuse Injuries in the IDF’s Combat Training Units: Rates, Types, and Mechanisms of Injury. Mil Med. 2018; (3-4):196-200.
[3] HSU WK, JENKINS TJ. Management of Lumbar Conditions in the Elite Athlete. J Am Acad Orthop Surg. 2017;25(7):489-498.
[4] BERGER R, DOYLE S. Spondylolysis 2019 update. Curr Opin Pediatr. 2019;(1):61-68.
[5] YING L, HRESKO M. Lumbar spine surgery in athletes: outcomes and return-to-play criteria. Clin Sports Med. 2012;(3):487-498.
[6] CRAWFORD C, LEDONIO C, BESS R, et al. Current Evidence Regarding the Etiology, Prevalence, Natural History, and Prognosis of Pediatric Lumbar Spondylolysis: A Report from the Scoliosis Research Society Evidence-Based Medicine Committee. Spine Deform. 2015;(1):12-29.
[7] RITA G, RENATO A, FILIPE L, et al. Return to play after conservative and surgical treatment in athletes with spondylolysis: A systematic review. Phys Ther Sport. 2019;37:34-43.
[8] BUCK J. Direct repair of the defect in spondylolisthesis. Preliminary report. J Bone Joint Surg Br. 1970;52(3):432-437.
[9] 张涛, 屈涛, 刘华, 等. Wiltse入路椎弓根钉-椎板钩内固定联合自体髂骨移植修复单节段腰椎峡部裂疗效分析[J]. 解放军医学杂志, 2020,7(45):761-766.
[10] GILLET P, PETIT M. Direct repair of spondylolysis without spondylolisthesis, using a rod-screw construct and bone grafting of the pars defect. Spine (Phila Pa 1976). 1999;24(12):1252-1256.
[11] GHISELLI G, WANG JC, BHATIA NN, et al. Adjacent segment degeneration in the lumbar spine. J Bone Joint Surg Am. 2004;86(7): 1497-1503.
[12] LU T, LU Y. Comparison of Biomechanical Performance Among Posterolateral Fusion and Transforaminal, Extreme, and Oblique Lumbar Interbody Fusion: A Finite Element Analysis. World Neurosurg. 2019;129:e890-e899.
[13] XU H, JU W, XU N, et al. Biomechanical comparison of transforaminal lumbar interbody fusion with 1 or 2 cages by finite-element analysis. Neurosurgery. 2013;73(2 Suppl Operative):ons198-205; discussion ons205.

[14] EDELSON JG, NATHAN H. Nerve root compression in spondylolysis and spondylolisthesis. J Bone Joint Surg Br. 1986;68(4):596-599.
[15] DENOZIERE G, KU DN. Biomechanical comparison between fusion of two vertebrae and implantation of an artificial intervertebral disc. J Biomech. 2006;39(4):766-775.
[16] MO Z, ZHAO Y, DU C, et al. Does location of rotation center in artificial disc affect cervical biomechanics? Spine (Phila Pa 1976). 2015;40(8): E469-E475.
[17] KIM TY, KANG KT, YOON DH, et al. Effects of lumbar arthrodesis on adjacent segments: differences between surgical techniques. Spine (Phila Pa 1976). 2012;37(17):1456-1462.
[18] AMBATI DV, WRIGHT EJ, LEHMAN RJ, et al. Bilateral pedicle screw fixation provides superior biomechanical stability in transforaminal lumbar interbody fusion: a finite element study. Spine J. 2015;15(8): 1812-1822.
[19] TENCER AF, AHMED AM, BURKE DL. Some static mechanical properties of the lumbar intervertebral joint, intact and injured. J Biomech Eng. 1982;104(3):193-201.
[20] MARKOLF KL. Deformation of the thoracolumbar intervertebral joints in response to external loads: a biomechanical study using autopsy material. J Bone Joint Surg Am. 1972;54(3):511-533.
[21] DUNN B. Lumbar spondylolysis and spondylolisthesis. JAAPA. 2019; 32(12):50-51.
[22] MICHELI LJ, WOOD R. Back pain in young athletes. Significant differences from adults in causes and patterns. Arch Pediatr Adolesc Med. 1995;149(1):15-18.
[23] 杨大龙, 申勇, 张英泽, 等. 成人峡部裂性腰椎滑脱合并椎间盘突出的手术治疗[J]. 中国骨与关节损伤杂志,2008,23(6):485-486.
[24] BELYTSCHKO T, KULAK RF, SCHULTZ AB, et al. Finite element stress analysis of an intervertebral disc. J Biomech. 1974;7(3):277-285.
[25] 聂文忠, 李晓萱, 曾嘉艺, 等. 腰椎病变融合器注入骨水泥后不同置入及固定方法的生物力学变化[J]. 中国组织工程研究,2022, 26(10):1505-1509.
[26] 于博. 腰椎弹性内固定系统的设计与力学研究[D]. 广州:南方医科大学,2009.
[27] 朱立新, 王健, 曹延林, 等. 腰椎峡部裂机翼型记忆合金固定装置的有限元分析[J]. 中国临床解剖学杂志,2012,30(3):333-336.
[28] 周初松, 肖文德, 张效三, 等. 腰椎峡部裂翼状记忆合金节段内固定器的研制[J]. 脊柱外科杂志,2006,4(1):33-37.
[29] 顾晓民, 贾连顺, 陈雄生, 等. 单椎节与单节段内固定治疗腰椎椎弓峡部裂的有限元分析[J]. 医用生物力学,2011,26(1):63-68.
[30] 朱磊, 许鹏, 王冬冬, 等. 青少年腰椎峡部裂单椎体内固定研究进展[J]. 脊柱外科杂志,2019,17(3):211-215.
[31] KURD MF, PATEL D, NORTON R, et al. Nonoperative treatment of symptomatic spondylolysis. J Spinal Disord Tech. 2007;20(8):560-564.

