新型双螺钉在腰椎原固定节段翻修中生物力学性能的有限元分析

doi:10.12307/2026.862

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (27): 6985-6994.doi: 10.12307/2026.862

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新型双螺钉在腰椎原固定节段翻修中生物力学性能的有限元分析

张乐1，居来提·买提肉孜1，解学晨1，李春超1，王轶希2，帕尔哈提·热西提2

1新疆大学智能制造现代产业学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830017；2新疆医科大学第一附属医院脊柱微创及精准骨科，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830054

收稿日期:2025-10-15 接受日期:2026-01-24 出版日期:2026-09-28 发布日期:2026-04-16
通讯作者: 居来提·买提肉孜，副教授，新疆大学智能制造现代产业学院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830017
作者简介:张乐，男，1997年生，甘肃省平凉市人，汉族，新疆大学在读硕士，主要从事机械设计及理论研究。
基金资助:
“天山英才”医药卫生高层次人才培养计划基金(TSYC202301B026)，项目负责人：帕尔哈提·热西提；“医、工、企”三方联合培养研究生产学研示范基地建设模式优化研究(JYGG2025003)，项目负责人：帕尔哈提·热西提

Finite element analysis of biomechanical performance of a novel double-screw technique in lumbar revision of the original fixed segment

Zhang Le1, Julaiti·Maitirouzi1, Xie Xuechen1, Li Chunchao1, Wang Yixi2, Parhat·Rexiti2

1School of Intelligent Manufacturing and Modern Industry, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China; 2Department of Minimally Invasive Spine Surgery and Precision Orthopedics, First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830054, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Received:2025-10-15 Accepted:2026-01-24 Online:2026-09-28 Published:2026-04-16
Contact: Julaiti·Maitirouzi, Associate professor, School of Intelligent Manufacturing and Modern Industry, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Zhang Le, MS candidate, School of Intelligent Manufacturing and Modern Industry, Xinjiang University, Urumqi 830017, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
"Tianshan Yingcai" High-Level Medical and Health Talent Training Plan Fund, No. TSYC202301B026 (to PR); Research on the Optimization of the Construction Model for the Research, Production and Education-Industry Integration Demonstration Base Jointly Established by the "Medical", "Engineering" and "Enterprise" Parties, No. JYGG2025003 (to PR)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
双螺钉技术：又叫椎弓根双螺钉技术，是脊柱外科领域一种内固定技术，指在同一椎弓根内同时置入2枚不同轨迹螺钉的固定方式。目前较为常用的是在同一椎弓根处同时采用传统椎弓根轨迹置钉和皮质骨轨迹置钉。该技术利用不同置钉轨迹的解剖学差异，通过2枚螺钉的三维交叉分布，增加与椎体皮质骨的接触面积，分散应力负荷，从而提升内固定稳定性。双螺钉技术尤其适用于骨质疏松的椎体，可为脊柱不稳患者提供更可靠的生物力学支撑。

腰椎翻修：是针对腰椎初次手术后出现内固定松动、断裂、融合失败、邻近节段退变等并发症，或症状未缓解甚至加重时，对腰椎进行重新固定的二次手术。

摘要
背景：目前，临床中对固定失败的椎体常去除原内固定装置进行翻修，这样存在一定的不足与风险。椎弓根双螺钉技术可以保留原内固定装置，改良皮质骨轨迹置钉技术具有良好的力学性能，将两种技术结合用于腰椎翻修可以规避常规风险，但是翻修手术中这种新型双螺钉技术的力学性能尚不明确。
目的：利用有限元法分析皮质骨轨迹置钉、改良皮质骨轨迹置钉技术在腰椎翻修术中联合固定的力学性能，并探讨改良皮质骨轨迹置钉相比皮质骨轨迹置钉在翻修术中的优势。
方法：根据计算机断层扫描数据建立L1-5椎体、终板椎间盘三维模型，在椎体模型中按传统轨迹椎弓根置钉技术进行置钉，按螺钉骨面接触形式不同分为传统轨迹初始组和松动组，并用改良皮质骨轨迹螺钉、皮质骨轨迹螺钉在传统轨迹松动组上进行翻修，对腰椎重新固定。利用有限元法分析改良皮质骨轨迹置钉、皮质骨轨迹置钉在翻修术中的力学性能。
结果与结论：①在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，皮质骨轨迹翻修组相比对照组运动范围分别降低31.97%，29.15%，15.12%，29.63%，固定节段椎间盘应力分别降低15.44%，78.67%，54.36%，40.55%；②改良皮质骨轨迹翻修组相比对照组，运动范围分别降低32.16%，29.33%，15.47%，31.42%，固定节段椎间盘应力分别降低16.25%，83.00%，64.82%，45.83%；③改良皮质骨轨迹翻修组相比皮质骨轨迹翻修组运动范围分别降低0.28%，0.25%，0.40%，2.54%，固定节段椎间盘应力分别降低0.96%，20.25%，22.91%，8.88%，固定节段椎体应力分别降低15.78%，4.75%，11.22%，7.42%，钉棒内固定系统应力分别降低0.15%，9.80%，1.04%，0.84%；④提示皮质骨轨迹置钉和改良皮质骨轨迹置钉技术在腰椎翻修术中均能有效提升固定节段的力学稳定性，且改良皮质骨轨迹置钉的综合性能更优，为临床腰椎翻修提供了新的技术选择。

