脊柱胸腰段钉棒系统后外侧前后一体内固定的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.40.023

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前脊柱胸腰段内固定方法均有优缺点，希望探索一种新的内固定方案，使脊柱有效固定的同时，可更安全、方便的进行其他操作。

目的：建立脊柱胸腰段(T₁₂-L₂)三维有限元模型，观察钉棒系统后外侧前后一体内固定对胸腰段稳定性的影响。

方法：基于人正常T₁₂-L₂节段的 CT 扫描数据，利用 Geomagic 11.0、Ug 7.0、Hypermesh 10.0、Abaqus 6.9.1软件建立T₁₂-L₂节段三维有限元模型，并在此基础上分别建立钉棒系统后路固定、前路固定、后外侧前后一体内固定模型，在T₁₂上表面施加 500 N预载荷，再施加 7.5 N•m的力矩，模拟胸腰段前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转等生理活动，观察不同工况下内固定节段的平均刚度。

结果与结论：3种内固定模型在不同工况下的平均刚度均较正常模型的平均刚度高。在前屈、左右侧屈、左右扭转等不同工况下，后外侧钉棒系统前后一体固定的平均刚度均高于单纯后路固定，平均刚度分别较后路固定高13%，28%，11%，17%和9%，后伸时平均刚度低于后路固定，比后路固定低6%。但与前路相比，后外侧钉棒系统前后一体内固定在前屈、左右侧弯3种工况下的平均刚度低于前路固定，平均刚度分别比固定低15%，10%和14%，而在后伸、左右扭转情况下平均刚度高于前路固定，分别比前路固定高5%，12%和2%。提示后外侧钉棒系统前后一体内固定能够明显提高固定节段的稳定性，在抗后伸及左右扭转方面的稳定性略好于前路固定，而在抗前屈、左右侧弯、左右扭转方面略好于后路固定，因此可作为一种可选的内固定方法。

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

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关键词: 植入物, 数字化骨科, 钉棒系统, 胸腰段, 有限元模型, 前后一体内固定, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: Currently thoracolumbar fixation techniques have its advantages and disadvantages, it is necessary to explore a new internal fixation to fix the spine effectively and conveniently.

OBJECTIVE: To establish thoracolumbar (T₁₂-L₂) three-dimensional finite element model and observe the effect of anteroposterior integration fixation by posterolateral nail-stick system on thoracolumbar stability.

METHODS: Based on the CT scan data of normal human T₁₂-L₂ segments, we used Geomagic 11.0, Ug 7.0, Hypermesh 10.0, Abaqus 6.9.1 software to establish a three-dimensional finite element model of T₁₂-L₂ segments. Subsequently we established nail-stick system posterior fixation, anterior fixation, posterolateral anteroposterior integration fixation model. T₁₂ segment was given 500 N preload and 7.5 N·m torque, to simulate thoracolumbar flexion, extension, lateral bending and rotation. The average rigidity of fixed segments under different conditions were observed.

RESULTS AND CONCLUSION: Three fixation models showed a higher average rigidity than normal model under different conditions. The average rigidity in anteroposterior integration fixation by posterolateral nail-stick system was increased by 13%, 28%, 11%, 17% and 9%, compared with simple posterior fixation under the conditions such as anterior flexion, lateral bending and lateral rotation, respectively. Under the posterior extension, the average rigidity was reduced by 6% than the posterior fixation. Compared with the anterior fixation, the average rigidity in anteroposterior integration fixation by posterolateral nail-stick system was reduced by 15%, 10%, and 14% under the conditions of anterior flexion and lateral bending. While the average rigidity was higher than anterior flexion under the posterior extension and lateral rotation, increasing 5%, 12% and 2%. The anteroposterior integration fixation by posterolateral nail-stick system can improve the stability of fixed segments, and the stability is higher than anterior fixation at posterior extension and lateral rotation, while higher than posterior fixation in anterior flexion, lateral bending and lateral rotation. So it is a potential fixation method.

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Key words: internal fixators, spine, finite element model, biomechanics

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 2

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引言

据统计，脊柱胸腰段骨折约占脊柱全部骨折的2/3以上，且常累及脊柱前中柱，从而造成脊柱不稳、脊髓或神经损伤等，已成为导致严重残疾的最常见原因^[1]。骨折后椎管受压，外力继续作用于脊髓神经，是阻碍神经功能恢复的一个重要因素，必须尽早解除对脊髓的压迫，整复固定重建脊柱的稳定性，为脊髓神经恢复创造条件。后路手术解剖较简单，创伤小，出血少，操作较容易，适用于大多数脊柱骨折，对椎管前方压迫小于50%的骨折，通过后路整复，可使骨块达到满意的间接复位，但对椎管前方压迫超过50%的病例，间接复位效果不满意，经后路前减压因减压存在盲区，不能直视操作，风险巨大，对这类病例，仅通过后路手术对脊髓前方压迫解除常不彻底，往往需前路手术^[2-4]。但前路手术无论是钉板还是钉棒固定系统均具有手术创伤大、手术操作困难、并发症多等缺点^[5]。