引言

腰椎峡部裂常见于青少年患者，尤其以运动量较大的职业运动员及现役军人最为显著[1-2]，多发生在L4或L5，也可同时发生，多数为双侧，也可为单侧。峡部裂断端宽度不一，常见纤维软组织填充，断端多为硬化骨，新鲜骨质较为少见[3]。当峡部裂不伴随滑脱或轻度的滑脱时临床症状较轻，而病情逐渐发展，出现滑脱时可表现为下肢麻木等一系列神经症状。椎弓峡部在脊柱维持椎体前后剪切力的平衡中具有重要的作用，峡部断裂时导致抵抗向前的剪切力破坏，因此破坏了脊柱的解剖力学稳定性。病情逐渐发展，将导致脊柱稳定性严重失衡，出现脊柱畸形及相应的临床症状[4-5]，因此大多数患者最终需要进行手术治疗[6]。尽管少数患者早期腰椎峡部裂经非手术治疗可以获得满意疗效[7]，但对于青少年患者，尤其是运动员及军人，日常运动较大，对脊柱的活动要求较高，且持续参加训练不采取治疗，双侧峡部裂的骨愈合率将降低至0[8-9]。因此根据峡部裂是否伴有滑脱、滑脱类型和程度及人群选择相应的手术，临床上常见的有单椎节固定、单节段固定或多节段固定[10-11]。由于节段固定可能导致腰椎活动度下降以及加速相邻椎间盘的退变，除了严重滑脱及复位较为困难的患者目前已较少应用，而相对于单椎节固定目前越来越受到人们的重视，尤其是无滑脱的峡部裂患者。然而空心拉力螺钉技术成为最早、最成熟的技术，对比其他单椎节固定系统，空心拉力钉固定存在诸多优势，例如：手术创伤明显减少、明显缩短手术时间、经济、放入体内的内固定较少且患者易接受等。尽管存在上述优势，该术式依然存在风险，最大的问题是内固定的断裂、松动，因此如何解决上述问题，需要进一步通过三维有限元分析方法对空心拉力螺钉治疗峡部裂进行生物力学研究。

