儿童下颈椎前路4种内固定模型的螺钉-骨抗拔出有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3843

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (18): 2816-2821.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3843

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

儿童下颈椎前路4种内固定模型的螺钉-骨抗拔出有限元分析

曲星月1，周建强2，徐雪彬1，张少杰3，李志军3，4，王星3，4

内蒙古医科大学，1研究生学院，3基础医学院解剖学教研室，4数字医学中心，内蒙古自治区呼和浩特市 010059；2呼和浩特市第一医院，内蒙古自治区呼和浩特市 010000

收稿日期:2020-07-20 修回日期:2020-07-22 接受日期:2020-08-19 出版日期:2021-06-28 发布日期:2021-01-11
通讯作者: 张少杰，副教授，硕士生导师，内蒙古医科大学基础医学院解剖学教研室，内蒙古自治区呼和浩特市 010059
作者简介:曲星月，女，1995年生，黑龙江省佳木斯市人，汉族，硕士，主要从事脊柱脊髓的数字与应用解剖学研究。周建强，男，1980年生，内蒙古自治区托克托县人，汉族，硕士，主要从事儿童颈椎数字化研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81660358)，项目负责人：张少杰；国家自然科学基金(81860383)，项目负责人：李志军；国家自然科学基金(81860382)，项目负责人：王星；内蒙古自治区自然科学基金(2019MS08017)，项目负责人：张少杰

Finite element analysis of screw-bone anti-pullout in four models of anterior lower cervical fixation in children

Qu Xingyue1, Zhou Jianqiang2, Xu Xuebin1, Zhang Shaojie3, Li Zhijun3, 4, Wang Xing3, 4

1Graduate School, 3Department of Anatomy of Basic Medical School, 4Center of Digital Medicine, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China; 2First Hospital of Hohhot, Hohhot 010000, Inner Mongolia Autonomous Region, China

Received:2020-07-20 Revised:2020-07-22 Accepted:2020-08-19 Online:2021-06-28 Published:2021-01-11
Contact: Zhang Shaojie, Associate professor, Master’s supervisor, Department of Anatomy of Basic Medical School, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China
About author:Qu Xingyue, Master, Graduate School, Inner Mongolia Medical University, Hohhot 010059, Inner Mongolia Autonomous Region, China Zhou Jianqiang, Master, First Hospital of Hohhot, Hohhot 010000, Inner Mongolia Autonomous Region, China Qu Xingyue and Zhou Jianqiang contributed equally to this article.
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81660358 (to ZSJ); the National Natural Science Foundation of China, No. 81860383 (to LZJ); the National Natural Science Foundation of China, No. 81860382 (to WX); the Natural Science Foundation of Inner Mongolia Autonomous region, No. 2019MS08017 (to ZSJ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
下颈椎前路椎弓根螺钉内固定：此技术是将螺钉从椎体前方置入椎弓根，继承了传统前路和后路手术的优势，既提高了三柱稳定性又降低了术中及术后风险。
螺钉-骨抗拔出力：是指在内固定应用中螺钉螺纹与骨质的咬合力，即螺钉在骨质内的把持能力。影响抗拔出力的因素有螺纹与骨质的接触面积、骨质的强度等。