有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，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；用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。而以三维有限元为首的生物力学分析技术，因为其操作的简单性，数据可靠，在骨科中得到了推广，应用范围日益广泛，在骨的结构分析、骨折的力学发生机制，以及骨折固定系统的力学分析中得到广泛重视，为骨科疾病的诊断治疗提供更先进的技术支持，已成为常规生物力学分析之外一个重要的检查手段。

课题组设计了胸腰椎后外侧钉棒系统前后一体内固定手术方式，初步应用于胸腰椎疾病的患者，并取得了较好的疗效^[6]。该试验用有限元分析的方法，从生物力学的角度对该技术进行客观评价，为进一步使用及推广该技术提供理论依据。

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材料方法

设计：有限元分析，对比观察试验。

时间及地点：于2013年1至6月在上海伤骨科研究所完成。

对象：选1名健康男性志愿者为研究对象(来自解放军第101医院骨科)，年龄27岁，身高172 cm，体质量68 kg，X射线检查排除脊柱病变。

方法：

三维有限元模型的建立：64排螺旋CT从志愿者T₁₂-L₂进行连续扫描，扫描参数：层厚为1.0 mm，球管电流 200 mA，电压120 kV。各断层图像以Dicom 3.0格式读入Mimics 10.01软件，通过区域选取、阈值分割、蒙罩编辑等功能提取T₁₂-L₂各椎骨骨骼图像，并建立STL三角网格模型，然后导入Geomagic 11.0进行修补、优化等操作，建立三维曲面模型^[7]。运用UG 7.0对曲面缝合生成实体模型，然后导入Hypermesh 10.0划分网格，并在骨性结构的基础上创建椎间盘、韧带等结构。最后导入有限元分析软件Abaqus 6.9.1，参考相关文献[8-11]设置椎骨、椎间盘及韧带等各结构的材料属性(表1)；将上、下小关节面间设置为面对面接触，摩擦因数为0.2；最终生成T₁₂-L₂的完整有限元模型。

内固定模型的建立：应用UG 7.0创建钉棒系统，根据手术实际情况，调整螺钉位置模拟前路固定、后路固定及后外侧前后一体固定3种手术情况，并行布尔运算，模拟螺钉内置物拧入骨骼后的钉道，螺钉与棒连为一体。后路固定模型(4钉2棒)，在伤椎上下椎弓根各置入1枚螺钉，同侧上下螺钉用连接棒连接；前路固定在伤椎同侧上下椎体前后各置入1枚螺钉，上下螺钉用连接棒连接；后外侧前后一体固定模型中，椎体螺钉进钉部位为椎弓根前下方椎体的外侧，螺钉与与椎体后壁成15°角置入，椎体螺钉与椎弓根螺钉约60°成角，椎体、椎弓根连接棒间用连杆连接(图1)。

边界条件和加载方式：固定L₂椎体下表面，在T₁₂椎体上表面施加载荷，压力方向垂直向下，大小500 N，均匀分布在整个T₁₂椎体的上终板。在垂直加载500 N的同时，于T₁₂椎体上表面施加7.5 N•m的运动附加力。在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6种工况下进行计算。

主要观察指标：测量胸腰椎活动范围，用T₁₂-L₂节段角位移表示，将T₁₂椎体上表面最前点、最后点、最左点、最右点共4点的空间位置坐标连接成线，各线间夹角代表相邻两椎体上表面间的夹角。加载前后此夹角差值的绝对值即为各运动节段角位移。通过计算得出平均刚度，比较完整模型、后路固定、前路固定及后外侧前后一体固定4种模型在不同工况下的平均刚度。

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讨论

3.1 脊柱胸腰段后外侧前后一体固定的意义 目前，临床上对于脊柱胸腰段爆裂性骨折常使用前路、后路或前后路联合固定。后路短节段椎弓根螺钉固定，该方法操作简单，避免了前路手术易于损伤腹部血管及腹腔脏器的可能，术后并发症少，利于术后康复^[15]。但长期的临床随访发现，后路固定具有内固定装置容易失败，复位丢失以及再次出现后凸畸形等缺点，并且后路往往减压不彻底，经后路前减压存在盲区，不能直视操作，可能会残留神经症状^[16]。前路固定及前后路联合固定均具有手术创伤大，手术时间长，手术出血多，操作困难等缺点。且前路固定、后路固定及前后路联合固定哪种手术方式疗效确切，目前仍存争议^[17]。