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。
1.2   时间及地点   研究于2022-01-20/04-20在中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院脊柱外科完成。
1.3   材料
1.3.1   设备东芝Aquilion320排螺旋CT，由中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院影像科提供。联想(Lenovo)拯救者9000K 2022酷睿12代设计制图电脑：主机CPU:I9-12900KF 3.19 GHz，运行内存64 G，储存4T+2T固态，显卡PTX3060-12G，Windows 11定制；显示器：联想(Lenovo)31.5英寸4K，由中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院脊柱外科提供。
1.3.2   CT资料来源   选择1名男性健康青年军人志愿者，年龄24岁，身高172 cm，体质量60 kg，门诊行腰椎正、侧位X射线检查未见脊柱畸形及脊柱其他疾病，并签署知情同意书，该研究获得中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院医学伦理委员会的批准(审批编号：2022KYLL079)。对志愿者进行320排CT薄层扫描，扫描层厚为0.5 mm，并将所得影像学数据保存为Dicom医学通用格式。
1.4   三维有限元模型的建立
1.4.1   几何模型的初步建立   将受试者的CT数据导入Mimics research 21.0软件，根据不同组织的灰度值不同，借助Thresholding命令选择需要的阈值范围，形成新的蒙版“Mask”，因此需要通过“Region Grow”“Split Mask”“Edit Masks”等命令进行提取、分割、编辑，分别形成单个椎体，并对每一个椎体通过“Cavity Mask”工具填补空洞，之后通过“Smooth Mask”初步光滑模型，最终以STL格式输出。
1.4.2   模型的误差分析   将上述模型导入到Geomagic Wrap 21.0软件，对模型进行光滑、光顺、拟合曲面等处理，对光滑之后的模型进行偏差分析，将偏差控制在相应的精度范围之内。以L4椎体为例，偏差分析见图1，各模型的偏差均在±0.2 mm范围内，满足偏差要求。并将所得模型以STEP格式输出。

1.4.3   几何模型的装配   将上述STEP格式文件导入Solidworks
21.0软件首先将所有模型转换为零件，再通过装配体进行组装，通过该软件画出上述三维模型，终板厚度0.8 mm，髓核体积为椎间盘的40%-60%[12-13]，因此形成正常L4-S三维模型，即A模型，并以x_t格式输出。
1.4.4   峡部裂模型及内固定模型的制作   用已经建立好的三维模型在Solidworks 21.0软件中进行模拟L5双侧峡部裂、空心拉力螺钉治疗腰椎峡部。通过参考相关文献，模拟峡部裂的间隙约3 mm[14]，间隙之间填充为纤维软组织以更真实地模拟病理模型。在病理模型的基础模拟手术治疗L5双侧峡部裂，由于该病理模型模拟峡部裂未滑脱情况，因此对双侧峡部裂进行空心拉力螺钉单椎节固定。在该软件中绘制三维空心拉力螺钉，直径4.0 mm，长度40 mm(由符合IS0 5832-11标准规定的Ti6A17Nb钛合金组成，由上海强生医疗器材有限公司提供)。模拟手术，在该软件中进行装配，选择L5终板下缘中点进针至椎弓根后外上缘为出针点。刮除峡部裂断端的纤维软组织，以松质骨填充。最终获得L5双侧峡部裂、空心拉力螺钉治疗峡部裂模型，即B，C模型。并以x_t格式输出。
1.4.5   材料的赋值及网格划分   将上述3组模型分别导入Ansys workbench 17.0软件中，并给与模型赋予材料属性[15-18]，见表1，设置接触关系，接触关系均设置为线性接触，关节突关节及峡部裂断端面面接触为不分离，其余均为绑定。3组模型韧带模拟线性弹簧单元，划分网格，网格类型设置为四面体十节点，见图2。

1.4.6 载荷和约束设置将上述3组模型的骶骨两侧即骶髂关节接触面设置为完全固定，在L4椎体上表面施加400 N的轴向应力及延3个坐标轴方向10 N·m的弯矩，观察在轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转5种工况下的生物力学情况，由于模型的对称性，侧弯及旋转选择一侧测量。
1.5 主要观察指标 3组模型轴向压缩、前屈、后伸、左侧弯、左旋转5种工况下的整体最大位移、最大应力，整体模型的活动度及每一节段的活动度，峡部的最大位移，内固定的最大应力。