背景：儿童下颈椎前路内固定临床已有应用，但儿童颈椎独特的发育形态、生理特征及力学变化与成人颈椎之间存在较大差异，临床上应用螺钉固定易发生松动、移位和拔出，需要对儿童不同种的螺钉内固定方式进行螺钉-骨抗拔出力实验分析。
目的：运用有限元分析方法比较4种螺钉内固定系统在儿童下颈椎前路模型中螺钉抗拔出力的优越性。
方法：采集6岁正常女童尸体标本(经家属知情同意)多层螺旋CT扫描的颈椎影像数据，利用Mimics 16.01、Pro/E 5.0、Geomagic Studio 2015、Hypermesh 14.0和Abaqus 6.14等软件构建出正常C4的三维有限元模型，在C4模型基础上建立颈前路双皮质椎弓根螺钉内固定(anterior cervical bicortical pedicle screw internal fixation，ACBS)、颈前路单皮质椎弓根螺钉内固定(anterior cervical single cortical pedicle screw internal fixation，ACSS)、颈前路椎体钉锁定螺钉内固定(anterior cervical vertebral screw internal fixation，ACVS)、颈前路Orion螺钉内固定(anterior cervical Orion screw internal fixation，ACOS)4种螺钉内固定模型，并对其螺钉抗拔出应力峰值及螺钉各部位应力值进行分析。
结果与结论：①螺钉抗拔出应力峰由高至低依次为：ACBS组>ACSS组>ACVS组>ACOS组；②4种内固定模型螺钉拔出过程中，螺钉杆前部承受最大应力，应力向尖部传递过程中呈衰减趋势；③4种内固定模型中颈椎在椎体部位应力峰值最大，椎弓根内固定较单纯椎体内固定更具稳定性；④ACBS组中颈椎应力峰值及螺钉应力峰值均高于其他组，把持力更好；ACSS组颈椎应力峰值及螺钉应力峰值高于ACVS组、ACOS组，ACVS组与ACOS组无差异；⑤结果表明，双皮质椎弓根螺钉内固定在儿童颈前路内固定螺钉拔出力中更具有优越性。

https://orcid.org/0000-0001-7509-293X (曲星月)

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, 内固定, 下颈椎内固定, 椎弓根螺钉, 骨-螺钉抗拔出力, 有限元分析, 儿童

Abstract: BACKGROUND: Anterior internal fixation of lower cervical spine in children has been applied clinically. However, the unique developmental morphology, physiological characteristics and mechanical changes of children’s cervical vertebrae are significantly different from those of adults. It is easy for screw fixation to loosen, shift and pull-out in clinical application, so it is necessary to carry out screw-bone pull-out test analysis for different screw internal fixation methods in children.
OBJECTIVE: To compare the superiority of the four screw internal fixation systems in the anterior model of the lower cervical spine in children using finite element analysis.
METHODS: The cervical spine image data were collected from the multislice spiral CT scanning of corpse specimen of a 6-year-old normal girl (with informed consent of family members), and the three-dimensional finite element model of normal C4 was constructed by using software such as Mimics 16.01, Pro/E 5.0, Geomagic Studio 2015, Hypermesh 14.0 and Abaqus 6.14. On the basis of C4 model, four kinds of screw fixation models were established, i.e., anterior cervical bicortical pedicle screw internal fixation (ACBS), anterior cervical single cortical pedicle screw internal fixation (ACSS), anterior cervical vertebral screw internal fixation (ACVS) and anterior cervical Orion screw internal fixation (ACOS). The screw pull-out stress peak value and the stress value of each part of the screw were analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The stress peak of screw pull-out resistance was in order from high to low: ACBS group > ACSS group > ACVS group > ACOS group. (2) In the process of pulling out the screws of the four internal fixation models, the front part of the screw rod bore the greatest stress, and the stress was attenuated during the process of transferring to the tip. (3) The four internal fixation models had the highest stress peak in the vertebral body, and the pedicle internal fixation was more stable than the internal fixation alone. (4) The peak stress of the cervical spine and the peak of the screw stress in the ACBS group were higher than those of the other groups, and the holding power was better. The cervical spine stress peak and screw stress peak in ACSS group were higher than those in ACVS group and ACOS group, and there was no difference between ACVS group and ACOS group. (5) The results showed that bicortical pedicle screw internal fixation was superior to the anterior cervical screw extraction in children.

Key words: bone, internal fixation, lower cervical internal fixation, pedicle screw, bone-screw pullout force, finite element analysis, children

中图分类号:

曲星月, 周建强, 徐雪彬, 张少杰, 李志军, 王星. 儿童下颈椎前路4种内固定模型的螺钉-骨抗拔出有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(18): 2816-2821.

Qu Xingyue, Zhou Jianqiang, Xu Xuebin, Zhang Shaojie, Li Zhijun, Wang Xing. Finite element analysis of screw-bone anti-pullout in four models of anterior lower cervical fixation in children[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(18): 2816-2821.

