髂骨单钉与双钉钛笼固定修复重建腰骶部缺损的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.39.013

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

髂骨钉技术：作为改良Galveston技术，置钉区域是从髂骨的髂后上棘到髂前上棘之间宽阔区域，置钉容易，操作简便，省去了复杂的弯棒操作。髂骨单钉技术用于骶骨肿瘤切除、腰骶部结核、严重腰骶部外伤不稳时重建腰骶部的稳定性，取得了良好的效果，但在病变范围较大时，髂骨钉断裂的报道也不少见。于是对髂骨单钉的改进包括采用髂骨双钉，添加前路以及横向的支撑物等。这些改进措施可有效降低髂骨钉固定时的应力，提高手术成功率。

腰骶部内固定技术：主要包括前路的支撑和后路的固定技术。腰骶部前柱支撑物可以有效提高腰骶部的稳定性，降低屈伸活动中S₁椎弓根螺钉及髂骨螺钉的应力。采用轴向的前柱支撑物可以提供与髂骨钉相当的腰骶关节的稳定性，腰骶前路钢板可以显著的增加腰骶部的稳定性，但是腰骶部前路手术周围血管神经多，操作空间有限，术后并发症多，所以目前多采用经后路放置前路支撑物的方法。

摘要

背景：严重腰骶部缺损及不稳如何进行稳定性重建是很有挑战性的问题。目前有多种技术来重建腰骶部稳定性，但内固定松动、断裂、假关节形成等不少见。

目的：有限元法分析2种腰骶部重建方式的稳定性以及内固定系统的应力分布。

方法：采用64排螺旋CT自L₁-骨盆水平薄层扫描的数据导入到Mimics 15.0医学图像处理软件中，构建三维表面模型，再导入SolidWorks 逆向工程软件建立实体模型。用Solidworks软件构建L₃_，₄椎弓根螺钉联合髂骨单钉固定(单钉)和L₃_，₄椎弓根螺钉联合髂骨双钉并前路支撑(双钉+钛笼)并装配。模拟腰骶部缺损的情况，以上述2种手术方式进行腰骶部稳定性重建。对模型进行赋值，用ABAQUS软件分析。

结果与结论：①在约束臼顶，在L₂上缘施加1 000 N的轴向载荷模拟站立负重情况下，完整模型最大应力值为195.3 MPa，单钉模型为189.5 MPa，双钉+钛笼模型为149.2 MPa；②计算轴向压缩刚度完整模型为551.572 N/mm，单钉模型为613.87 N/mm，双钉+钛笼模型为1 683.50 N/mm；③在施加6个方向的7 N•m弯曲载荷下，在6个方向的弯曲刚度上，双钉+钛笼支撑模型最大。模型在6个方向的最大应力值比较，单钉模型最大；④结果提示，髂骨双钉+钛笼支撑重建可有效恢复腰骶部的稳定性，内固定系统承受的应力较小也较分散。髂骨单钉重建连接棒处及螺钉尾部有明显的应力集中，内固定容易疲劳断裂及松动。

ORCID:0000-0001-9776-7010(马亮)

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: 骨科植入物, 数字化骨科, 腰骶部, 生物力学, 有限元分析, 脊柱骨盆重建, 融合术, 髂骨螺钉, 前柱支撑物, 内固定

Abstract:

BACKGROUND: The surgical management to reconstruct the stability in lumbosacral region is very challenging. There are many techniques to reconstruct the stability of the lumbosacral region, but the internal fixation loosening, fracture and pseudoarthosis are not uncommon.

OBJECTIVE: Finite element analysis was used to analyze the stability of two types of reconstruction procedures and the stress of the internal fixation system.