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: 双螺钉技术, 改良皮质骨轨迹置钉, 皮质骨轨迹置钉, 翻修手术, 内固定, 腰椎, 骨质疏松, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: Currently, in clinical practice, the original internal fixation devices are often removed to perform revision surgery for failed vertebral fixation, which poses certain drawbacks and risks. The pedicle double-screw technique can preserve the original internal fixation devices, while the modified cortical bone trajectory technique offers excellent mechanical performance. Combining these two techniques for revision surgery can mitigate the conventional risks, although the mechanical performance of this new modified cortical bone trajectory technique in revision surgery is not yet well understood.
OBJECTIVE: To evaluate the mechanical performance of the cortical bone trajectory and modified cortical bone trajectory techniques in combined fixation during lumbar revision surgery using finite element analysis, and to explore the advantages of modified cortical bone trajectory over cortical bone trajectory in revision surgery.
METHODS: A three-dimensional model of the L1 to L5 vertebrae and intervertebral discs was created based on computed tomography scan data. In this model, screws were placed using the traditional trajectory pedicle screw technique. The traditional trajectory initial group and loosening group were distinguished based on the contact form of the screw-bone surface. Modified cortical bone trajectory and cortical bone trajectory screws were used to perform revision screw placement on the loosening group of the traditional trajectory, re-fixing the lumbar spine. Finite element analysis was employed to assess the mechanical performance of modified cortical bone trajectory and cortical bone trajectory in revision surgery.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Under flexion, extension, lateral bending, and axial rotation conditions, the range of motion of the cortical bone trajectory revision group decreased by 31.97%, 29.15%, 15.12%, and 29.63% compared with the control group, respectively. The stress on the fixed segment intervertebral discs decreased by 15.44%, 78.67%, 54.36%, and 40.55%. (2) The modified cortical bone trajectory revision group showed a decrease in range of motion by 32.16%, 29.33%, 15.47%, and 31.42%, and the stress on the fixed segment intervertebral discs decreased by 16.25%, 83.00%, 64.82%, and 45.83%. (3) Compared with cortical bone trajectory, the modified cortical bone trajectory revision group showed a decrease in range of motion by 0.28%, 0.25%, 0.40%, and 2.54%, and the stress on the fixed segment intervertebral discs decreased by 0.96%, 20.25%, 22.91%, and 8.88%. Additionally, the stress on the fixed segment vertebral bodies decreased by 15.78%, 4.75%, 11.22%, and 7.42%, and the stress on the internal fixation system decreased by 0.15%, 9.80%, 1.04%, and 0.84%. (4) Both cortical bone trajectory and modified cortical bone trajectory techniques effectively enhance the mechanical stability of the fixed segment in lumbar revision surgery, with modified cortical bone trajectory offering superior overall performance, providing a new technical option for clinical revision.

Key words: double screw technique, modified cortical bone trajectory nail, cortical bone trajectory nail, revision surgery, internal fixation, lumbar spine, osteoporosis, finite element analysis

中图分类号:

张乐, 居来提·买提肉孜, 解学晨, 李春超, 王轶希, 帕尔哈提·热西提. 新型双螺钉在腰椎原固定节段翻修中生物力学性能的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(27): 6985-6994.

Zhang Le, Julaiti·Maitirouzi, Xie Xuechen, Li Chunchao, Wang Yixi, Parhat·Rexiti. Finite element analysis of biomechanical performance of a novel double-screw technique in lumbar revision of the original fixed segment[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(27): 6985-6994.

图/表（结果） 9

2.1 模型验证 将CT三维重建技术构建的腰椎模型，在人体真实椎体解剖结构与形态学方面进行对比验证，发现腰椎模型的还原性较高(图2A，B)。在生物力学验证方面，此次研究腰椎模型测得的活动范围与文献[30-33]报道的生理组及尸体实验的活动范围具有良好的一致性(图2C)，同时，模型在L3-4和L4-5水平椎间盘应力分布也与已有生理组研究数据差异不大[10，34-35](图2D，E)，在合理范围内。因此，基于上述解剖学和生物力学双重验证，此文认为腰椎模型可靠，可用于后续实验。
2.2 腰椎整体活动度 在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，皮质骨轨迹翻修组活动范围相比对照组分别降低31.97%，29.15%，15.12%，29.63%，相较于传统轨迹松动组分别降低6.76%，3.09%，2.64%，3.32%，相较于传统轨迹初始组分别降低6.32%，2.10%，1.04%，0.34%。在同样的4种工况下，改良皮质骨轨迹翻修组活动范围相比对照组分别降低32.16%，29.33%，15.47%，31.42%，相较于传统轨迹松动组分别降低7.02%，3.33%，3.02%，5.78%，相较于传统轨迹初始组分别降低6.58%，2.35%，1.44%，2.88%，相较于皮质骨轨迹翻修组分别降低0.28%，0.25%，0.40%，2.54%。见表2。