图/表（结果） 10

2.1 各种模型螺钉拔出过程中螺钉变形及应力云图见图3-6。
在螺钉拔出实验中，从螺钉的应力云图和变形图可知，ACOS、ACVS、ACSS、ACBS组的最大拔出应力分别为713.620，846.582，918.429，1 120.679 MPa。ACOS组和ACVS组在拔出过程中螺钉、椎体及附件外形没有较大变化；ACSS组单皮质螺钉在拔出过程中少许变弯；ACBS组螺钉没有脱离椎体，螺纹依然连接较为紧密，双皮质螺钉在拔出过程中明显变弯，应力接近强度极限，容易随着椎体破坏变形而发生折断风险。4种螺钉在拔出过程中螺钉前、中、尖部应力传递均呈衰减过程。

2.2 各种模型螺钉拔出过程中椎体变形及应力云图见图7-10。
在螺钉拔出实验中，从椎体的应变云图和变形图可知，ACOS组、ACVS组螺钉在拔出过程中螺牙间骨质与周围骨质连接部位破坏，螺钉易拔出，但ACVS组螺钉与椎体螺纹连接部位发生的塑性变形量比ACOS组大；ACSS组单皮质螺钉和ACBS组双皮质螺钉在拔出过程中，椎弓根及周围椎体部位均发生大量塑性变形，发生破裂或断裂，但ACSS组螺钉拔出过程中椎弓根后侧骨质发生明显位移，ACBS组螺钉拔出过程中螺钉仍与后方皮质紧密接触，无明显位移，间接说明双皮质螺钉把持力显著大于其他各组模型。

2.3 各种内固定模型螺钉抗拔出应力峰值比较按照螺钉长度平均分成15份，其中前部5份、中部5份、尖部5份，测出4种内固定模型螺钉前、中、后3个部位的抗拔出应力峰值；按照双皮质螺钉通道长度将颈椎平均分成5份，分别测出4种内固定模型螺钉-骨抗拔出颈椎椎体及椎弓根应力峰值。
由表3可知，ACBS组螺钉前部应力峰值最大，ACSS组螺钉中部应力峰值最大，考虑ACBS组实验过程中螺钉尖部与后方骨皮质一直未松动，可以认为在骨质破坏一瞬间应力传递于骨质破坏部分停止，未传导至螺钉尖部，所以在螺钉尖部应力较ACSS组小。ACBS组螺钉前部平均应力峰值与ACOS组存在显著性差异(χ2=16.714，P=0.001)；ACSS组螺钉中部平均应力峰值与其余3组均存在显著差异(F=58.828，P=0.000 01)；ACSS组螺钉尖部平均应力峰值与其余3组均存在显著差异(F=27.691，P=0.000 01)。

所有固定模型颈椎在椎体平均应力峰值无显著差异(F=0.115，P=0.950)；由于ACOS组、ACVS组无螺钉位于椎弓根，所以椎弓根几乎没有力学传导；由表4可知，ACBS组椎弓根平均应力峰值明显高于ACSS组，ACBS组与ACOS组、ACVS组在椎弓根平均应力峰值上比较存在显著差异(χ2=15.411，P=0.001)。