METHODS: A 64-slice spiral CT scan was used in a subject from L₁ to pelvis. The scan data were imported into the Mimics 15.0 software to generate a three-dimensional surface model. The three-dimensional solid model was established using in the SolidWorks software. The solid geometry model of the L_{3, 4}pedicle screws combined with single iliac screw fixation and L_3,4 pedicle screws combined with dual iliac screws and anterior titanium mesh cage support fixation were constructed by the Solidworks software. Two kinds of reconstruction procedures were simulated. The models were given material properties and analyzed by using the ABAQUS software.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum stress was 195.3 MPa in the complete model, 189.5 MPa in single iliac screw model, and 149.2 MPa in dual iliac screw + titanium cage model when constrained the roof of double acetabulum and applied a vertical load of 1 000 N. (2) The axial compression rigidity was 551.572 N/mm in the complete model, 613.87 N/mm in the single iliac screw model and 1 683.50 N/mm in the dual iliac screw+titanium cage model. (3) The bending rigidity of the dual iliac screw + titanium cage model was bigger than other models at 6 directions when applied 7 N•m bending loads. The maximum stress of single iliac screw model was bigger than other models. (4) The results suggest that the dual iliac screw + titanium mesh cage reconstruction can effectively restore the stability of the lumbosacral area. The stress of internal fixation system is smaller and more dispersed. There is obvious stress concentration in the connecting rod and the tail of the single iliac screw. The single iliac screw internal fixation system is easy to fatigue fracture and loosening.

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

Key words: Lumbosacral Region, Internal Fixators, Stress, Finite Element Analysis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

马亮，郭卫春，许永涛. 髂骨单钉与双钉钛笼固定修复重建腰骶部缺损的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(39): 5859-5866.

Ma Liang, Guo Wei-chun, Xu Yong-tao. Single iliac screw and dual iliac screws and titanium mesh cage fixation in the reconstruction of lumbosacral defects with finite element analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(39): 5859-5866.

图/表（结果） 6

2.1 加载轴向载荷后的受力情况分析 在约束臼顶，在L₂上缘施加1 000 N的轴向载荷后，完整模型及2种方法重建模型L₅上缘参考点的位移，模型最大应力值，以及轴向压缩刚度如下表。在轴向压缩刚度方面：双钉+钛笼支撑模型>单钉模型>完整模型；L₅上缘最大应力：完整模型>双钉+钛笼支撑组模型>单钉模型，见表1。

2.2 通过输出位移云图及应力云图分析2种手术方式模型的整体位移趋势及应力分布特点 从单钉模型应力图上来看应力集中在髂骨钉和椎弓根钉间的连接棒上，最大值为189.5 MPa。整体来看，应力主要集中在整个钉棒系统上，椎体前柱应力很小，也说明了钉棒系统起到了很好的支撑作用。钉棒系统的应力主要集中在钉棒连接处以及髂骨钉与椎弓根的连接棒上，此处容易疲劳断裂(图3)。

从双钉+钛笼支撑模型应力图上可以看到应力同样集中在钉棒连接处，应力最大值出现在右侧髂骨钉棒连接处，最大值为149.2 MPa，较单钉系统189.5 MPa明显减小。说明此种手术方式可以很有效的降低钉棒系统的应力。

从模型位移云图，可以看出位移最大值出现在剩余的L₅椎体上，最大位移值为0.594 mm，较单钉系统1.629 mm明显减小，说明双钉+钛笼系统固定较单钉系统的压缩刚度为大，起到了很好的支撑作用(图4)。

2.3 在加载弯曲载荷下模型的角位移及弯曲刚度 对两种模型在前屈，后伸，左侧屈，右侧屈，左旋转，右旋转情况施加7 N•m的弯曲载荷，记录各弯曲载荷下的角位移，计算弯曲刚度，记录模型的最大应力值及L₅上缘最大应力值见表2-4。双钉+钛笼重建模型在前屈，后伸，左侧屈，右侧屈，左旋转，右旋转情况下的角位移和弯曲刚度，模型最大应力值及L₅上缘最大应力值如表3。

