腰椎间融合后路非对称与对称固定螺钉应力的有限元比较

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.09.006

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (9): 1555-1562.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.09.006

• 脊柱植入物 spinal implant • 上一篇下一篇

腰椎间融合后路非对称与对称固定螺钉应力的有限元比较

敖俊¹，万磊²，廖文波¹，薛忠林³，于博³，靳安民³

1遵义医学院附属医院脊柱外科，贵州省遵义市 563003
2解放军广州军区总医院脊柱外科，广东省广州市 510010
3南方医科大学珠江医院骨科，广东省广州市 510282

收稿日期:2012-05-14 修回日期:2012-08-15 出版日期:2013-02-26 发布日期:2013-02-26
通讯作者: 靳安民，教授，主任医师，博士生导师，南方医科大学珠江医院骨科，广东省广州市 510282 jinanmin@163.com
作者简介:敖俊☆，男，1970年生，贵州省金沙县人，汉族，2009年南方医科大学毕业，博士，副教授，副主任医师，硕士生导师，主要从事脊柱外科生物力学研究。 Ao00jun@163.com

Screw stress features of the posterior asymmetric or symmetric fixation of transforaminal lumbar fusion based on a three-dimensional finite element method

Ao Jun¹, Wan Lei², Liao Wen-bo¹, Xue Zhong-lin³, Yu Bo³, Jin An-min³

1 Department of Spinal Surgery, the Affiliated Hospital of Zunyi Medical College, Zunyi 563003, Guizhou Province, China
2 Department of Spinal Surgery, General Hospital of PLA, Guangzhou 510010, Guangdong Province, China
3 Department of Orthopedics, Zhujiang Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510282,

Received:2012-05-14 Revised:2012-08-15 Online:2013-02-26 Published:2013-02-26
Contact: Jin An-min, Professor, Chief physician, Doctoral supervisor, Department of Orthopedics, Zhujiang Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510282, Guangdong Province, China jinanmin@163.com
About author:Jin An-min, Professor, Chief physician, Doctoral supervisor, Department of Orthopedics, Zhujiang Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510282, Guangdong Province, China jinanmin@163.com

摘要/Abstract

摘要：

背景：经椎间孔腰椎间融合非对称固定的生物力学稳定性研究，发现固定效果与双侧椎弓根螺钉接近，可满足临床应用所需生物力学要求。经关节突椎弓根螺钉参与经椎间孔腰椎间融合非对称固定的螺钉力学安全性又会怎样呢？
目的：建立L₄-₅功能节段左侧经椎间孔腰椎间融合后，分别予以同侧椎弓根螺钉+对侧经关节突椎弓根螺钉、同侧椎弓根螺钉+对侧经椎板关节突螺钉及双侧椎弓根螺钉固定的三维有限元模型，施加相同的载荷，分析不同运动状态下螺钉应力分布特点，比较3种螺钉应力状况。
方法：对一成人正常L₄-₅椎节段标本、椎间融合器、椎弓根螺钉和皮质骨螺钉进行64排螺旋CT 扫描，通过Mimics11.1建立左侧经椎间孔腰椎间融合后3种内固定组合(同侧椎弓根螺钉+ 对侧经椎板关节突螺钉、同侧椎弓根螺钉+对侧经关节突椎弓根螺钉及双侧椎弓根螺钉固定)的几何模型，利用Simpleware3.1软件分别建立三维有限元模型，模拟500 N\6 Nm载荷下前屈、后伸、左\右侧弯、左\右侧旋等6种运动状态，用Abaqus6.8软件进行螺钉应力变化和分布特点分析。
结果与结论：由于经椎间孔腰椎间融合入路切除了左侧关节突，造成内植物应力分布不对称，对弹性模量大的内固定器械—椎弓根螺钉应力影响最大，尤其是在左旋运动时。在不对称组合内固定中，由于关节突关节螺钉的使用，使对侧椎弓根螺钉应力相应增加，以左旋运动时尤为明显，但关节突关节螺钉断裂的危险性增高不明显。提示为降低螺钉断裂的风险，经椎间孔腰椎间融合后路3种组合内固定均应严格限制旋转运动，尤其是关节突切除侧的旋转运动。