参考文献

[1] KATAR S, AYDIN OP, OZEL M, et al. Pediatric Spinal Traumas. Pediatr Neurosurg. 2020;55(2):86-91.
[2] ERBULUT DU, ZAFARPARANDEH I, HASSAN CR, et al. Determination of the biomechanical effect of an interspinous process device on implanted and adjacent lumbar spinal segments using a hybrid testing protocol: a finite-element study. J Neurosurg Spine. 2015;23(2):200-208.
[3] HALL DE, BOYDSTON W. Pediatric Neck Injuries. Pediatr Rev. 1999;20(1):13-20.
[4] EASTER JS, BARKIN R, ROSEN CL, et al. Cervical spine injuries in children, part II: management and special considerations. J Emerg Med. 2011;41(3): 252-256.
[5] ZAFARPARANDEH I, ERBULUT DU, LAZOGLU I, et al. Development of a finite element model of the human cervical spine. Turk Neurosurg. 2014;24(3): 312-318.
[6] FU M, LIN L, KONG X, et al. Construction andaccuracy assessment of patient-specific biocompatible drill template forcervical anterior transpedicular screw (ATPS) insertion: an in vitro study. PLoS One. 2013;8(1):e53580.
[7] TAN KA, LIN SX, CHIN BZ, et al. Anatomic techniques for cervical pedicle screw placement. J Spine Surg. 2020;6(1):262-273.
[8] WU HH, TANG T, YU X, et al. Stability of two anterior fixations for three-column injury in the lower cervical spine: biomechanical evaluation of anterior pedicle screw-plate fixation. J Int Med Res. 2018;46(4):1455-1460.
[9] ROBINSON RA, SMITH GW. Anterolateral cervical disc removal and interbody fusion for cervical disc syndrome. Sas J. 2010;4(1):34-35.
[10] DE OLIVEIRA JC. Anterior plate fixation of traumatic lesions of the lower cervical spine. Spine (Phila Pa 1976). 1987;12(4):324-329.
[11] HAID RW, FOLEY KT, RODTS GE, et al. The Cervical Spine Study Group anterior cervical plate nomenclature. Neurosurg Focus. 2002;12(1):1-6.
[12] ZHAO LJ, XU RM, JIANG WY, et al. A new technique for anterior cervical pedicle screw implantation. Orthop Surg. 2011;3(3):193-198.
[13] KOTHE R, RÜTHER W, SCHNEIDER E, et al. Biomechanical Analysis of transpedicular screw fixation in the subaxial cervical Spine. Spine (Phila Pa 1976). 2004;29(17):1869-1875.
[14] YUKAWA Y, KATO F, ITO K, et al. Anterior cervical pedicle screw and plate fixation using fluoroscope-assisted pedicle axis view imaging: a preliminary report of a new cervical reconstruction technique. Eur Spine J. 2009;18(6):911-916.
[15] KOLLER H, ACOSTA F, TAUBER M, et al. Cervical anterior transpedicularscrew fixation (ATPS)--Part II. Accuracy of manual insertion and pull-outstrength of ATPS. Eur Spine J. 2008;17(4):539-555.
[16] ZHAO LJ, CHEN JQ, LIU JY, et al. Biomechanical analysis on of anterior transpedicular screw-fixation after two-level cervical corpectomy using finite element method. Clin Biomech. 2018;60(undefined):76-82.
[17] 吕文乐,阮世捷,李海岩,等.6岁儿童全颈有限元模型的构建及验证[J].医用生物力学, 2016,31(2):95-101.
[18] 罗培杰,袁凯,李大星,等.长、短节段椎弓根螺钉并骨水泥强化治疗骨质疏松性胸腰段椎体骨折的有限元分析[J].中国组织工程研究, 2020,24(3):342-347.
[19] ZHANG QH, TAN SH, CHOU SM. Effects of bone materials on the screw pull-out strength in human spine. Med Eng Phys. 2006;28(8):795-801.
[20] 胡晓晖,洪翔,何冰,等.基于Simpleware全颈椎三维有限元模型的构建与分析[J].医用生物力学,2014,29(6):530-535.
[21] ARAMOMI M, MASAKI Y, KOSHIZUKA S, et al. Anterior pedicle screw fixation for multilevel cervical corpectomy and spinal fusion. Acta Neurochir. 2008;150(6):575-582.
[22] JONES EL, HELLER JG, SILCOX DH, et al. Cervical pedicle screws versus lateral mass screws:Anatomic feasibility and biomechanical comparison. Spine (Phila Pa 1976). 1997;22(9):977-982.
[23] HEDEQUIST D. Modern instrumentation of the pediatric occiput and upper cervical spine: review article. HSS J. 2015;11(1):9-14.
[24] XU M, YANG J, LIEBERMAN IH, et al. Finite element method-based study of pedicle screw–bone connection in pullout test and physiological spinal loads. Med Eng Phys. 2019;67(undefined):11-21.
[25] HUSSAIN M, NATARAJAN RN, CHAUDHARY G, et al. Relative contributions of strain-dependent permeability and fixed charged density of proteoglycans in predicting cervical disc biomechanics: a poroelastic C5-C6 finite element model study. Med Eng Phys. 2011;33(4):438-455.
[26] BECHTOL CO, FERGUSON AB, LAING PG. Metals and engineering in bone and joint Surgery. Cal West Med. 1959;91(5):303-304.
[27] HELLER JG, ESTES BT, ZAOUALI M, et al. Biomechanical study of screws in the lateral masses: variables affecting pull-out resistance. J Bone Joint Surg Am. 1996;78(9):1315-1321.
[28] ESCHLER A, ENDER SA, SCHIML K, et al. Bony healing of unstable thoracolumbar burst fractures in the elderly using percutaneously applied titanium mesh cages and a transpedicular fixation system with expandable screws. PLoS One. 2015; 10(4):e0124591.
[29] YASUTSUGU Y, FUMIHIKO K, KEIGO I, et al. Anterior cervical pedicle screw and plate fixation using fluoroscope-assisted pedicle axis view imaging: a preliminary report of a new cervical reconstruction technique. Eur Spine J. 2009;18(6):911-916.
[30] LIU GY, XU RM, MA WH, et al. A static mechanical comparison between two transarticular internal fixation techniques in the lower cervical spine. Zhonghua Yi Xue Za Zhi. 2007;23(7):1599-1602.
[31] XIAO H, YANG J, FENG X, et al. Comparing complications of vertebroplasty and kyphoplasty for treating osteoporotic vertebral compression fractures:a meta-analysis of the randomized and non-randomized controlled studies. Eur J Orthop Surg Traumatol. 2015;25 Suppl 1:S77-S85.
[32] 王景续.采用椎弓根钉“双皮质”固定治疗老年骨质疏松性椎体骨折的近期疗效观察[J].中国矫形外科杂志,2011,19(22):1863-1865.
[33] 杨卫良,祈全,陆晓峰,等.椎弓根钉“双皮质”固定技术治疗老年人腰椎滑脱及腰椎失稳症[J].中国组织工程研究与临床康复,2009, 13(48):9526-9530.
[34] KARAMI KJ, BUCKENMEYER LE, KIAPOUR AM, et al. Biomechanical evaluation of the pedicle screw insertion depth effect on screw stability under cyclic loading and subsequent pullout. J Spinal Disord Tech. 2015;28(3):E133-139.

