脊柱结核病灶清除术中单节段短椎弓根钉固定的三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1401

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

有限元分析：是一种在工程力学领域常用的、高效能的数值计算方法。它将待研究对象通过计算机相关软件进行数值分割、离散，建立仿真环境中计算机数据模型，进而模拟研究内容，赋力学参数(如结构的平衡、压力、扭力及抗破坏性)等数值于模型，检测数据仿真模型的力学效能，目前广泛应运于军事、建筑、医学等领域。

有限元分析的优势：与传统的生物力学研究相比，有限元分析法具有省时快捷、费用低廉、应用面广、适应性强、无损耗等优势。

摘要

背景：脊柱结核手术治疗中使用单节段短椎弓根钉的方法已经在临床工作中运用，并取得满意的疗效，但这种固定方法的生物力学效能是否可靠，尚未得到理论研究证实。已有的研究虽证实短椎弓根钉能达到可靠的固定效果，但其研究方法局限于动物骨骼体外模拟实验，不能真实反映人体脊柱的生物力学特性。

目的：建立T₁₂-L₃脊柱结核病灶彻底清除术后单节段、短椎弓根钉固定的三维有限元模型，对模型进行力学分析，验证此种固定方式维持脊柱的稳定性。

方法：选择1例成年健康的男性志愿者，无脊柱疾病史，CT对脊柱行层厚1 mm的连续扫描，导出图像文件数据，以DICOM格式保存。运用Mimics 20.0，Geomagic Studio，Pro/E 5.0软件完成建立3种脊柱椎弓根钉固定模型，运用Abaqus软件进行有限元分析，在模型椎体上端上缘施加500 N的轴向垂直压力；在同一受力点上施加10 Nm大小的力矩，使椎体做前屈、后伸、左右侧弯及旋转运动，观察测量轴向位移及最大偏转角度。

结果与结论：对3种模型施加同样的荷载及边界条件，结果显示：①附加内固定的模型与正常椎体模型之间的结果无显著性差异；②在轴向位移方面，单节段短钉与正常椎体模型相差不到10%；③在最大偏转角度方面：后伸状态下两模型数据相差最大，单节段模型比正常模型大18%；④跨节段长钉固定模型无论在轴向位移还是在最大偏转角度上均低于正常椎体模型；⑤此2种内固定模型之间相比，单节段短钉模型轴向位移比跨节段长钉模型大16%，在最大偏转角度上后伸状态下两种固定模型的相差最大，单节段固定比跨节段多38%，其他状态下数据相差均较小，将2种固定模型行统计学检验，结果比较无显著性差异；⑥结果证实，单节段短椎弓根钉的固定方式能够达到可靠的生物力学效能，能维持脊柱结核病灶彻底清除术后脊柱的即刻稳定性。

ORCID: 0000-0003-3574-4248(李翔)

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: 脊柱结核, 彻底病灶清除术, 单节段固定, 跨节段固定, 短椎弓根钉, 长椎弓根钉, 有限元, 生物力学, 轴向最大位移, 最大偏转角度

Abstract:

BACKGROUND: Single-segment short pedicle screw has been applied in the surgical treatment of spinal tuberculosis in clinical practice and achieves satisfactory efficacy, but whether the biomechanical efficacy of this fixation method is reliable remains unclear. Although existing studies have proven that short pedicle screw can achieve reliable fixation effect, its research method is limited to animal bone in vitro simulation experiment, and cannot truly reflect the biomechanical characteristics of human spine.

OBJECTIVE: To establish the three-dimensional finite element model of single-segment short pedicle screw fixation after the complete removal of T₁₂-L₃ spinal tuberculosis foci, and to undergo the mechanical analysis, thereby verifying its spinal stability.

METHODS: One healthy adult male volunteer with no history of spinal disease was selected. CT scanning of the 1 mm thick intervertebral layer was performed continuously, and the image data were derived and saved in DICOM format. Mimics 20.0, Geomagic Studio, and Pro/E 5.0 software were used to establish three pedicle screw fixation models of the spine. Finite element analysis was performed using Abaqus software. A torque of 10 Nm was applied at the same stress point to make the vertebral body bend forward, extend backward, bend left and right side and rotate, and the axial displacement and the maximum deflection angle were measured.

RESULTS AND CONCLUSION: Applying the same load and boundary conditions to the three models, the results showed that: (1) There was no significant difference between the results of the model with additional internal fixation and the normal vertebral body model. (2) In terms of axial displacement, the single-segment short screw was less than 10% different from the normal vertebral body model. (3) In terms of the maximum deflection angle, the data of the two models were the most different in the post-extension state, and the single-segment model was 18% larger than the normal model. (4) The cross-segment screw fixation model was lower than the normal vertebral body model in both axial displacement and maximum deflection angle. (5) Compared between two kinds of internal fixation model, single-segment short nail model axial displacement was 16% larger than cross section long nail model. The difference between the two fixed models is the greatest at the maximum deflection angle and the backward extension state. The single-segment fixation was 38% more than cross section, and the difference of data in other states was small. The results of the two fixed line model statistical tests showed no significant difference. (6) These results indicate that the fixation method of single-segment short pedicle screw can achieve reliable biomechanical efficiency and maintain the immediate stability of the spine after the complete removal of the tuberculosis focus in the spine.