脊柱胸腰段后外侧钉棒系统前后一体固定技术，采用后外侧入路，实现了同一切口椎弓根钉及椎体钉的一体内固定，具有明显的优势：①胸腰段后外侧纵行切口，手术入路成熟，经肌间隙进入，创伤小、出血少，操作方便。②椎体钉及椎弓根螺钉置钉的方向均偏向前，进钉点靠后，因此置钉容易，无需过度牵拉而造成神经的损伤。③先将后方的2枚椎弓根螺钉用预弯的连接棒撑开固定，再行椎体减压，既安全可靠，又使植骨、钛网等融合器的安装更容易。④椎体从后外侧行椎管减压、病灶清除，具有近似于前路减压的作用。⑤由于两组钉分别位于椎体的侧方和后方，便于矫正脊柱的侧凸和后凸畸形。手术操作注意事项：①置入椎弓根螺钉时，术者可直视椎弓根外侧壁及上下缘下选择置钉角度；置入侧方椎体钉时应沿椎弓根外下方的椎体上与椎体后缘成10°-15°角打入，使同一椎体内的两枚螺钉成60°-70°角。②椎体钉置入时，钉尾部与椎体侧壁预留一定空间，保证安装纵向连接杆后不致压迫神经根。③置入4枚螺钉后，需根据节段椎体是否存在侧弯、后凸等畸形，通过预弯纵向连接棒予以矫正。④置钉和减压时应将神经根及其返支牵开保护，避免损伤；减压过程中，需避免损伤椎管内硬膜囊及神经组织。另外，切除肋骨时需避免损伤胸膜、侵入胸腔，以免发生血气胸、肺不张、肺部感染等；椎体钉打入的角度应严格把握，角度过大穿透椎体损伤大血管(胸、腹主动脉、腔静脉等)的危险，角度过小进入椎管，损伤脊髓神经的风险^[18]。本课题组使用该技术治疗脊柱胸腰椎病变，并进行短期随访，在疼痛缓解、后凸畸形矫正、术后神经功能恢复等方面均具有较好的疗效，且断钉、内置物松动等并发症少。因此，该技术应是一种可行的手术方式。

3.2 脊柱后外侧前后一体固定的生物力学评价 胸腰段爆裂性骨折通常需要减压融合内固定。固定的目的是为了使植骨或融合器能够获得坚强融合以提供融合节段的稳定性。如果内固定强度不够或失败，就会导致螺钉的松动、断裂和假关节形成；如果固定强度过大，又会导致邻近节段应力集中，加速邻近节段的退变。体外生物力学实验证实，与后路固定相比，前路固定能够获得较高的刚度^[19-20]。农鲁明等^[21]比较前路、后路及前后路联合3种手术方式治疗腰椎不稳性骨折，认为不同工况下前路固定在后伸时位移大于后路，而在前屈、左右侧弯、左右扭转等工况下位移小于后路固定，但前后路联合固定位移明显小于前路和后路固定。Park等^[22]用有限元分析的方法分析中柱减压与否及不同内固定对胸腰段生物力学的影响，其研究结果中，中柱非减压情况下，在前屈、左侧弯两种工况下后路固定平均刚度高于前路固定，而在后伸、右侧弯、左右扭转4种工况下，前路固定平均刚度高于后路固定。本试验亦显示在前屈、左右侧弯、左右扭转等不同工况下，前路固定的刚度亦高于后路固定，而在后伸时后路平均刚度高于前路。

前路、后路或前后路联合治疗胸腰段爆裂性骨折，哪种方式效果确切，目前仍有争议。本课题组设计的后外侧钉棒系统前后一体固定治疗脊柱胸腰椎病变，取得了初步的疗效。作者认为，在前屈、左右侧弯、左右扭转等不同工况下，后外侧钉棒系统前后一体固定的平均刚度均高于单纯后路固定，后伸时平均刚度低于后路固定；但与前路相比，后外侧钉棒系统前后一体固定在前屈、左右侧弯3种工况下的平均刚度低于前路固定，而在后伸、左右扭转情况下平均刚度高于前路固定。总之，后外侧钉棒系统前后一体固定能够明显提高固定节段的稳定性，在抗后伸及左右扭转方面的稳定性略好于前路固定技术，而在抗前屈、左右侧弯、左右扭转略好于后路固定，因此，后外侧钉棒系统前后一体固定技术具有一定的优势，在胸腰段手术方面可作为一种可选的固定方法。

3.3 本试验存在的不足 有限元法分析脊柱的生物力学具有许多优势，但有限元法仍不能完全仿真人体生物力学。所建立的胸腰段有限元模型的材料属性比较简单，各材料均模拟为单相，事实人体各材料为双相甚至多相，所以材料多相性是需待解决的问题；本试验未考虑肌肉的影响，所得结果对实际人体有一定的差异；为减少干扰因素，未模拟爆裂性骨者减压融合情况下的固定，只单纯研究固定装置对胸腰段的影响。因此试验结果只代表一种趋势，并非精确数值。

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