引言

儿童脊柱损伤易位于颈椎，造成脊椎损伤的高发病率和高死亡率[1-2]，在婴儿至8岁之间75%的脊柱损伤发生在颈椎，这是由于儿童脊柱具有复杂的解剖结构[3-5]：头部较大、运动支点较高；脊椎不完全骨化；韧带较松弛；因其独特的解剖特点造成了对儿童颈部损伤评估及治疗的不同。目前，前路椎弓根螺钉手术在颈椎已有报道[6-8]，ROBINSON等[9]首次使用颈椎前路手术治疗颈椎病，这种临床实践自应用以来，因颈椎前路手术创伤小、术后颈椎及其曲度稳定逐渐被证明是治疗颈椎相关疾病有效的临床治疗方法之一。DE OLIVEIRA[10]研究证明了颈椎创伤性病变的前路钢板固定是一种安全有效的方法。随后，应用颈椎前路内固定技术又开发了各种颈椎前路钢板系统[11]，如颈前路双皮质椎弓根螺钉内固定(anterior cervical bicortical pedicle screw internal fixation，ACBS)、颈前路单皮质椎弓根螺钉内固定(anterior cervical single cortical pedicle screw internal fixation，ACSS)、颈前路椎体钉锁定螺钉内固定(anterior cervical vertebral screw internal fixation，ACVS)、颈前路Orion螺钉内固定(anterior cervical Orion screw internal fixation，ACOS)等。
随着数字医学和计算机技术的水平不断提升，应用有限元方法研究人体脊柱的生物力学性能已逐渐成熟。目前，颈椎前路椎弓根螺钉内固定技术在有效重建颈椎的同时避免了后路固定所引起的并发症[12]，提高了颈椎稳定性和手术安全性[13-14]。根据KOLLER等[15]的尸体标本生物力学研究成果了解到，前路椎弓根螺钉的拔出强度(平均468 N)大约是椎体螺钉(平均182 N)的2.5倍。体外生物力学研究发现，经椎弓根螺钉固定具有良好的抗拔出强度和良好的稳定性，但对于儿童来讲颈椎骨质没有发育完全，应用螺钉内固定技术仍存在螺钉松动、移位和拔出的风险[16]。目前，国内外对于不同类型螺钉植入儿童颈椎拔出力实验及三维建模的研究较少。实验建立儿童C4椎体三维有限元模型，数字化设计了4种儿童颈前路锁定内固定系统，应用有限元方法对螺钉的抗拔出力进行分析，为临床儿童颈部手术提供基础理论依据。
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