2.3 上邻近节段椎间盘应力 在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，皮质骨轨迹翻修组上邻近节段椎间盘应力相比对照组分别增加25.29%，17.13%，21.98%，27.08%，相较于传统轨迹松动组分别降低13.54%，15.00%，28.46%，25.80%，相较于传统轨迹初始组分别降低4.65%，12.37%，0.31%，23.32%。在同样的4种工况下，改良皮质骨轨迹翻修组上邻近节段椎间盘应力相比对照组分别增加25.16%，7.23%，21.23%，22.30%，相较于传统轨迹松动组分别降低13.63%，22.18%，28.91%，28.59%，相较于传统轨迹初始组分别降低4.74%，19.78%，0.93%，26.21%，相较于皮质骨轨迹翻修组分别降低0.10%，8.46%，0.62%，3.76%。见表3、图 3。
2.4 固定节段椎间盘应力 在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，皮质骨轨迹翻修组固定节段椎间盘应力相比对照组分别降低15.44%，78.67%，54.36%，40.55%，相较于传统轨迹松动组分别降低23.36%，27.12%，39.64%，52.23%。皮质骨轨迹翻修组固定节段椎间盘应力相比传统轨迹初始组，在前屈、后伸、侧弯工况下分别增加3.11%，35.74%，35.51%，在轴向旋转工况下降低19.79%。在同样的4种工况下，改良皮质骨轨迹翻修组固定节段椎间盘应力相比对照组分别降低16.25%，83.00%，64.82%，45.83%，相较于传统轨迹松动组分别降低24.09%、41.88%，53.47%，56.47%。改良皮质骨轨迹置钉翻修组固定节段椎间盘应力相比传统轨迹初始组，在前屈、后伸、侧弯工况下分别增加2.13%，8.25%，4.47%，在轴向旋转工况下降低26.91%。在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，改良皮质骨轨迹翻修组固定节段椎间盘应力相比皮质骨轨迹翻修组分别降低0.96%，20.25%，22.91%，8.88%。见表4、图4。

2.5 固定节段椎体应力 在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，皮质骨轨迹翻修组固定节段椎体应力相比传统轨迹初始组分别降低7.02%，14.84%，7.04%，4.90%，相较于传统轨迹松动组分别降低8.28%，16.71%，56.00%，31.45%。在同样的4种工况下，改良皮质骨轨迹翻修组固定节段椎体应力相比传统轨迹初始组分别降低21.69%，18.89%，17.47%，11.95%，相较于传统轨迹松动组分别降低22.75%，20.67%，60.92%，36.55%，相较于皮质骨轨迹翻修组分别降低15.78%，4.75%，11.22%，7.42%。见表5、图5。
2.6 钉棒内固定系统应力 在前屈、后伸、侧弯、轴向旋转工况下，皮质骨轨迹翻修组钉棒内固定系统应力相比传统轨迹初始组分别降低38.18%，1.09%，14.81%，38.09%，相较于传统轨迹松动组：分别降低56.15%，5.14%，41.32%，38.17%。在同样的4种工况下，改良皮质骨轨迹翻修组钉棒内固定系统应力相比传统轨迹初始组分别降低38.27%，10.77%，15.72%，38.61%，相较于传统轨迹松动组分别降低56.21%，14.43%，41.94%，38.67%，相较于皮质骨轨迹翻修组分别降低0.15%，9.80%，1.04%，0.84%。见表6、图6。