完整模型的角位移及弯曲刚度，模型最大应力，L₅上缘最大应力值如表4。

在施加6个方向的7 N/m弯曲载荷下，在6个方向的弯曲刚度上，双钉+钛笼支撑模型>单钉模型>完整模型，说明双钉+钛笼支撑模型最稳定。模型的最大应力值比较，单钉模型>双钉+钛笼支撑模型>完整模型，说明单钉固定时，内固定钉棒系统承受的应力最大，在前屈时最大应力为113.013 MPa，后伸时最大应力值为113.677 MPa。说明单钉模型由于没有椎体前方的支撑，所以在前屈及后伸时不是很稳定，钉棒承受了很大的应力(图5)。

双钉+钛笼支撑模型最大刚度值是左右侧屈情况下，说明双钉+钛笼支撑有很好的侧方稳定性，模型最大应力是在旋转工况下，应力点也是在连接棒上，说明旋转载荷时，双钉+钛笼系统承受应力较大(图6)。

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引言

材料方法

1.1 设计 有限元分析试验。

1.2 时间及地点 于2013年11月至2015年1月在武汉大学人民医院骨科、放射科完成。

1.3 材料 64排飞利浦极速螺旋CT机。

DELL工作站：预装有Mimics 15.0软件(Materialise公司，比利时)、Solidworks 2012软件(达索系统，DassaultSystemes S.A)、HyperMesh 12.0软件(Altair公司，美国)、Abaqus 7.0软件(ABAQUS公司，美国)。

1.4 对象 24岁男性志愿者1名，身高173 cm，体质量68 kg，排除脊柱骨盆畸形和疾病。

1.5 方法

1.5.1 L₂-骨盆三维有限元模型的建立采用64排螺旋CT，对志愿者从L₁到骨盆水平薄层扫描，获得577张水平截图。将扫描的数据资料以DICOM 格式导入到Mimics 15.0 医学图像处理软件中，将图像阈值调节为462-2 676 Hu，利用区域增长粗略提取所需要的腰椎-骨盆各个骨结构的节段。进行阈值分割以及区域增长，蒙版编辑等，生成三维表面模型。将数据导入SolidWorks 逆向工程软件中，按照原有的几何结构及空间关系组建出装配体，生成L₂-骨盆的实体模型。

1.5.2 构建钉棒系统及钛笼的实体模型用Solidworks 2012软件构建两种固定钉棒系统及钛笼的实体几何模型并装配，钉棒系统规格为L₃，L₄的椎弓根螺钉直径为6.5 mm长度45 mm，连接棒直径6 mm，髂骨钉直径为7 mm。单钉长度为90 mm，双钉长度为70 mm与90 mm，横连杆直径为3 mm，钛笼直径为1.5 mm，厚度为1 mm。在SolidWorks中用草图功能画出钉棒系统的轮廓，然后使用拉伸旋转等功能获得实体模型，与L₂-骨盆实体模型精确装配，为了更好的显示模型，在图中暂时没有装配骶骨(图1)。

1.5.3 划分网格并补充建立椎间盘、韧带，模拟手术操作建立2种不同修复方式重建腰骶部稳定性模型将SolidWorks 软件中建立的L₂-骨盆以及2种内固定系统的实体模型导入到HyperMesh软件中组成装配体然后划分四面体网格，同时构建1 mm厚的皮质骨。然后模拟出腰骶部缺损的情况，缺损范围为L₅椎弓根以下及S₁椎弓根以上。得到2种不同修复方式重建腰骶部缺损后的三维有限元模型。单钉重建组具有450 385个单元和100 386个节点，双钉联合钛笼组有480 828个单元和105 768个节点(图2)。