Key words: spine tuberculosis, complete removal of the focus, single-segment fixation, trans-segment fixation, short pedicle screw, long pedicle screw, finite element, biomechanics, maximal axial displacement, maximum deflection angle

中图分类号:

R459.9|R681|R318

李翔，司建炜. 脊柱结核病灶清除术中单节段短椎弓根钉固定的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(28): 4552-4557.

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图/表（结果） 3

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引言

脊柱结核占骨与关节结核发病总数的50%，发病人群多见于青壮年，发病部位多位于腰椎及胸腰段椎体^[1]。在脊柱结核的外科治疗过程中，清除病灶后用内固定稳定脊柱，在临床工作中已广泛应用。脊柱结核椎体的破坏，病椎上置钉可能不能达到有效的生物力学效能，因此往往跨越病灶节段进行固定。但由于固定节段过长，则损失了正常的脊柱活动单元，限制了脊柱的正常运动功能，加速临近节段退变，增加了手术时间、出血量及医疗费用支出^[2-3]。由于脊柱结核病灶多局限于椎体前、中柱及椎间盘组织，椎体后柱及后方结构往往完整，在这种情况下选择单节段+短椎弓根钉(仅固定到椎弓根，不进入椎体病灶)的方法应运而生。这种固定方式虽然保留了更多的脊柱运动单元，减少了手术创伤，但脊柱结核病灶彻底清除后能否达到脊柱即刻稳定性和远期的生物力学效能，情况不得而知。试验选择合适的患者采用这种固定方式，临床观察与随访，取得了中、远期满意的效果^[4]。同时也进行了相关的生物力学研究，证实了单节段+短椎弓根钉的固定方式生物力学效应能够维持术后脊柱即刻的稳定性^[5]。但该研究局限于动物、尸体骨骼体外力学模拟研究，所得结果不能令人信服。

有限元方法(finite element method，FEM)，简称有限元，是一种在工程力学领域常用的、高效能的数值计算方法，现阶段在医学领域被广泛应运，尤其在脊柱生物力学研究方面，有限元方法的试验效率和可靠性得到普遍认可。与传统的生物力学研究相比，有限元分析法具有省时快捷、费用低廉、应用面广、适应性强及无损耗等优势^[6-7]。

试验运用在人体生物力学领域较为前沿的三维有限元方法，首次建立了单节段短钉、跨节段长钉以及正常脊柱椎体(T₁₂-L₃)共3种有限元模型；其次通过对3种模型进行有限元分析，测试了单节段并短椎弓根钉固定在脊柱结核手术中的生物力学特性，并能够对术后脊柱产生的稳定性，进一步肯定了单节段短椎弓根钉固定方法的临床意义。

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 有限元分析，对比观察试验。

1.2 时间及地点 于2018年3月在宁夏医科大学总医院完成。

1.3 对象 纳入1例来自宁夏医科大学总医院的成年健康男性志愿者，无脊柱疾病史。

1.4 方法

1.4.1 正常椎体模型的建立使用CT对志愿者脊柱胸腰椎节段进行层厚1 mm的连续扫描，导出图像文件，应用Mimics 20.0软件中的软件读取文件；分割阈值：设定合适的阈值，将低于阈值的图像部分去除，保留研究所需要的椎体骨质，建立初步的模型；区域增长：把图像中相同或者相似对比度的元素集合、合并到统一区域，得到更加干净的图像；图像分割：为了减少髂骨及肋骨对试验结果的影响，利用Mimics软件中Erase功能，去除肋骨及髂骨的像素，生成脊柱的图像模型；生成STL文件，进行Fill Holes(填充孔)、Defeature(去除特征)及Reduce Noise(降噪)等处理，进一步加工处理图像。

1.4.2 钉棒系统模型的建立根据内固定具体参数(山东威高公司SINO脊柱通用钛合金内固定系统：短椎弓根钉直径6.5 mm，长度25.0 mm，长椎弓根钉直径6.5 mm，长度45.0 mm)在Mimics软件中建立内固定系统模型，见表1。

1.4.5 施加荷载及设定边界条件设定L₃椎体下缘为边界条件，在L₃椎体下缘选取参考点，设定L₃椎体以下的脊柱节段的活动度为零。对于研究模型，在T₁₂椎体上缘施加500 N的轴向垂直压力；在T₁₂椎体同一受力点上施加 10 Nm大小的力矩，使椎体做前屈、后伸、左右侧弯及旋转运动。