讨论

腰椎峡部在维持脊柱正常力学稳定性中起着重要的作用，尤其在维持前后剪切、旋转时最为显著。此次研究表明，正常模型在后伸、旋转时峡部应力明显增大，长期过度的后伸旋转等运动将使得峡部长期处于疲劳状态，容易导致疲劳骨折，研究结果表明，75.8%的峡部裂有明确的腰部过伸旋转损伤或过度负重外伤[21]。尤其青年运动员及军人，长期反复的极限训练，更容易导致峡部断裂，据统计主诉腰痛的运动员患者中约50%为峡部裂[22]，因此在青年运动员及军人训练之前，应该严格评估训练方案，以减少峡部断裂的发生。
腰椎峡部断裂时导致脊柱正常解剖结构破坏，脊柱在正常的生理活动时，断裂部位将出现反常活动，这将导致骨折断端愈合较为困难，断裂反复的活动刺激，出现纤维组织的增生，以及断端骨质硬化，甚至形成死骨。峡部裂破坏了脊柱的正常力学传导，脊柱失去正常的生物力学稳定性，早期由于椎间盘、周围的肌肉、韧带等软组织的代偿作用，椎体滑脱不明显；当病情逐渐发展，后期代偿机制破坏，将出现椎体的滑脱、椎间盘退变、椎管狭窄及下关节紊乱等并发症引起相应的临床症状[23]。此次研究表明，从整体最大位移及最大活动度来看，峡部裂模型与正常模型和空心拉力固定模型比较，脊柱存在明显的失稳状态，尤其在侧弯及旋转时失稳更为显著。从单个节段的活动度来看，3组模型L4椎体的稳定性影响不大，而对比L5椎体，峡部裂模型的L5椎体活动度明显增大，且在左侧弯及左旋转时增大较为明显。从峡部位移云图可以得出，峡部裂模型的峡部最大位移远大于空心拉力螺钉治疗模型，这将表明峡部裂模型峡部存在明显的不稳。
目前对于峡部裂的治疗，单椎节固定手术方法逐渐成为热点。尽管一些研究人员已经分析了多种单椎节固定系统的临床疗效，但大多数都是小样本、回顾性的研究方法，缺乏循证学依据。早期研究人员已经对大多数单椎节固定系统进行了动物及体外力学分析，并且1974 年 BELYTSCHKO等[24]首先将有限元分析方法应用于脊柱生物力学。近年来随着有限元分析在脊柱外科的应用逐渐成熟[25]，内固定的研发成为治疗峡部裂的重点与难点，并且使得峡部裂治疗出现多样化。目前已经对多种内固定系统进行了有限元分析，如于博[26]对比分析了U型内固定与常规内固定，得出U型内固定应力分布均匀，断钉风险降低；朱立新等[27]研究峡部裂机翼型固定模型，发现侧翼、底座的连接处在后伸和旋转时应力集中明显，容易发生内固定断裂；周初松等[28]运用翼状记忆合金固定峡部裂，得出翼状内固定能较好地恢复脊柱稳定性，且未出现明显应力集中。
此次研究通过分析空心拉力螺钉治疗峡部裂的生物力学稳定性，结果显示空心拉力模型整体最大位移、最大转角与正常模型类似，表明空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂可以提供良好的生物力学稳定性；最大应力结果表明，内固定模型最大应力集中在内固定，而去除内固定后，模型的最大应力趋势同正常模型，表明患者在术后可以即刻下床，减少术后卧床并发症；并且显示出单椎节固定同样的优越性，结果类似于既往研究。顾晓明等[29]分别对L4双侧峡部裂进行单椎节、单节段2种手术方式进行生物力学分析，得出单椎节固定系统不仅能提供和单节段固定相同的力学稳定性，且减少对椎间盘、终板的应力，降低腰椎的退变及邻椎病的发生。但该研究内固定最大应力出现在后伸及旋转，而当过度的后伸及旋转时，应力过大，达到内固定屈服强度时，将可能发生内固定的断裂[30]，这表明术后康复训练时应避免过度后伸及旋转，临床上依然可以见到断钉现象。
此次研究通过有限元分析方法分析空心拉力螺钉治疗峡部裂的生物力学性能，并与既往不同内固定系统治疗腰椎峡部裂的生物力学性能进行对比，结果显示在生理运动状态下，与既往内固定系统相似，均能获得稳定的生物力学性能；并且空心拉力螺钉治疗峡部裂手术方式简单、创伤小、手术时间短、植入物少、经济、患者易接受等，因此在获得相同生物力学稳定性的条件下，临床上可以选择使用空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂。
由于此次研究的局限性，并没能重建出肌肉等软组织的模型，因此模型忽略了肌肉等组织的作用，使得模型结果与正常实际情况存在差异。KURD等[31]对于早期峡部裂患者进行保守治疗，结果95%的患者获得良好的结果，该研究在治疗过程中严格限制脊柱的活动，因此对于日常训练较大的运动员及军人来说不推荐使用。此次研究表明脊柱在生理活动状态下，峡部裂模型存在明显的脊柱失稳，尤其是在运动量较大的青年运动员及军人患者，严重影响日常训练，因此对于此人群应建议尽早行手术治疗。
综上所述，脊柱在正常活动状态时，空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂可以获得良好的生物力学稳定。但从内固定的最大应力云图分析，在后伸及旋转时患者可能存在断钉的风险，因此如何避免患者术后断钉的风险将是该术式未来研究的重点，第一：患者在术后康复训练时避免过度的后伸及旋转；第二：根据患者椎板的厚度，选择较粗直径的空心拉力螺钉；第三：在立体导航技术帮助下或术者置钉技术较高时，可以选择实心螺钉；第四：研究新型材料，选择屈服强度较高的空心拉力螺钉；第五：促进新型内固定的研发，进而增加抗旋转及过伸应力。