1.5.4 模型的赋值及验证利用Abaqus有限元分析软件进行处理分析，参照既往的有限元分析研究中公认的腰椎和骨盆的皮质骨、松质骨、椎间盘、纤维环、髓核、韧带、关节面软骨等结构数据对模型进行赋值^[6-7]。内固定材料为钛合金，其弹性模量为105 000 MPa，泊松比μ=0.3。以L₅椎体上缘的参考点为标准来记录模型的压缩位移及角位移的。计算完整模型的轴向压缩刚度为551.572 N/mm，轴向扭转刚度为4.05 N•m/(°)，与既往尸体标本测试结果相当，说明模型是有效的，可供下一步分析^[8]。

1.5.5 加载载荷及分析

边界条件及评价指标：约束双侧臼顶，模拟站立时的姿势将其固定。以L₅椎体上缘的轴向位移及角位移作为评价指标。

载荷：模拟站立位情况下的受力分析。参考既往多个学者对腰骶骨盆进行生物力学测试时的数据^[9]。对模型施加施加1 000 N的垂直载荷，记录L₅上缘位移并计算轴向压缩刚度；对模型施加7 N•m的扭矩，计录L₅椎体上缘的角位移，并计算模型的在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转6个方向的刚度。

处理分析：进入求解器，计算求解得出2种重建方法在加载轴向压缩载荷以及6个方向上的弯曲载荷后的位移情况并与完整模型相比较。通过应力、应变云图等观察模型中的应力分布特点及内固定系统的应力应变情况。

1.6 主要观察指标 在加载垂直载荷时的轴向压缩刚度和弯曲载荷时的轴向扭转刚度，模型中的应力分布特点及内固定系统的应力应变情况。

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

讨论

3.1 腰骶部的病变特点 腰骶部的病变主要有结核、肿瘤、外伤等病变破坏椎体、椎间盘、椎体后方结构，使腰骶部的稳定性会受到严重破坏。

结核病灶在破坏腰骶部的椎间盘及腰骶椎椎体，造成椎体的塌陷，腰骶角变大，腰骶部不稳^[10]。在L₅-S₁椎体骨质破坏较多时，前路钢板放置困难，这时可采用后路固定的方法。对于腰骶椎结核，在彻底病灶清除后，如何恢复腰骶部的正常解剖结构，如何选择固定方式是需要考虑的问题。对于S₁椎体破坏的患者，有学者选择的是髂骨单钉固定的方式^[11]。

骶骨是脊柱肿瘤中较常见的发病部位。原发性骶骨肿瘤最常见的是脊索瘤，其次为骨巨细胞瘤、神经源性肿瘤、软骨肉瘤等，转移性肿瘤有肺癌骨转移，前列腺癌骨转移等^[12-13]。脊索瘤一般生长缓慢，多先累及下位骶骨。骨巨细胞瘤一般累积上位骶骨或全骶骨。神经源性肿瘤多沿神经根走行生长，部分生长较大时可侵犯骶孔处骨质，对稳定性影响不大。软骨肉瘤侵犯上位骶骨及骶髂关节，对腰骶部稳定性破坏严重。腰骶部的肿瘤病变切除后遗留巨大的腰骶部骨质缺损，如何行稳定性重建很有挑战性。术后创面不愈合，内固定断裂等并发症不少见^[14-16]。

腰骶部的骨折脱位相对于胸腰段来说较少。严重的高能量损伤会造成L₅的压缩性骨折及脱位、骶骨骨折、骶髂关节脱位等。严重的骶骨骨折，骶髂关节损伤累及骨盆后环，此时常合并一侧或双侧耻骨上下肢骨折和髋臼骨折等，不仅影响腰骶部稳定性还会影响骨盆环及髋臼的稳定^[17-18]。目前多数学者推崇对于严重的外伤性脊柱骨盆不稳定时采用腰髂固定来重建脊柱骨盆的稳定性^[19-20]。