关键词: 骨关节植入物, 脊柱植入物, 腰椎, 脊柱融合, 椎弓根螺钉, 关节突固定, 经关节突椎弓根螺钉固定, 经椎板关节突螺钉固定, 有限元, 应力峰值, 骨关节植入物图片文章

Abstract:

BACKGROUND: Biomechanical investigation had discovered that effectiveness of the posterior asymmetric fixation based on transforaminal lumbar fusion is similar to double side pedicle screws fixation, which can meet the clinical biomechanical requirement. How is the transfacetopedicular screw security in posterior asymmetric fixation after transforaminal lumbar fusion?
OBJECTIVE: To develop three-dimensional finite element model of L₄-₅segment treated with posterior ipsilateral pedicle screws supplemented with contralateral transfacetopedicular screw fixation, posterior ipsilateral pedicle screws supplemented with contralateral translaminarfacet screw fixation and posterior bilateral pedicle screws fixation after transforaminal lumbar fusion respectively and treated with the same load, in order to evaluate the stress of the screws under different kinestates and the stress of three kinds of screws combined fixation in transforaminal lumbar fusion.
METHODS: The geometrical model was created by Mimics 11.1 based on CT data of L₄/₅ motion segment, fusion cage, pedicle screws and os integumentale screw from an adult man. Different fixation models after left transforaminal lumbar fusion including the following sequentially test configurations: ipsilateral pedicle screws+contralateral translaminarfacet screw; ipsilateral pedicle screws+contralateral transfacetopedicular screw; bilateral pedicle screws. Subsequently, the above models were imported into the Simpleware 3.1 in order to establish the three-dimensional finite element models. 500 N\6 Nm loading was loaded on the upper surface of L4 of transforaminal lumbar fusion supplement with three types of fixations to simulate lumbar flexion, extension, lateral bending and axial rotation. The three-dimensional finite element models were imported into Abaqus 6.8 to analyze the stress changes and stress distribution of screws.
RESULTS AND CONCLUSION: Left facet joint was removed in transforaminal lumbar fusion procedure, leading to asymmetry stress attribution of internal implants. For rigid pedicle screws fixation, they were more influenced by asymmetry stress attribution, especially under left axial rotation. In asymmetry fixation, the stress of ipsilateral pedicle screws was increased accordingly due to the influence of transfacetopedicular screw, especially under left axial rotation. However, the breakage risk of screws remained lower under rotation controlled properly. For stepping down the risk of pedicle screws fatigue breakage, the axial rotation after three kinds of fixation based on transforaminal lumbar fusion should be restrict severely, especially the axial rotation on the side that facet joint was destroyed.

Key words: bone and joint implants, spinal implants, lumbar, spinal fusion, pedicle screw, facet fixation, facet pedicle screw fixation, translaminar facet screws, finite element, peak stress, photographs-containing paper of bone and joint implants

中图分类号:

R318

敖俊，万磊，廖文波，薛忠林，于博，靳安民. 腰椎间融合后路非对称与对称固定螺钉应力的有限元比较[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(9): 1555-1562.

Ao Jun, Wan Lei, Liao Wen-bo, Xue Zhong-lin, Yu Bo, Jin An-min. Screw stress features of the posterior asymmetric or symmetric fixation of transforaminal lumbar fusion based on a three-dimensional finite element method[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(9): 1555-1562.