材料方法

1.1 设计计算机三维建模及有限元分析。
1.2 时间及地点于2019年在内蒙古医科大学数字医学中心完成。
1.3 材料选取一名6岁女童尸体标本，身高115 cm，颈椎无明显外伤及损伤，X射线片拍摄排除颈椎病变。尸体标本由内蒙古医科大学志愿者遗体捐献室提供，供者家属签署实验知情同意书。
1.4 模型建立方法
1.4.1 二维数据的获取 CT数据扫描系统为呼和浩特市第一医院的Lightspeed双源64排螺旋CT(美国GE公司)，扫描范围为自上而下全颈椎螺旋CT轴位扫描，扫描参数：球管电压为120 kV，球管电流125 mA，层厚0.625 mm，层间距0 mm，无间隔扫描，扫描后选择符合要求的影像学资料以国际标准DICOM格式存贮。
1.4.2 二维数据的三维重建将DICOM数据导入Mimics16.01软件(Materialise Corporation，Belgium)中，确定阈值。人体软组织的CT值在0-200之间，骨骼的CT值在226-2 311之间。利用不同组织的CT值，确定合理阈值范围，把C4骨性部分与其他部分区分出来，计算机定义颜色并进行空腔填充。使用Solidworks 2016软件(Dassault Systemes，USA)建立螺钉模型，通过在C4椎体上反复测试找到最佳椎体前方椎弓根钉进钉点与进钉角度，并确定位置及钉杆长度。螺钉直径参考颈椎前路双皮质椎弓根锁定钢板内固定等内固定系统螺钉数据：钉杆螺距1 mm，钉杆螺纹宽度0.45 mm，钉杆直径 3 mm，长钉钉杆长度：30 mm(ACSS)、34 mm(ACBS)，短钉钉杆长度9 mm，钉头螺距0.5 mm，钉头螺纹宽度0.3 mm，钉头直径0.38 mm，钉头长度2 mm。在重建的C4三维模型上分别植入双皮质椎弓根螺钉、单皮质椎弓根螺钉、椎体钉锁定螺钉、Orion螺钉，建立ACBS、ACSS、ACVS、ACOS 4种螺钉内固定模型，并以STL格式导出。
1.4.3 三维实体模型的重建将导出的STL格式数据导入Geomagic Studio 2015软件(Raindrop Geomagio Inc，USA)，采用Geomagic Studio软件自动曲面化功能，以Iges格式输出保存。
1.4.4 三维有限元模型的重建将得到的Iges格式的实体模型导入Hypermesh 14.0软件，导入Abaqus 6.14软件前先在C4椎体与螺钉之间执行布尔运算，使螺钉模型与内固定模型相匹配，再划分椎体、螺钉结构网格(图1)。内固定模型单元属性见表1，根据文献[17-18]报道设置相关模型材料参数，见表2。

1.4.5 三维有限元模型的加载计算将椎弓根螺钉与椎体螺钉的钉道定义为紧密接触，相对滑动及压缩变形。约束边界：C4椎体上下终板所有节点各方向的自由度均被限制。假设条件：实验所涉及生物材料的材料属性均假定为连续、匀质和各向同性。受力时模型中螺牙与螺牙间骨质无松动，各单元间相对稳定。加载条件：设恒定拔出速率20 mm/min，在螺钉纵轴轴心施加轴向拔出力，应力由0逐渐增加至螺钉彻底拔出或椎体及附件破坏。条件定义后将模型导入ABAQUS有限元软件进行螺钉拔出力分析。为了叙述方便，定义螺钉平均分为前部、中部、尖部(图2)。

1.5 主要观察指标 4种内固定模型螺钉拔出过程中螺钉前部、中部、尖部的应力峰值，以及颈椎椎体、椎弓根应力峰值。
1.6 统计学分析将数据录入Excel，统计学软件采用SPSS 22.0进行分析。计量资料以x±s形式表示。数据满足正态分布且方差齐时采用单因素方差分析，组内两两比较采用LSD检验，方差不齐则采用非参数检验的Kruskal-Wallis检验，以P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