对各接触面进行定义，依据相关文献的报道^[11]，将正常椎体模型，椎体与椎间盘的关系设定为绑定，椎体与小关节之间设定为光滑连接，摩擦力设定为0.1，荷载附加的受力点与椎体之间的关系设定为耦合。因为椎体病灶清除后加入了自体髂骨支撑植骨，替代了椎间盘的作用，所以试验将椎体与融合骨的关系设定为绑定。

1.4.6 数值测量方法测量模型在500 N垂直压力下椎体的轴向位移，以及10 Nm大小的力矩下椎体在前屈、后伸、侧弯、旋转状态下转动平面上的最大偏转角度。

1.5 主要观察指标 模型参考点在轴向负荷下的最大位移以及力矩作用下参考点在水平面的最大偏转角度。

1.6 数据分析 参考国内相似文献，其数据分析方法一般是：首先进行与人体脊柱的体外试验数据进行有效性验证，因为每种模型的数据有一组，所以只能组间对比，组间采用等效性对比研究。

讨论

3.1 T₁₂-L₃节段彻底病灶清除术后模型的建立 有限元分析在脊柱生物力学领域的应用：三维有限元分析在脊柱生物力学领域发展至今，技术运用方面十分成熟，主要集中在全脊柱模型、局部模型、正常模型和病理模型4个方向。全脊柱模型多应用于研究人体与外界的交互过程；局部模型则可以针对性的反映脊柱不同节段的力学特性；正常模型有助于了解脊柱在不同外力状况下的生物力学变化，为病变的预防提供合理参考；病理模型则可以准确地反映异常部位的力学机制，通过模拟不同治疗手段来探究其效果，为病变的治疗提供理论依据^[12]。正是由于三维有限元分析具有传统生物力学分析不可替代的优势，试验运用该方法建立脊柱正常和病理模型，分析脊柱在不同状态下受力情况，进而验证实际工作中所采用的创新内固定方法的可行性和有效性。

研究脊柱节段的选择：脊柱结核好发于腰椎及胸腰椎，脊柱胸腰段向上连接活动度相对较小的胸椎，向下连接活动较大的腰椎，故而胸腰段是应力最集中的区域，而且脊柱序列在T₁₀-L₂节段的矢状位排列是笔直的，这就使该段的椎体受到外力时，其自身的缓冲能力很小^[13-14]。所以试验选择建立T₁₂-L₂节段模型，进行三维有限元分析，具有代表性。对于不同的脊柱结核的患者，结核病灶破坏椎体的部位、范围及有无寒性脓肿等情况是各不相同的，因此脊柱结核外科手术治疗方式具有多样化、具体化、个体化的优点，但使用内固定维持脊柱稳定性、纠正畸形，国内外学者都得到了统一的认可^[15-17]。

试验中首先建立正常脊柱胸腰段模型和椎弓根钉-棒固定系统，在此基础上模拟脊柱结核后前路手术建立模型：后路行椎弓根钉、棒固定及前路彻底清除结核病灶，包括死骨、硬化骨及干酪样坏死组织和脓液，缺损部位取髂骨支撑植骨。如结核病变仅侵及单一脊柱节段，前路病灶清除后椎体高度还可以保留1/3，可牢靠的行自体髂骨支撑植骨，临床上试验采用单节段加短椎弓根钉的固定方式，并以此建模；另一种模型是临床上所采用的最常见的跨节段的标准长度的椎弓根钉、棒固定模型。对3种模型加以垂直、侧向载荷，测试脊柱胸腰段模型及术后模型的侧弯、屈曲、背伸、扭转的最大偏转角度，比较3者间的差异，进而验证单节段短椎弓根固定的有效性^[18-19]。

3.2 内固定模型的应力分析 在复合了钉棒内固定系统的2种脊柱胸腰段模型上，附加垂直方向500 N荷载，对前屈、后伸等6种运动状态下附加10 Nm的力矩，产生2种钉棒固定装置的应力云图。结果发现：短椎弓根钉的钉道、螺纹上有大量的应力分布，而且分别给短椎弓根钉、标准长度椎弓根钉的钉尾施加一大小为1 000 N的外力时，2种椎弓根钉沿力传导方向上的位移分别为0.010 3 mm和0.009 5 mm，其位移的差别几乎可以忽略不计，说明短椎弓根钉在面对附加于椎体上的各种负载时，同样产生了较强的对抗力，具有同样满意的抗拔除力，与标准长度椎弓根钉相比并无差异。脊柱在前屈、后伸、左右侧弯的状态下，椎体与椎弓根钉的连接处、椎弓根钉与连接棒的交界处的应力最集中，而国内外文献报道中，80%的断钉位置就在钉尾与钉棒的交界处，这也侧面印证了试验数据的真实性。与此同时，对于2种内固定模型之间进行比较，发现单节段的应力云图中，钉棒系统上的应力集中程度与跨节段固定模型相比较轻。对于这一现象，试验认为单节段固定范围小，手术过程中破坏的正常椎体、椎间盘及相应的韧带软组织结构少，当椎体受到外力时，正常的椎体结构可以分担一部分外界压力；而跨节段固定中，其固定节段较长，手术破坏程度较大，外界的压力大部分由钉棒系统所承载，应力也就比较集中，所以单节段固定术后断钉发生率也低，这与临床上长节段固定更容易发生断钉、断棒现象相吻合^[20-21]。