图/表（结果） 6

2.1 三种固定螺钉应力基本特点 在500 N\6 Nm载荷各种运动状况下，3种螺钉组合固定中经椎板关节突螺钉、经关节突椎弓根螺钉及椎弓根螺钉的应力的基本特点：关节突关节螺钉主要集中在螺钉的关节突关节部；椎弓根螺钉主要集中于钉帽与螺杆交界处即椎骨与螺钉交界处(多位于下位螺钉)和\或连接杆中部。

2.2 三种组合固定左侧椎弓根螺钉的应力特点 在三维运动中，除右侧弯外，其余运动，应力主要集中于左侧椎弓根螺钉，其应力峰值均远高于右侧，尤以左旋时明显，见表2，图3，4。双侧椎弓根螺钉固定中，除右侧弯时在右侧椎弓根螺钉连接棒处应力较大外，其余5种运动均以左侧椎弓根螺钉的应力较大，应力集中区域位于连接棒中部和螺帽与螺杆交界处，尤以下位螺钉明显，应力峰值多位于此处，见图3。

左侧椎弓根螺钉加右侧关节突螺钉固定时，除右侧弯时在关节突关节部应力较大外，其余运动均以左侧椎弓根螺钉的应力较大，应力集中区域位于连接棒中部和螺帽与螺杆交界处，尤以下位螺钉明显，应力峰值多位于此处，见图5，6。而应用关节突螺钉的组合固定在多数情况下左侧椎弓根螺钉应力峰值大于双侧椎弓根螺钉固定时的左侧椎弓根螺钉应力峰值，见表2，图4，5，以椎弓根螺钉+经关节突椎弓根螺钉组合的左侧椎弓根螺钉应力峰值最高，其次为追弓根螺钉+经椎板关节突螺钉，最小为双侧椎弓根螺钉。

2.3 三种组合固定右侧螺钉的应力特点 在3种组合内固定中，右侧3种螺钉应力集中特点与左侧椎弓根螺钉相同，应力峰值均以旋转时较高(左旋时最高)，而屈曲时最低，见表3。两种关节突螺钉的应力极值明显小于右侧椎弓根螺钉。在屈、伸和侧弯时，经关节突椎弓根螺钉的应力峰值最小，而在旋转时，经关节突椎弓根螺钉应力峰值略大于经关节突椎弓根螺钉。

参考文献

[1] Harms J，Rolinger H.A one-stager procedure in operative treatment of spond- yloistheses: dorsal traction-reposition and anterior fusion. Z Orthop Ihre Grenzgeb.1982;120(3): 343-347.

[2] Schwender JD, Holly LT, Ruben DP, et al. Minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion (TLIF): Technical feasibility and initial results. Spinal Disorder Tech.2005;18 Suppl: S1-6.

[3] Kandziora F, Schleicher P, Scholz M, et al. Biomechanical testing of the lumbar facet interference screw. Spine. 2005; 30(2):E34-39.

[4] Slucky AV, Brodke DS, Bachus KN, et al. Less invasive posterior fixation method following transforaminal lumbar interbody fusion: a biomechanical analysis. Spine.2006;6(1): 78-85.

[5] Schleicher P, Beth P, Ottenbacher A, et al. Biomechanical evaluation of different asymmetrical posterior stabilization methods for minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion. Neurosurg Spine.2008;9(4): 363 -371.

[6] Sethi A, Lee S, Vaidya R. Transforaminal lumbar interbody fusion using uni- lateral pedicle screws and a translaminar screw. Eur Spine.2009;18(3): 430-434.

[7] Mao KY, Wang Y, Xiao SH, et al. Zhonghua Wai Ke Za Zhi. 2011;49(12):1067-1070. 毛克亚,王岩,肖嵩华,等.单侧微创经椎间孔腰椎体间融合术采用椎弓根螺钉结合经椎板关节突螺钉混合内固定可行性研究[J].中华外科杂志，2011;49(12):1067-1070.

[8] Ao J, Jin AM, Zhao WD, et al. Nanfang Yike Daxue Xuebao. 2009;29(5):959-961,965. 敖俊,靳安民,赵卫东,等.腰椎经椎间孔椎体间融合不对称内固定的生物力学稳定性实验研究[J].南方医科大学学报,2009,29(5): 959-961,965.

[9] Vadapalli S, Sairvo K, Goel VK, et al.Biomechanical rationale for using poly- etheretherketone(PEEK) spacer for lumbar interbody fusion-A finite element study. Spine.2006;31(26): E992-998.