在脊柱内固定中骨-螺钉固定强度是保证术后脊柱稳定的重要因素[19]，这对于颈部具有特殊解剖学特征的儿童来讲尤为重要。应用有限元模型研究颈部内固定稳定性在成人中的应用较为成熟[20]，而对儿童颈部内固定有限元模型研究的报道相对较少，造成了儿童临床术中方案的局限性。目前临床上广泛应用于成人的颈椎前路椎弓根螺钉技术，最早是由ARAMONI等[21]报道的。临床实践经验的常年积累及大量研究成果等均证实，椎弓根螺钉内固定系统能够提供最大的固定强度和最稳定的生物力学[22]，不过前期的临床及实验研究主要集中于成人。HEDEQUIST[23]指出在儿童颈椎放置螺钉进行内固定是有效的，并且在许多临床研究中是安全的。近年来由于伦理限制、标本不易获取等原因，对于脊柱内置物的实验研究更多学者选择采用有限元的方法。XU等[24]对成人脊柱采用有限元方法模拟椎弓根骨-螺钉的拔出强度，取得了预期成果。此次实验选择6岁儿童的颈椎多层螺旋CT数据，在颈椎前路椎弓根螺钉技术的研究成果上采用有限元模型模拟螺钉抗拔出实验，进一步探讨了不同内固定系统中螺钉-骨抗拔出过程中螺钉各部位应力峰值以及颈椎椎体和椎弓根应力峰值。
有限元模型能够模拟颈椎的解剖结构、复杂的生理条件和材料特性，反映颈椎各区域的应力，且稳定性好，可重复使用[25]。自1959年以来，通过测量螺钉轴向拔出力来测试植入物的稳定性已成为一项成熟的技术[26]。HELLER等[27]在成人中探讨螺钉抗拔出力研究时发现，双层骨皮质比单层骨皮质的抗拔出力更大，且在螺钉直径为3.5 mm的C4椎体上力学性能及抗拔出强度最大。此次实验在对螺钉轴向拔出力及螺钉不同部位把持力的测试中同样是在C4椎体上进行生物力学分析，证实了在4种内固定模型的螺钉拔出过程中螺钉在双层皮质骨中具有更大的把持力，这与先前文献报道相似；同时进一步发现了在螺钉-骨抗拔出过程中螺钉不同部位承受应力的变化规律。对于颈椎总体运动范围及螺钉长期稳定性而言，后期所依赖的疲劳实验十分重要，是评估骨-螺钉界面对螺钉固定的稳定性的依据[28]。此次实验对经下颈椎前路内固定系统的比较后，初步获得使颈椎在术后能够保持最佳稳定性的固定模型。
椎弓根螺钉固定虽然有损伤到脊髓、椎动脉或神经根的风险，但其超长钉道、固定强度及静力学强度较好等优势使螺钉固定后可有效重建颈椎[29-30]。XIAO等[31]的研究表明，下颈椎前路椎弓根螺钉内固定在术中增强了生物力学稳定性，人工椎体系统表面应变整体比较均一，且表面最大应变大于普通前路椎体螺钉锁定固定系统组，螺孔薄弱部位应力变化尤为明显，这与此次实验中单皮质、双皮质螺钉拔出后椎体塑性变形、应力云图的表现一致。此次实验所采用的双皮质螺钉固定模型，在国内外已被证实具有可行性[32-34]。KARAMI等[34]的一项研究评估了前路椎弓根螺钉植入长度而导致的不同生物力学强度，并在生物力学测试中发现双皮质螺钉固定组具有最大的抗拔出力，同时证实了螺钉只有通过皮质才能获得更佳的生物力学强度。这与此次实验所体现结果相似，双皮质椎弓根螺钉内固定组在儿童颈前路内固定螺钉拔出力中更具有优越性。
ACBS组颈椎应力峰值及螺钉应力峰值均明显高于其他组，把持力更好，ACSS组次之，其余两组则无明显差别。在螺钉拔出过程中，螺钉杆前部承受最大应力，应力向尖部传递过程中呈衰减趋势。此次实验创新性模拟建立了儿童颈部前路4种内固定模型，动态分析了螺钉拔出过程中螺钉应力值及椎体应力值，为临床儿童颈部内固定手术提供有效参考，对指导术后颈部稳定性具有重要现实意义。
实验所建的三维有限元模型尽可能真实地模拟了儿童颈椎及4种内置物的几何特性和材料属性，但仍存在一些不足之处，有待于通过实验研究进一步完善：采用有限元建模方式进行分析，与人体真实环境相比具有一定的差异，课题组将继续进行生物力学验证实验；尽管颈椎前路经椎弓根内固定螺钉表现出良好的稳定性，但目前准确置钉在临床上尚未广泛应用；实验只初步探索了螺钉的把持力，而其极限力学性能、抗疲劳性能及螺钉自身因素(如螺钉的外径、螺钉进钉深度、螺纹切迹、螺纹间距及螺钉形状等)对螺钉抗拔出力的影响，还需要进一步深入研究。
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