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

空心拉力螺钉治疗腰椎峡部裂的三维有限元分析

Three-dimensional finite element analysis of the treatment of lumbar spondylolysis with cannulated lag screw

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 5

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	钟毅征, 黄培镇, 蔡群斌, 郑利钦, 何兴鹏, 董航. 影响骨小梁微有限元模型最大应力的骨微结构指标[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1313-1318.
[2]	吴韬光, 聂少波, 陈华, 朱正国, 祁麟, 唐佩福. 新型多维交叉锁定钢板固定股骨转子下骨不连的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1330-1334.
[3]	刘鑫玥, 邢新阳, 霍洪峰. 不同认知负荷行走时人体动态稳定性的差异[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1335-1339.
[4]	彭志鑫, 闫文刚, 王坤, 张振江. 3D打印前臂外固定支具的有限元分析与结构优化设计[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1340-1345.
[5]	吴天亮, 陶秀霞, 徐宏光. 三维有限元法分析不同骨密度对单纯斜外侧腰椎椎间融合后融合器下沉的影响[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1352-1358.
[6]	刘金玉, 张晗硕, 崔洪鹏, 潘灵之, 赵博然, 李菲, 丁宇. 脊柱微创治疗脊髓型颈椎病的有限元生物力学分析及精准化运动康复方案[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1359-1364.
[7]	和雨洁, 康志杰, 薛明明, 金凤, 李志军, 王星, 许阳阳, 高明杰, 李佳伟, 李筱贺, 王海燕. 青少年胸椎经关节螺钉固定的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1365-1370.
[8]	温星花, 丁焕文, 成凯, 闫晓楠, 彭元昊, 王宇宁, 刘康, 张挥武. 比格犬股骨大段骨缺损髓内钉固定方案设计的三维有限元建模分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1371-1376.
[9]	游正秋, 张中卒, 王群波. MRI检查发现椎间盘切除后的早期症状性椎间盘假性囊肿[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1403-1409.
[10]	李超, 张佩佩, 徐朦婷, 李琳琳, 丁江涛, 刘西花, 毕鸿雁. 肌骨超声评价呼吸训练改善慢性非特异性下背痛患者多裂肌的形态学改变[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1417-1421.
[11]	贺垠皓, 李晓声, 陈宏文, 陈铁柱. 3D打印多孔钽金属治疗发育性髋关节发育不良：现状及应用前景[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1455-1461.
[12]	蒋晓成, 石璐, 王胤斌, 李秋江, 席创珍, 马泽丰, 蔡利军. 特立帕肽治疗骨质疏松合并腰椎退行性变经椎间融合后骨融合率的系统评价[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1427-1433.
[13]	刘佳辛, 贾鹏, 门玉涛, 刘璐, 王烨明, 叶金铎. 基于三周期极小曲面骨小梁结构的设计及优化[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(7): 992-997.
[14]	朱琳, 顾卫平, 王璨, 陈岗. 上颌不同骨质条件下All-on-Four和翼上颌种植的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(7): 985-991.
[15]	孙江伟, 王俊祥, 白布加甫·叶力思, 代慧娟, 尼加提·吐尔逊. 不同光滑颈圈种植体修复时应力分布的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(7): 1004-1011.