[10] Schmidt H, Heuer F, Drumm J, et al. Application of a calibration method provides more realistic results for a finite element model of a lumbar spinal segment. Clin Biomech (Bristol, Avon).2007;22(4):377-384.

[11] Niosi CA, Zhu QA, Wilson DC, et al. Biomechanical characterization of the three-dimensional kinematic behaviour of the Dynesys dynamic stabilization system: an in vitro study. Eur Spine,2006;15(6):913-922.

[12] Heuer F, Schmidt H, Klezl Z, et al. Stepwise reduction of functional spinal structures increase range of motion and change lordosis angle. Biomech.2007;40(2):271-280.

[13] Chosa E, Totoribe K, Tajima N. A biomechanical study of lumbarspondy- lolysis based on a3-dimensional finite element method. Orthop Res.2004;22(1):158 -163.

[14] Tuttle J, Shakir A, Choudhri HF.Paramedian approach for transforaminal lumbar interbody fusion with unilateral pedicle screw fixation. Technical note and preliminary report on 47 cases. Neurosurg Focus. 2006;20(3):E5.

[15] Xue H, Tu Y, Cai M. Comparison of unilateral versus bilateral instrumented transforaminal lumbar interbody fusion in degenerative lumbar diseases. Spine. 2012;12(3):209-215.

[16] Rapan S, Jovanovi? S, Gulan G. Transforaminal lumbar interbody fusion (TLIF) and unilateral transpedicular fixation. Coll Antropol. 2010;34(2):531-534.

[17] Duncan JW, Bailey RA.An analysis of fusion cage migration in unilateral and bilateral fixation with transforaminal lumbar interbody fusion. Eur Spine. 2012. [Epub ahead of print].

[18] Aoki Y, Yamagata M, Ikeda Y,et al.A prospective randomized controlled study comparing transforaminal lumbar interbody fusion techniques for degenerative spondylolisthesis: unilateral pedicle screw and 1 cage versus bilateral pedicle screws and 2 cages. Neurosurg Spine. 2012;17(2):153-159.

[19] Chen SH, Lin SC, Tsai WC,et al. Biomechanical comparison of unilateral and bilateral pedicle screws fixation for transforaminal lumbar interbody fusion after decompressive surgery - a finite element analysis. BMC Musculoskelet Disord. 2012;13(1):72.

[20] Harris BM, Hilibrand AS, Savas PE, et al.Transforaminal lumbar interbody fusion: the effect of various instrumentation techniques on the flexibility of the lumbar spine. Spine.2004; 29(4):E65-70.

[21] Sethi A, Muzumdar AM, Ingalhalikar A, et al. A Biomechanical analysis of a novel posterior construct in a transforaminal lumbar interbody fusion model an in vitro study. Spine. 2011; 11(9):863-869.

[22] Jang JS, Lee SH. Minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion with ipsilateral pedicle screw and contralateral facet screw fixation. Neurosurg Spine. 2005; 3(3):218-223.

[23] Ao J, Jin AM, Fang GF, et al. Zhongguo Linchuang Jiepouxue Zazhi.2008;26(4):429-432. 敖俊,靳安民,方国芳,等.前路腰椎间融合后路关节突螺钉固定术螺钉应力的有限元研究[J].中国临床解剖学杂志,2008,26(4): 429-432.

[24] Schmidt H, Heuer F, Claes L, et al. The relation between the instantaneous center of rotation and facet joint forces—A finite element analysis. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2008; 23(3):270-278.

引言

经椎间孔腰椎椎体间融合(transforaminal lumbar fusion，TLIF)自20世纪80年代Harms等^[1]报道以来，其独特入路不需要从瘢痕组织中移动神经根，使腰椎翻修手术危险性降低，且只切除一侧关节突关节，脊柱后方稳定结构得以最大限度保留，因此更具有生物力学优势，逐渐成为椎间融合的标准技术之一^[2]。