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引言

传统轨迹椎弓根置钉技术是脊柱内固定的金标准[1]，已被广泛用于骨质疏松症的治疗。但传统轨迹钉道并没有充分利用皮质骨，术后仍然有1%-60%的患者发生椎弓根螺钉松动现象[2]，螺钉松动可致使固定节段稳定性降低，进而导致内固定失败，需要进行翻修手术[3]。传统翻修方法如增大螺钉直径或骨水泥强化虽能暂时改善固定强度，但存在神经损伤、骨水泥渗漏等严重并发症风险[4-5]。皮质骨轨迹置钉技术增加了螺钉与皮质骨的接触[6]，已逐渐在临床普及。由于皮质骨轨迹技术未能有效利用钉道全程的皮质，为了弥补不足，REXITI等[7]提出了改良皮质骨轨迹置钉。相关研究证实，改良皮质骨轨迹置钉具有优秀的力学性能[8-9]。已有学者分析了在拔除原有内固定方式后再使用皮质骨轨迹或改良皮质骨轨迹置钉技术的翻修效果，发现这两种技术均可以提高腰椎的稳定性，且改良皮质骨轨迹置钉的固定性能不劣于皮质骨轨迹[10]。
虽然，皮质骨轨迹置钉、改良皮质骨轨迹置钉进行更换翻修手术均能够提供足够的力学性能，但是更换内固定的手术方式需要完全暴露原始内固定装置，拆除后，再安装新的内固定系统，手术时间长、软组织破坏严重、出血量较多[11]。考虑到传统轨迹置钉技术和皮质骨轨迹置钉技术的螺钉进钉点和方向不同，因此可以结合两种螺钉各自的置钉轨迹，在同一椎弓根内同时采用传统椎弓根置钉和皮质骨轨迹置钉[12]，这种技术称为椎弓根双螺钉技术，简称双螺钉技术。同样地，传统轨迹置钉技术和改良皮质骨轨迹置钉技术的置钉轨迹也不相同，因此也可以在同一椎弓根内同时存在1枚传统椎弓根螺钉和1枚改良皮质骨轨迹置钉螺钉。已有学者将双螺钉技术进行了临床应用，2013年UENO等[13]首次报道了应用双螺钉技术治疗1例老年腰椎侧弯骨质疏松患者，术中在CT导航辅助下在腰椎各个节段每个椎弓根均置入1枚传统轨迹螺钉和1枚皮质骨轨迹螺钉，并各自用钛棒连接，实现了牢固的腰椎内固定，无并发症发生，而且1年多后随访无矫形丢失。
借助双螺钉技术的置钉特点，腰椎翻修手术可以在完整保留原有内固定装置、避免因拆除旧内固定造成软组织额外损伤的前提下，再次置入新的螺钉，对腰椎进行重新固定。TAN等[14]研究发现保留原先内固定进行加固，省去了拆除旧内固定的操作步骤，较更换内固定进行翻修的手术时间与失血量分别减少40.14%与29.29%，显著降低了手术创伤与术中风险。HAN等[15]对7例腰椎手术失败患者置入皮质骨轨迹螺钉进行挽救治疗，结果显示，所有置入的皮质骨轨迹螺钉均达到临床可接受标准，且全程未发生与皮质骨轨迹螺钉相关的并发症；至末次随访时，患者腰痛症状显著改善，日本骨科协会评分较术前实现统计学意义上的提升，证实保留原内固定的手术方式在腰椎翻修术中更加安全有效。并且随着影像定位和新技术的升级与发展，为新螺钉的精确置入创造了条件，例如X射线透视辅助下徒手、术中导航技术、3D打印导航模板、机器人辅助置钉等[16-19]。因此，保留原内固定的翻修方式是一种更微创的新举措，尤其是将改良皮质骨轨迹置钉技术和双螺钉技术相结合进行翻修，但此种新技术的生物力学分析却少见报道，需要验证其固定性能。此次研究采用有限元分析方法，在保留原有内固定装置的情况下，分析了皮质骨轨迹置钉和改良皮质骨轨迹置钉内固定技术进行双轨迹交叉翻修时，对腰椎在前屈、后伸、侧弯及轴向旋转等不同运动状态下生物力学的影响。