儿童下颈椎前路4种内固定模型的螺钉-骨抗拔出有限元分析

Finite element analysis of screw-bone anti-pullout in four models of anterior lower cervical fixation in children

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 10

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]	徐峰, 康辉, 魏坦军, 席金涛. 椎弓根螺钉不同固定方法治疗胸腰椎骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1313-1317.
[2]	姜勇, 罗翼, 丁永利, 周勇, 闵理, 唐凡, 张闻力, 段宏, 屠重棋. 骶骨精准切除影响骨盆稳定性的冯米斯应力特征及临床验证[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1318-1323.
[3]	张同同, 王中华, 文杰, 宋玉鑫, 刘林. 3D打印模型在颈椎肿瘤手术切除与重建中的应用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1335-1339.
[4]	张宇, 田少奇, 曾国波, 胡川. 初次下肢全关节置换后发生心肌梗死的危险因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1340-1345.
[5]	韦玮, 李剑, 黄林海, 兰敏东, 卢显威, 黄绍东. 全膝或全髋关节置换后老年人首次活动时跌倒恐惧的影响因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1351-1355.
[6]	王金军, 邓增发, 刘康, 何智勇, 余新平, 梁建基, 李晨, 郭洲洋. 全膝关节置换静脉滴注氨甲环酸联合含氨甲环酸鸡尾酒局部应用的止血效果及安全性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1356-1361.
[7]	肖国庆, 刘选泽, 严钰皓, 钟喜红. 后交叉韧带替代型假体全膝关节置换术后屈曲受限的影响因素[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1362-1367.
[8]	彭智浩, 冯宗权, 邹勇根, 牛国庆, 吴峰. 活动平台单髁置换后下肢力线与外侧间室骨关节炎进展的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1368-1374.
[9]	黄泽晓, 杨妹, 林诗炜, 何和与. 血清n-3多不饱和脂肪酸水平与全膝关节置换早期股四头肌肌力变化的相关性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1375-1380.
[10]	张冲, 刘志昂, 姚帅辉, 高军胜, 姜岩, 张陆. 局部应用氨甲环酸减少老年股骨颈骨折全髋关节置换后引流的安全和有效性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1381-1386.
[11]	姚汝斌, 王仕永, 杨开舜. 微创经椎间孔椎间融合治疗单节段腰椎管狭窄症对腰椎-骨盆平衡的改善作用[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1387-1392.
[12]	王海莹, 吕冰, 李辉, 王顺义. 减压植骨融合内固定治疗退变性腰椎滑脱：基于脊柱骨盆参数预测患者的功能预后[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1393-1397.
[13]	吕振, 白金柱. 基于McKenzie技术的腰椎运动链训练应用于腰椎间孔镜术后分期康复的前瞻性研究[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1398-1403.
[14]	陈心敏, 李文标, 熊凯凯, 熊晓燕, 郑利钦, 李木生, 郑永泽, 林梓凌. 钉道强化股骨近端防旋髓内钉治疗老年A3.3型股骨转子间骨折：最佳骨水泥量有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1404-1409.
[15]	杜秀鹏, 杨朝晖. 65岁以下嵌插型股骨颈骨折初始畸形程度对颈缩短的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1410-1416.