腰椎关节突关节螺钉主要包括经关节突椎弓根螺钉(transfacetopedicular screw，TFPS)、经椎板关节突螺钉(translaminarfacet screw，TLFS)和近年研发的腰椎关节突界面螺钉(lumbar facet interference screw，LFIS)^_[3]。经关节突椎弓根螺钉和经椎板关节突螺钉自临床应用以来，由于其微创、内固定手术时间短及成本低等优点，逐渐引起了脊柱外科医师的关注。

由于经椎间孔腰椎椎体间融合只破坏了一侧关节突的完整性，需要椎弓根系统坚强内固定，但另一侧没有任何破坏，理论上固定对侧的关节突关节即可协同对侧的椎弓根螺钉达到固定整个功能节段的结果，这种组合固定也称作非对称固定^[4]。Schleicher等[5]就对侧用经关节突椎弓根螺钉和经椎板关节突螺钉的非对称固定进行生物力学稳定性研究，发现稳定性与双侧椎弓根螺钉接近，可满足临床应用所需生物力学要求。Sethi，毛克亚等^[6-7]用经椎间孔腰椎椎体间融合术后路椎弓根螺钉+经椎板关节突螺钉混合固定治疗腰椎退变性疾病，取得很好的治疗效果，认为采取这种组合是一种有效、可靠和较为经济的腰椎融合治疗手段。

然而，临床医生可能会顾虑：由于腰椎局部节段的一侧关节突关节被切除，承受坚强内固定的椎弓根螺钉应力可能会较双侧关节突关节完整时增大，从螺钉安全性考虑，关节突螺钉由于结构简单，且螺钉直径较椎弓根螺钉细，替代关节突完整侧椎弓根螺钉固定时螺钉断裂可能性增加。查阅文献，尚未见经椎间孔腰椎椎体间融合后路关节突螺钉参与的非对称固定后螺钉应力研究的文献报道。

近年来，随着腰椎三维有限元分析技术的不断完善，采用有限元技术在载荷状态下模拟腰椎运动节段及内植物复杂应力已变为现实。作者首次提出经椎间孔腰椎椎体间融合术后路椎弓根螺钉+经关节突椎弓根螺钉这种非对称固定方式^[8]，本研究拟通过建立L₄-₅运动节段经椎间孔腰椎椎体间融合加不同组合内固定(椎弓根螺钉+经椎板关节突螺钉, 椎弓根螺钉+经关节突椎弓根螺钉,双侧椎弓根螺钉固定)模式的三维有限元模型，在500 N/6 Nm载荷下对各种运动状态的螺钉所承受的应力变化进行比较分析，可以在理论上评估关节突关节螺钉尤其是经关节突椎弓根螺钉在非对称固定中的力学安全性，为临床应用提供实验基础和理论依据。