3.3 不同固定节段模型之间的对比 单节段短钉与正常椎体模型之间比较：通过测量单节段、跨节段与正常胸腰段脊柱模型在侧弯、屈曲、背伸、扭转情况。研究发现：对于正常脊柱胸腰段模型，其椎体在轴向的负载下垂直位移是0.056 4 mm、不同运动状态尤其是前屈和后伸下椎体的最大偏转角度为0.268 7°和0.295 6°；单节段模型椎体轴向位移0.061 5 mm，跨节段固定模型椎体轴向位移 0.053 2 mm，旋转状态下最大偏转角度单节段为 0.322 5°，短节段为0.276 8°。实验分别对测量数据进行等效性对比，结果无显著差异，说明不论单节段固定还是跨节段固定，术后脊柱可以获得牢靠的固定作用和即刻的稳定性，进一步证实了实践中试验使用单节段短椎弓根钉的固定方式治疗脊柱结核取得满意的临床效果。

单节段短钉与跨节段长钉2种模型之间的对比：再次对两种术后模型施加500 N轴向压力及10 Nm作用力，检测模型侧弯、屈曲、背伸及扭转变化情况。对测量的数据对比分析：轴向位移方面，单节段短椎弓根钉模型比跨节段标准长度椎弓根钉模型高15%，在椎体前屈、后伸、侧弯及旋转状态下，单节段短椎弓根钉模型分别比跨节段标准长度椎弓根钉高27%，38%，28%，16%，说明单节段短椎弓根钉模型的稳定性低于跨节段标准长度椎弓根钉模型。实验发现：单节段短椎弓根钉的固定方式虽然稳定性低于跨节段标准长度椎弓根钉的固定方式，但短椎弓根钉抗拔力相同于标准长度椎弓根钉，对于脊柱手术后依旧可以获得牢靠的固定作用和即刻的稳定性，并且椎体与椎弓根钉的连接处、椎弓根钉与连接棒的交界处应力较小，断钉及断棒的发生率低。大量国内外文献报道了较长节段固定融合对脊柱功能康复的影响。楚野等^[22]认为：手术过程中若固定融合节段越长，对邻近节段小关节和后方稳定结构破坏程度越大，导致脊柱正常的生理前曲变小，矢状面失衡，加速了邻近节段退变的发生。Christiansen等^[23]研究表明融合节段的延长增加了伤口暴露、延长手术时间，是术后发生感染的相关危险因素。Smith等^[24]在术后随访中发现，脊柱固定节段越长，假关节形成及内固定失败等远期并发症的发生率越高。

为了减少固定节段的长度，释放更多正常的脊柱运动单元，减少椎体邻近节段的退变、术后腰背部僵直、轴性疼痛等术后并发症的发生，很多学者为此做出了尝试。1994年Wawro在脊柱骨折的治疗中首次提出了单节段固定的概念，而后宁夏医科大学总医院脊柱骨科对200多例脊柱结核患者进行了单节段融合固定治疗的临床研究，并自主设计了短椎弓根钉对一些有条件进行单节段融合固定的脊柱结核病例进行了手术治疗，在中、远期随访中，取得了较为满意的临床疗效。同时国内外学者将单节段短椎弓根钉技术运用于临床中，术后随访效果同样满意^[25-26]。随着对脊柱运动单元理念认识的不断加深，对于单节段短椎弓根钉固定方式具有的手术创伤小、手术费用低及邻椎病发生率低的优势，以及临床治疗效果已得到学者们认可^[27-28]。同时有关的生物力学研究表明单节段短椎弓根钉固定可以对术后的脊柱产生即刻的稳定性^[29-30]。

3.4 试验的不足之处 虽然三维有限元分析已在众多领域被广泛运用，但计算机仿真建模的过程中，信息采集、数据转化、模型后期处理等操作步骤均可能导致误差的发生，并且人体脊柱骨骼系统结构复杂，仿真建立的模型不能模拟全部的组织结构，所以试验仍可进一步加深和完善。

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