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 有限元仿真实验。
1.2 时间及地点 实验于2024年11月至2025年5月在新疆大学机械工程学院、智能制造现代产业学院完成。
1.3 对象 选用新疆医科大学提供的1具30岁男性解剖标本(骨密度T值< -2.5 SD)，使用64排螺旋CT机(Philips 公司，荷兰)对腰椎进行扫描，层厚0.25 mm，图像数据保存为DICOM格式。此次研究方案已通过新疆医科大学第一附属医院伦理委员会审查(批号：20220930-01)。
1.4 仿真平台 Mimics 21.0(Materialise 公司，比利时)，SolidWorks 2025(Dassault Systemes 公司，法国)，Geomagic Wrap 2021(Geomagic公司，美国)，Ansys2024R2(ANSYS公司，美国)。
1.5 方法
1.5.1 椎体建模首先，将获得的CT影像导入Mimics 21.0软件，根据骨质疏松的特性选择合适的灰度阈值初步提取L1-L5椎体模型。利用“分割蒙版”功能分离各节段椎体，并通过“编辑蒙版”工具逐层处理CT切片，手动填补椎弓根、棘突等复杂区域的孔洞并消除伪影，生成初步三维蒙版，导出为STL格式的粗糙实体模型。由于STL模型表面存在明显凹凸不平，且内部为空腔结构，易导致有限元计算应力集中，需进一步进行曲面优化与实体化处理。再将模型导入Geomagic Wrap 2021，在保持各椎骨原有空间位置的前提下，依次执行以下优化操作：①使用“重画网格”命令，设置目标边缘长度为0.6 mm，优化网格质量并删除全部边界；②通过“透明”模式检查并删除内部杂质，修补存在的破孔；③以“笔画框”选择方式识别并删除表面钉状物，随后进行局部光滑与细节打磨；④调用“网格医生”工具自动检测并修复模型缺陷，最终获得表面光顺的椎体模型。为构建内部松质骨结构，复制一份已优化的完整椎体模型。研究表明椎体皮质骨平均厚度为1 mm[20]，考虑骨质疏松症导致的皮质骨流失，将椎体模型向内偏移0. 6 mm得到松质骨模型。随后进入精确曲面阶段，进行实体化重构：①探测并手动调整轮廓线，重点刻画椎弓根、终板等力学关键区域；②构造曲面片并修理交叉路径，生成规则四边形曲面片；③构建并优化格栅结构，直至错误提示消除；④拟合为NURBS曲面并生成实体，最终以STEP格式导出整体椎体及松质骨模型。最后，在SolidWorks 2025中，将整体椎体实体与松质骨实体进行布尔减运算，得到与之精确匹配的皮质骨壳体结构，从而完成皮质骨和松质骨模型的建立。
经过测量，此模型髓核与纤维环的体积比例为46%与54%，与既往研究数据接近[21]，并对椎间盘上、下表面进行分割，厚度为0.5 mm，得到上下终板[22]。在SolidWorks 2025中建立L1-5各椎体间的关节软骨，并将建立的皮质骨、松质骨、终板、髓核及纤维环导入进行装配。最后在Workbench 2024 R2中添加弹簧，模拟前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、棘上韧带、棘间韧带、黄韧带、关节囊韧带，从而建立完整的腰椎模型。
1.5.2 置钉模型建立此次实验分为对照组、传统轨迹初始组、传统轨迹松动组、皮质骨轨迹翻修组、改良皮质骨轨迹翻修组。对照组为未置钉的骨质疏松腰椎模型，模拟腰椎正常情况下的运动性能；传统轨迹初始组、传统轨迹松动组采用直径6 mm、长45 mm 螺钉；皮质骨轨迹翻修组采用直径 4.5 mm、长35 mm螺钉；改良皮质骨轨迹翻修组采用直径4.5 mm、长45 mm螺钉。传统轨迹置钉技术选择沿椎弓根解剖轴进钉，平行于椎体终
板[23-24]。传统轨迹初始组和传统轨迹松动组置钉模型完全相同，只是螺钉骨面接触方式不同(图1A，B)。皮质骨轨迹置钉技术选择同侧上关节突中垂线与横突下1 mm交点作为进钉点，进钉方向外倾角度10°，头倾角度30°[25]。改良皮质骨轨迹置钉技术进针点相对皮质骨轨迹置钉内移 2.0-3.0 mm，头倾角度为 25°、外倾角度为 22°[7]。目前研究表明，在同一椎弓根内置入双螺钉时，皮质骨轨迹螺钉的进钉点会发生变化，并且头倾角和外倾角都较标准角度有明显减小[26-27]。所以在进行翻修时，皮质骨轨迹和改良皮质骨轨迹置钉都要进行相应调整，确保避免轨道重叠的同时，充分利用皮质骨。将腰椎模型与螺钉装配后，还要通过布尔运算生成钉道，并且以x_t格式导出，用于有限元计算(图1C，D)。材料属性参考以往有限元设置[28]，见表1。

1.5.3 边界条件和载荷设置在有限元模型网格划分中，结合椎体、椎间盘的解剖结构与力学差异分别划分网格。通过尺寸调整命令，将所有椎间盘及L4-5椎体网格尺寸设为 1 mm，保障关键区域精度，L1-3椎体设为 2 mm，实现全局效率。整体模型共生成714 550个网格和1 330 128个节点，具有较好的收敛性。根据关节突关节的运动特征，关节软骨和关节突之间设置为不分离接触，也符合临床观察中关节面不分离但可相对滑动的生理特性。为区分不同固定状态，将未松动螺钉与椎体之间的接触设置为绑定接触，而发生松动的螺钉与椎体之间接触设置为不分离接触。皮质骨、松质骨、上下终板、纤维环、髓核之间的接触设置为绑定接触。固定L5椎体下表面，并在L1椎体上表面施加 400 N 竖直向下的载荷模拟人体自重，在L1椎体上表面分别施加前屈、后伸、侧弯、轴向旋转的7.5 N·m力矩[29]，模拟腰椎各方向运动。并在L1椎体上插入柔性旋转指针，记录该指针在各加载工况下的转角变化，所测得的角度为L1-5完整腰椎的活动度。
1.6 主要观察指标 对照组、传统轨迹初始组、传统轨迹松动组、皮质骨轨迹翻修组、改良皮质骨轨迹翻修组椎体前屈、后伸、侧弯、轴向旋转时的运动范围、上邻近节段(L3-4)椎间盘应力、固定节段(L4-5)椎间盘环应力、固定节段(L4-5)椎体应力及钉棒内固定系统应力变化。