材料方法

设计：三维有限元模型的生物力学分析。
时间及地点：实验于2009年1至3月在南方医科大学骨科实验室和解放军广州军区总医院骨科研究所实验室完成。
材料：
主要仪器和设备：螺旋CT扫描仪，荷兰PHILIPS公司Brilliance64排螺旋CT，图像为标准DICOM 3.0格式。
相关软件：Mimics 11.1软件；Simpleware 3.1软件，Abaqus 6.8软件，Photoshop 7.0软件。
试验模拟的关节突螺钉为Depuy公司的皮质骨螺钉，其中螺钉直径为4.5 mm，长度为50 mm，Synthes GmbH公司PEEK材料的肾形Travios椎间融合器。通用型脊柱内固定系统(general spine system,GSS)椎弓根螺钉系统为江苏欣荣器械公司提供，其中椎弓根螺钉直径为5.5 mm，长度为50 mm，连接棒直径6 mm。
方法：
研究对象：正常成年男性腰椎标本，身高174 mm，体质量78 kg，透视未见腰椎病变、畸形及损伤。
螺旋CT扫描：
CT扫描参数：常规腰椎平扫，扫描参数为管电压120 KV、管电流300 mAs、每旋转1周时间为0.5 s、螺距0.984、层厚0.625 mm。
CT平扫条件：亚毫米状态下高分辨率容积扫描，标本呈仰卧位，头足方向，扫描范围由L₃-S₁椎，扫描条件：120 kV、300 mAs；采用0.625 mm×64排探测器组合，以层厚0.625 mm，螺距0.984，球管旋转1周时间0.5 s扫描，扫描视野30-40 cm，矩阵512×512。
扫描内容：L₄-₅段脊柱标本、椎间融合器、椎弓根螺钉钉棒系统及皮质骨螺钉连续横切扫描。
数据采集：利用光盘刻录全部的数据，格式为DICOM。
建立几何模型：将采集断层图像的数据以DICOM格式转入计算机，对断层CT影像进行预处理，删除软组织和文字标识。调整好连续文件的层厚及点距，利用Mimics11.1软件进行骨组织阈值分割，通过布尔运算及三维自动\手动交互切割功能，分别将L₄、L₅、L₄-₅椎间盘及韧带结构分离出来，从而建立L₄-₅功能节段的几何模型。
然后切除椎间盘、左侧L₄下关节突和L₅上关节突及相邻部分椎板，从而建立L₄-₅椎节段经椎间孔腰椎椎体间融合的几何模型。然后再分别建立椎弓根螺钉、关节突关节螺钉和椎间融合器的三维几何模型，根据要求叠加组合，分别建立经椎间孔腰椎椎体间融合后路各种组合固定的几何模型，见图1。
建立腰椎经椎间孔腰椎间融合3种固定方式的三维有限元模型：将CT扫描所得的数据以DICOM 3.0格式转入计算机，借助Mimics 11.1软件，建立L₄-₅节段的几何模型。将几何模型转入Simpleware 3.1软件，同时将椎弓根螺钉，普通皮质骨螺钉及椎间融合器以STL格式转入Simpleware软件进行匹配，分别模拟椎弓根螺钉+经椎板关节突螺钉, 椎弓根螺钉+经关节突椎弓根螺钉，双侧椎弓根螺钉固定，从而建立有限元模型，导入Abaqus 6.8软件进行分析，材料参数设置见表1 ^[9-10]。

关节突关节及cage与终板之间的摩擦因数均设置为0.3。棘上、棘突间韧带和横突间韧带等韧带结构设置为No Compression。具体模型见图2。

模型验证：建立的L₄-₅功能节段的三维有限元模型在6Nm扭矩下的ROM和屈曲负荷作用下压力-位移曲线、屈曲扭矩作用下椎间盘内应力等指标均与既往文献报道相接近^[11-12]，证实模型有效。

加载与运算：

加载方法：①将L₅椎体下表面全固定，即X\Y\Z 3个方向的自由度和旋转全部约束，向L4椎体上表面持续施加面载荷，压力方向垂直向下，大小相当于人体质量的2/3(约50 kg)，取500 N^[13]，并使此载荷均匀分布于整个L₄椎体的上终板表面。②在垂直加载500 N载荷的同时，在L4椎体上表面施加6 Nm力矩，分前屈、后伸、左\右侧弯及左\右轴向旋转等6种情况加载。实验所采用的应力尺度为主应力，即应力。

结果计算：采用定性和定量两种方法表示。前者用各组合螺钉应力分布云图显示。后者记录各加载情况下的Von Mises峰值并进行直接比较，未涉及统计学分析方法。

主要观察指标：各组合螺钉在屈伸、侧弯和旋转等各种生理载荷下的应力云图和峰值。

讨论

有学者认为，经椎间孔腰椎椎体间融合只破坏一侧关节突关节，因此在破坏侧行椎弓根螺钉固定即可取得满意的疗效^[14-16]。但也有学者发现存在固定不稳，椎间融合器移位的概率较高，疗效也存在一些不确定因素^[17-18]，Chen等^[19]通过有限元分析也认为有必要在对侧关节突螺钉固定以使融合节段更加稳定。随着微创观念的深入人心，关节突关节螺钉由于结构简单、可经皮置入、成本低廉，加之生物力学证实其是可靠选择之一^{[4-5，20-21]}。