3.2 腰骶部的内固定进展 腰骶部内固定的技术主要包括前路的支撑和后路的固定技术。腰骶部前柱支撑物可以有效提高腰骶部的稳定性，降低屈伸活动中S₁椎弓根螺钉及髂骨螺钉的应力^[21]。采用轴向的前柱支撑物可以提供与髂骨钉相当的腰骶关节的稳定性，腰骶前路钢板可以显著的增加腰骶部的稳定性^[22]。但是腰骶部前路手术周围血管神经多，操作空间有限，术后并发症多^[23]。所以目前多采用经后路放置前路支撑物的方法^[24]。

腰骶部后路的固定方式有多种变化，主要是对后路固定物远端锚定点的变化，来重建腰骶部的稳定性^[25]。远端的固定方式有S₁双皮质、三皮质螺钉及跨椎间盘S₁椎弓根钉、S₂椎弓根钉、S₂骶骨翼螺钉、Jackson氏骶骨棒、骶髂关节螺钉、Galveston技术、髂骨螺钉、经S₂侧块髂骨螺钉等^[26-28]。

Kato等^[29]最近的回顾性分析了S₁三皮质螺钉及非S₁三皮质螺钉固定的临床效果。平均融合节段为1.7个节段，采用S₁三皮质螺钉，可有效的获得腰骶部后方的稳定性。所有采用S₁三皮质螺钉固定的患者没有假关节形成，血管损伤率低。S₂椎弓根螺钉由于在桩锚定点背侧，所以S₂椎弓根螺钉提供的抗拔出力及抗屈曲应力都较小。由于S₂的椎弓根较小，S₂椎弓根螺钉的拔出力较小。但是S₂骶骨翼螺钉不同，它是位于桩锚定点前方，双皮质S₁椎弓根钉联合双皮质S₂骶骨翼螺钉比单纯双皮质S₁椎弓根钉固定要牢靠。Kim等^[30]的研究显示双皮质S₂骶骨翼螺钉与髂骨螺钉的生物力学强度相当。骶骨棒技术是通过2根骶骨棒插入骶骨的松质骨中，深达S₂水平，不穿过骶髂关节。通过软骨下骨及骶髂关节处的骨质来稳定骶骨棒，再将骶骨棒与腰椎的椎弓根螺钉相连，取得了较高的融合成功率。但骶骨棒操作较为复杂，如何按照患者的解剖特点完成合适的骶骨棒并有效的置入骶骨中有一定的难度^[31]。

骶髂螺钉力学强度要大于S₁椎弓根置钉和骶骨翼螺钉，但要小于Galveston技术。但是骶髂螺钉置入时需要延长手术切口，且常对骶髂关节背侧骶髂韧带等有破坏，操作较为复杂，会降低腰骶部的稳定性^[32]。

S₂侧块髂骨螺钉的钉道穿过几层皮质骨，通过S₂侧块和髂骨进行固定，可以提供更强的生物力学强度。生物力学研究显示，在各种工况下S₂侧块髂骨螺钉与髂骨螺钉的稳定性相当。Ilyas等^[33]最近的系统回顾性分析指出在成人及儿童中，S₂侧块髂骨螺钉的临床并发症及影像学表现均优于髂骨钉固定。但S₂侧块髂骨螺钉需要较高的置钉技术，对骶髂关节有一定的损伤。

有时还可以联用几种方式来加强后方稳定性^[34]。在采用前柱支撑物后可以有效提高内固定系统的稳定性，在文章中可以看到，前方钛笼支撑模型的轴向压缩刚度及各个方向上的扭转刚度都要大于单钉组及完整组。所以对于腰骶部较大范围的病损情况下需要行前路支撑，后路钉棒系统固定的手术方式。

3.3 髂骨钉的应用及相关进展 髂骨钉技术作为改良Galveston技术，置钉容易，操作简便。采用髂骨钉后可以有效的降低S₁椎弓根螺钉的应力。许多学者对髂骨钉的最佳直径、长度，置钉通道以及徒手置髂骨螺钉的方法作了系统研究。从髂后上棘到髂前上棘之间的髂骨之间宽阔区域，通常的髂骨螺钉置钉都是在此区域。可上下置入2枚髂骨螺钉^[35]，而且螺钉与连接棒连接较为容易。但髂骨钉也有不足之处就是髂后上棘处软组织覆盖较少，软组织激惹风险。再就是髂骨钉尾与椎弓根螺钉尾不在同一条直线上，还是需要一定的弯棒操作或使用连接块。