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讨论

椎弓根螺钉由于具有生物力学稳定性广泛应用于腰椎内固定手术中，但是其固定性能主要由松质骨提供，对于骨质疏松患者，螺钉在椎体的把持力会明显下降，螺钉松动不可避免[36]，因此需要重新翻修来进行加固。在去除原内固定方式的前提下，传统方法通常需要暴露和切除之前的整个伤口和所有的硬件，这将导致手术时间延长、失血量增加、术后严重疼痛，甚至有感染的风险[37]。因此考虑在同一椎弓根内存在2枚螺钉。
在脊柱外科领域，采用双椎弓根螺钉技术提升脊柱稳定性的方法，在既往研究中已被提出。近年来，人们也在腰椎邻椎病翻修手术中尝试了双螺钉技术，在减少手术创伤的同时也能获得良好的临床效果[12，38]。章仁杰等[39]也认为双螺钉技术在骨质疏松椎体固定中能提供更高的固定强度，对邻椎病翻修置钉也是一种创伤更小的选择。当下，随着影像定位系统以及数字化置钉技术的迭代升级，临床已经具备了 “见缝插针” 式精准加固松动螺钉的有利条件。也就是说，在不拆除原有内固定的前提下，通过提前规划进钉点与轨迹角度，能够实现新旧螺钉的三维交叉固定。这种保留原内固定的翻修方法，一方面，显著减少了手术给患者带来的创伤，无需大范围拆除原有固定装置，降低了手术过程中对周边正常组织的扰动；另一方面，使用不同轨迹的固定方式进行联合翻修，可以提高固定节段腰椎的稳定性。然而，其在腰椎原固定节段翻修术中的生物力学分析，长期以来鲜有报道。此次研究把改良皮质骨轨迹置钉技术与椎弓根双螺钉技术相融合，并应用于原固定节段的翻修手术中，其与既往腰椎翻修研究最大的区别是，以保留原内固定系统为基础，再次置入新的钉棒内固定系统。此次研究着重对比了改良皮质骨轨迹置钉、皮质骨轨迹置钉在双螺钉技术中应用于原固定节段翻修时的力学差异。以下，此文将从腰椎整体活动度、固定节段椎间盘应力、邻近节段椎间盘应力、椎体应力分布及钉棒系统力学性能等方面展开深入分析。
3.1 腰椎整体活动度此次研究发现内固定系统可以显著增强椎体的稳定性，与文献[40-41]结果一致。皮质骨轨迹翻修组、改良皮质骨轨迹翻修组与对照组相比所有方向活动范围均显著降低，限制脊柱活动度明显，尤其是在前屈工况下最突出；与传统轨迹松动组相比，各工况均有降低，对松动导致的活动范围增加有一定抑制；与传统轨迹初始组比各工况活动范围仅小幅降低。MATSUKAWA等[23]认为交叉轨迹技术在各个运动平面上的固定强度均优于传统轨迹和皮质骨轨迹置钉技术，该技术可能成为后路融合的有效选择，尤其适用于骨质疏松脊柱。黄帅[42]
也认为单椎弓根双螺钉模型的活动范围值低于其他内固定模型，这与此次实验结果相吻合。改良皮质骨轨迹翻修组与对照组比，各工况活动范围降幅全面优于皮质骨轨迹置钉，可能是因为改良皮质骨轨迹置钉螺钉比皮质骨轨迹螺钉更长，且改良皮质骨轨迹钉道骨CT值高于皮质骨轨迹钉道CT值[8]，故改良皮质骨轨迹置钉在翻修手术中具有更高的稳定性。MATSUKAWA
等[23]也认为较长的螺钉可以提高椎体轴向旋转的固定强度。螺钉的长度越长，其置入椎体的距离越长，可以到达中柱甚至前柱，较长的力臂可以防止椎体过度旋转和侧弯。腰椎固定的理念是放弃固定节段的活动度来提高整体的稳定性。因此尽量在短节段中进行固定，这不仅为患者保留了更多的脊柱活动度，而且还能有效减少长节段手术带来的更多的手术创伤。另外，在髋部骨折内固定交叉置钉的生物力学表明：使用双螺钉系统比单螺钉系统具有更好的生物力学稳定性[43]，对于此次研究结果也是一种间接的佐证。
3.2 邻近节段椎间盘应力长节段融合虽能提供稳定，却会加速邻近节段退变，主要因其限制活动度，导致邻近椎间盘压力升高[44]，上位邻近节段退变尤为常见[45]。因此上邻近节段的椎间盘应力也是判断内固定力学性能的一个重要指标。此次研究发现传统轨迹松动组相较于传统轨迹初始组，上邻近节段的椎间盘应力在各工况下均有增加，尤其是在前屈和侧弯工况下，说明螺钉松动后可能需要进行翻修，来减缓邻近节段椎间盘应力的继续增加。2个翻修组相较于传统轨迹松动组均有降低，说明在保留原有内固定的前提下，使用这两种技术都可以有效控制应力的激增。