虽有生物力学测试表明这种不对称固定的刚度和稳定性与椎弓根螺钉固定比较无显著性差异^[6]。但有学者认为，经关节突椎弓根螺钉经皮置入较经椎板关节突螺钉方便，具有比经椎板关节突螺钉神经损伤可能性小的优点^[22]。作者设想能否用经关节突椎弓根螺钉取代经椎板关节突螺钉固定，但尚需从内植物应力角度分析其安全性。

本有限元研究结果表明，在经椎间孔腰椎椎体间融合后路3种组合内固定中，关节突螺钉和椎弓根螺钉应力集中特点仍为关节突螺钉应力集中于关节突关节部，椎弓根螺钉应力集中主要在下位螺钉螺帽和螺杆交界处以及连接棒中部，应力峰值均位于以上部位。应力集中特点并未因融合方式的改变而变化，说明螺钉应力特点是由自身结构特点与在腰椎中的解剖空间位置决定的^[23]。

经椎间孔腰椎椎体间融合后路螺钉组合固定时，手术切除了一侧关节突关节，由于该侧关节突关节支持作用丧失，使本应由关节突关节承担的负荷转嫁到支撑该侧的椎弓根螺钉上，使螺钉的应力发生了改变，表现为双侧螺钉固定时应力明显不对称：一方面，表现为在屈曲\后伸、左\右侧弯和左\右旋转等相反方向运动时同侧螺钉应力峰值差异明显；另一方面表现为同种运动时，不同组合固定两侧螺钉应力峰值差异明显，在非对称固定时这些差异更为明显。由于临床上，螺钉疲劳断裂常发生在高应力的部分，所以作者重点讨论较高应力峰值的成因，并提出预防螺钉断裂的对应策略。

经椎间孔腰椎椎体间融合后路双侧椎弓根螺钉固定时，除右侧弯外，左侧的椎弓根螺钉应力明显大于右侧(因右侧弯时，右侧椎弓根螺钉承受压缩应力，是主要受力结构)。尤其是左旋运动时，由于涉及椎弓根螺钉的框架结构，应力由上位椎体向下传导和钉棒连接处的扭转作用，加上螺钉与瞬时旋转中心(ICR，Schmidt等^[24]研究表明，ICR位于椎间盘中心位置，随着力矩增大，会朝着运动方向偏移，旋转运动时还伴有后方偏移趋势)的力臂最短，使椎弓根螺钉的应力急剧升高。而在右旋时，ICR偏移向右后侧，螺钉与旋转中心的力臂变长，主要是椎弓根螺钉的框架力传导和钉棒连接处扭转起作用，所以左侧的椎弓根螺钉应力升高没有左旋那样猛烈。在椎间植骨未融合前，这种趋势常此以往，势必造成左侧椎弓根螺钉的疲劳断裂可能性增加，尤其在钉帽与螺杆交界处。因此，作者认为行经椎间孔腰椎椎体间融合加椎弓根螺钉固定术后要严格限制腰部的旋转运动，尤其是关节突切除侧的旋转运动，以减少螺钉疲劳断裂的危险性。

在非对称固定时，由于关节突关节螺钉主要位于腰椎后柱，不能将应力有效地传导到腰椎前、中柱，加之螺钉不是椎弓根螺钉那样呈框架结构，所以螺钉在各个运动状态时的应力均不大，即使是在右侧弯时螺钉应力也不是很大。同时，也可能是这个原因，载荷部分转移至框架结构的左侧椎弓根螺钉，使椎弓根螺钉应力相应增大，尤其在旋转动作时，4种因素同时作用(椎弓根螺钉框架力传导及扭转、关节突切除的载荷转嫁、距离旋转中心力臂短以及关节突螺钉的应力转移)，使椎弓根螺钉应力增加更为迅猛。因此，表现出关节突螺钉组合的内固定的左侧椎弓根螺钉应力明显高于双侧椎弓根螺钉固定时左侧椎弓根螺钉应力。