髂骨螺钉的置钉位置对螺钉的拧入力矩没有影响，但在采用更粗、更长的螺钉接近骨皮质固定时，螺钉的拧入力矩显著增大^[36]。髂骨螺钉技术用于在骶骨肿瘤切除，腰骶部的结核，严重的腰骶部外伤不稳时重建腰骶部的稳定性，取得了良好的临床效果，但在病变范围较大时，髂骨钉断裂的报道也不少见。目前对于髂骨钉的改进有采用髂骨双钉，采用四棒连接技术，添加前路以及横向的支撑物等。这些改进措施可以有效的降低髂骨单钉固定时钉尾部的应力，提高手术成功率^[37-38]。本研究中可看到在采用髂骨双钉及添加前路支撑物时可有效的减小内固定系统的应力。

3.4 有限元分析法分析内固定生物力学的特点 内固定系统失败的原因也是多种因素综合在一起的。患者的骨量情况，手术方法，有无植骨，内固定系统本身特点等。内固定的断裂与局部应力集中及长期的应力疲劳有关^[39]。

有限元分析方法简便、直观、准确。对模型在不同的条件下加载多种载荷，包括极限载荷，可以修改多种测试参数，可以反复加载，测试时间短。可以得出模型在压缩，弯曲，扭曲等多种载荷下的受力情况，更为重要的是可以提供模型内部的受力情况，通过输出应力分布云图，位移分布云图，可以非常直观的观察模型内各结构的应力应变分布，以及模型的应变情况。这是一般的体外研究所达不到的，所以有限元分析是体外标本实验研究的有力补充。通过对内固定系统的应力分布，了解应力集中点，再对内固定系统予以改进，提高固定稳定性，降低内固定失败风险，从而更好的满足临床需要^[40]。

3.5 局限及展望 文章中模拟了一种L₅-S₁缺损的情况。在实际情况下，腰骶部的病变是多种多样的，结核性病变多侵犯椎间隙，在严重的L₅-S₁结核病变行病灶清除术后的缺损范围与作者模拟的很类似，但在外伤情况，骨折线多变，可累及多个腰椎或骶椎及骶髂关节等。肿瘤性病变可以累及L₅整个椎体或多个骶椎，在病变切除后缺损范围较大，尤其是骶骨肿瘤，对于上位的骶骨肿瘤，切除病变后缺损范围比作者模拟的更大，骶髂关节也不稳定。在有些情况下，病变在一侧，可能只需要对一侧进行病灶清除，这种情况下如何选择内固定方式也没能模拟。如果有更多的模型，则可以提供更多的参考价值。肌肉系统对脊柱-骨盆的力学稳定起着重要的作用，腰背肌对模型的屈伸及旋转稳定性是有影响的。但是由于肌肉个体差异非常大，肌肉的生物力学特性非常特殊，即使同一个体不同状态下肌肉力量也有变化。目前还很难有效的模拟肌肉的生物力学特性。所以有限元分析不能完全反应生理状态。骶髂关节是属于微动关节，起初有学者在建模过程为了简化，将其忽略并设定为骨性连接，这与实际情况是不符的。文章是对骶髂关节及耻骨联合关节采用软骨实性单元进行了模拟，这样对模型测试结果与既往的尸体标本测试结果具有可比性，更有参考意义。

限于有限元分析只是体外的模拟，主要模拟的是术后即刻的生物力学情况。但内固定系统在体内的过程是长期的，影响因素也是多样的，而且局部术后有一个再修复的过程，有限元分析还不能完全替代体内研究，需要两者相结合。

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