但是2个翻修组相较于对照组，上邻近节段的椎间盘应力却有大幅提升，这说明双螺钉翻修虽可缓解松动带来的应力恶化，却无法避免上邻近节段的椎间盘应力增加，与WU等[46]认为不同固定均会增大邻近节段应力但差异不显著的观点一致。由应力云图可以看到，4种模型的上邻近节段椎间盘应力集中部位在同种工况下的应力分布基本一致，表明固定方式对上邻近节段椎间盘应力的分布特征无显著影响。不过，改良皮质骨轨迹置钉技术相比皮质骨轨迹技术对上邻近节段的椎间盘的损伤较小，与张连鹏等[10]和阿卜杜萨拉木·托合提等[45]的研究结果类似。此次研究是在保留原内固定的前提下使用改良皮质骨轨迹置钉技术进行翻修，而张连鹏等[10]的研究是去除原内固定的翻修，这说明保留或者去除原内固定，改良皮质骨轨迹置钉技术均能减小邻近节段的椎间盘应力，减轻邻近节段退变的风险。同时在原固定节段利用不同轨迹置钉技术进行双钉翻修，避免延长固定，也会降低邻椎病风险。固定节段越长，越容易导致邻椎病[47]。这是因为较长的节段融合将负荷重新分配到更少的活动节段上，增加未融合邻近节段的机械负荷，改变了受力分布，造成生物力学超载并引发后续退变。
3.3 固定节段椎间盘应力椎间盘在日常活动中起着承载、传递和分布载荷的作用[48]，其受压会导致的髓核脱出压迫神经根、纤维环破裂等问题[49]，因此有效减压尤为重要。相比对照组，内固定组均能显著降低固定节段椎间盘应力，可能是因为内固定系统可以分担部分应力，实现椎间盘减压[28]。2个翻修组对比传统轨迹松动组固定节段椎间盘应力，后屈和轴向旋转工况降幅显著，表明翻修手术可抑制松动导致的应力激增。相较于皮质骨轨迹，改良皮质骨轨迹置钉在所有工况下应力进一步降低，力学稳定性更佳，对固定阶段椎间盘起到了良好的减压作用。可能是因为改良皮质骨轨迹置钉对腰椎进行内固定后，更大限度地限制了2个椎体间的相对运动，承载了部分应力。相较于传统轨迹初始组，2个翻修组在前屈、后屈、侧弯工况均有轻微应力增加，这与双轨迹螺钉固定模型固定节段融合器应力更大的观点相似[46]，但是增幅较小，无显著性差异。从应力分布来看，纤维环为应力主要集中区域，髓核承受应力较小，与程莹莹等[50]的研究结果一致。2个翻修组的应力集中部位无明显差异，只是相对传统轨迹松动组降低了最大应力，说明在保留原内固定基础上进行双轨迹翻修可在不影响整体应力分布的前提下实现有效减压。
3.4 固定节段椎体应力固定节段的椎体应力可以反映在经过不同轨迹置钉时，相关节段的真实应力分布情况。此次研究发现，各组固定阶段的应力均集中于椎体的皮质骨区域，这与
SANTONI等[6]的研究结果相似。有文献报道皮质骨剪切破坏强度范围为99.41-112.7 MPa[51-52]，传统轨迹松动组在固定阶段的椎体峰值应力要大于传统轨迹初始组，并且接近于皮质骨剪切强度，这表明在内固定系统发生松动后，固定节段可能会面临更多的危险发生，此时有必要重新进行内固定。在不改变原有内固定系统的基础上，2个翻修组在各组下的椎体应力均小于传统轨迹初始及松动组，且改良皮质骨轨迹翻修组的椎体应力更小，这可能表明改良皮质骨轨迹置钉翻修在椎体中的表现要优于皮质骨轨迹置钉。由应力云图可以看出，2个翻修组的椎体应力分布范围更为分散，在新的钉道和新螺钉进钉点周围也分担了部分受力。说明置入新螺钉后，原来松动螺钉的钉道内和钉道周围的皮质骨受力会出现一定程度的降低，改善固定节段椎体应力的分布。
3.5 钉棒内固定系统应力内固定系统中的最大应力是钉棒内固定系统断裂的主要原因[53]。此次研究发现，钉棒内固定系统的峰值应力均集中在螺钉与棒的界面处，这与ZHANG等[54]的报道一致。传统轨迹松动组相较于传统轨迹初始组峰值应力各工况下均有增大，尤其是在前屈和侧弯工况下，因此在椎弓根螺钉松动后原内固定系统有较高的断裂风险。从应力云图中可以看出，2个翻修组中，钉棒内固定系统应力分布相对比较均匀，尤其是在后伸、侧弯工况下，新置入的连接棒也分担了部分应力，并且翻修后的峰值应力相较于传统轨迹初始组和松动组均有显著降低。这可能是因为使用了更多不同轨迹置钉的螺钉以增加刚度，避免应力集中和钉棒断裂，与先前的研究结果一致，即应用多个螺杆可以减少植入物断裂和移植物失败[55-56]。改良皮质骨轨迹翻修组在所有工况下钉棒应力均低于皮质骨轨迹翻修组，可能是由于改良皮质骨轨迹置钉的钉道使螺钉头部穿过椎体，接触到椎体上终板附近的皮质骨，相较于皮质骨轨迹钉道更加充分地利用了皮质骨，受力更加均匀，提高了稳定性。应力云图显示在前屈、后伸工况下，改良皮质骨轨迹螺钉尖部存在一定受力，证明使用改良皮质骨轨迹置钉技术翻修，螺钉尖部分担到一部分的固定作用，进一步提高了内固定系统的固定性能。结合双螺钉与改良皮质骨轨迹技术的翻修策略，使钉棒系统的应力分布方面表现得更加均匀，峰值应力更小，既降低了钉棒断裂的风险，又提高了固定性能。
3.6 改良皮质骨轨迹螺钉的优势与不足改良皮质骨轨迹螺钉较皮质骨轨迹螺钉的进钉点向中线内移2.0–3.0 mm，置钉点周围骨皮质厚度较厚，具有更大的把持力，此外还能避免撞击关节突并减少肌肉损伤。其次与皮质骨轨迹螺钉相比，改良皮质骨轨迹螺钉除了利用椎弓根周缘的皮质骨外，长度要还能够穿过椎体到达上终板外侧缘皮质骨处，使螺钉螺纹与椎弓根通道内密度更高的皮质骨发生更大面积的接触。相关研究表明，改良皮质骨轨迹螺钉的抗拔出力优于皮质骨轨迹螺钉，比传统的椎弓根螺钉高出21%，使其尤其适用于骨质疏松患者[57]。同时，改良皮质骨轨迹螺钉也存在一定的局限性：该技术对操作精度要求较高；手术依赖影像导航或导板以实现理想钉道规划；不适用于椎弓根严重狭窄或存在结构性破坏的病例。
3.7 此次研究的局限和展望
此次研究存在一定局限性：一是仅建立了单一标本腰椎模型，未能涵盖不同年龄、骨密度差异的多样性特征；二是模型未考虑骶骨、骨盆及附近肌群，难以完全模拟人体脊柱的整体生物力学性能；三是仅分析静态工况下的力学特征，未涉及动态运动中的载荷变化及长期疲劳效应。
未来研究可从三方面推进：其一，扩大样本量，纳入不同骨密度、年龄及退变程度的腰椎数据，让结果更具普适性；其二，引入腰背部肌肉附着点及力传导参数，结合骶骨-骨盆结构，更真实地模拟腰椎在生理活动中的受力情况；其三，开展动态力学分析，模拟日常活动(如弯腰、转身)中的瞬时载荷及长期循环载荷，探究内固定系统的疲劳寿命与松动风险。此外，需重点优化螺钉设计，基于改良皮质骨轨迹钉道特性，可采用或设计变径螺钉以增加皮质骨接触面积、优化螺纹角度提升把持力；结合术前CT扫描及有限元分析，定制个体化螺钉，减少骨-钉界面应力集中。最终，通过动物实验验证双螺钉交叉固定的长期稳定性，并结合术中CT导航、3D导航模板、机器人辅助置钉技术，推动该技术从生物力学研究向临床转化，为骨质疏松患者腰椎翻修提供更可靠的解决方案。
3.8 结论此次研究通过有限元分析，初步探究了皮质骨轨迹和改良皮质骨轨迹置钉内固定系统在使用椎弓根双螺钉技术时对传统轨迹固定失败的骨质疏松患者腰椎进行翻修的固定性能。结果表明，两者都可以有效抑制因传统轨迹置钉松动而导致的活动度过大以及应力激增情况，在维持脊柱稳定性方面都展现出一定成效。但是改良皮质骨轨迹置钉技术在多个方面表现更为突出，在椎间盘减压方面，能够更合理地调整固定节段椎间盘周边的力学分布，有助于椎间盘功能的保护与恢复；在椎体应力分散上，可将应力更均匀地分布于椎体不同区域，避免局部应力集中引发椎体损伤；在钉棒系统负荷优化中，能有效降低钉棒系统所承受的负荷，提升内固定系统的安全性与稳定性。因此在保留原内固定方式的前提下，利用皮质骨轨迹置钉和改良皮质骨轨迹置钉在腰椎原固定节段进行翻修术均能有效提升力学稳定性，且改良皮质骨轨迹置钉的表现不逊于皮质骨轨迹置钉。此次研究为改良皮质骨轨迹与皮质骨轨迹置钉技术在骨质疏松患者腰椎双螺钉翻修手术中的临床应用提供了一定的参考价值和理论依据。

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

新型双螺钉在腰椎原固定节段翻修中生物力学性能的有限元分析

Finite element analysis of biomechanical performance of a novel double-screw technique in lumbar revision of the original fixed segment

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