至于椎弓根螺钉+经关节突椎弓根螺钉固定在后伸、左侧弯及旋转运动时左侧椎弓根螺钉应力峰值明显大于其他两组固定，作者推测可能与经关节突椎弓根螺钉与腰椎水平面成较大夹角，且距离旋转中心较经椎板关节突螺钉近，在这些运动时，剪切应力增大，使对侧坚强框架结构的椎弓根螺钉可能承受更多的应力，表现为左侧椎弓根螺钉应力峰值最大。该值略大于椎弓根螺钉+经椎板关节突螺钉固定中椎弓根螺钉的峰值，明显大于双侧椎弓根螺钉固定中左侧椎弓根螺钉的应力峰值，因此，在非对称固定时，也应像双侧椎弓根螺钉固定那样，术后严格控制旋转运动，防止椎弓根螺钉断裂。

由于椎弓根螺钉直径较关节突螺钉直径粗，需更大重复应力才可能使螺钉发生疲劳断裂。因此，尽管螺钉应力较大，只要术后有效限制旋转运动，椎弓根螺钉疲劳断裂的风险仍然较小。同时在非对称固定时在关节突切除侧选用适合椎弓根的较粗螺钉，也可降低断裂的风险。

从右侧固定的3种螺钉应力峰值看，均小于左侧螺钉，考虑部分原因为关节突的支撑作用，而在旋转时螺钉应力较高，尤其是左旋运动时。作者推测可能是由于旋转运动时，右侧关节突位移趋势和应力负荷较大，弹性模量大的螺钉承受的剪切应力相应增多。尽管关节突螺钉直径比椎弓根螺钉小，但其所受的应力也明显小于椎弓根螺钉，理论上关节突螺钉断裂的可能性也较小。

综上所述，在3种螺钉组合中，以旋转时左侧椎弓根螺钉的应力较高，尤以椎弓根螺钉+经关节突椎弓根螺钉时明显，所以经椎间孔腰椎椎体间融合内固定术后，应严格限制旋转运动，同时非对称固定时该侧可尽量选用略粗直径的椎弓根螺钉，以减少螺钉断裂的风险。由于关节突关节螺钉受力较小，螺钉断裂的风险较小。在总体上评价，非对称固定时左侧椎弓根螺钉断裂风险在椎弓根螺钉+经关节突椎弓根螺钉组合旋转时稍高。

作者贡献：设计实验者为第一、六作者，资料收集为第二作者，实施为第一、二作者，实施为第二、四、五作者，评估为第三作者，评估未采用盲法。
利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。
伦理要求：未涉及与相关伦理道德冲突的内容。
作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责自负。

腰椎间融合后路非对称与对称固定螺钉应力的有限元比较

Screw stress features of the posterior asymmetric or symmetric fixation of transforaminal lumbar fusion based on a three-dimensional finite element method

PDF

可视化

被引次数

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 6

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]	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.
[3]	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.
[4]	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.
[5]	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.
[6]	梁彦, 赵永飞, 徐帅, 朱震奇, 王凯丰, 刘海鹰, 毛克亚. 影像学评估高选择性神经根封闭辅助退行性脊柱侧凸短节段固定融合的效果[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1423-1427.
[7]	高燕, 赵力聪, 赵洪增, 朱园园, 李杰, 桑德恩. 慢性椎间盘源性下腰痛患者脑静息态低频振幅的改变[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1160-1165.
[8]	蔡群斌, 邹霞, 胡剑涛, 陈心敏, 郑利钦, 黄培镇, 林梓凌, 姜自伟. 有限元法分析尖顶距与股骨近端防旋髓内钉固定股骨转子间骨折稳定性的关系[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 831-836.
[9]	侯广原, 张继学, 张志军, 孟祥晖, 段文, 高维陆. 骨水泥强化椎弓根螺钉内固定治疗伴骨质疏松腰椎退行性疾病的1年随访[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 878-883.
[10]	宋成杰, 常恒瑞, 石明鑫, 孟宪中. 侧方入路腰椎融合治疗后的生物力学稳定性的研究与进展[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 923-928.
[11]	刘钊, 徐西林, 申意伟, 张晓峰, 吕航, 赵军, 王政春, 刘旭卓, 王海涛. 塌陷预测方法联合分期分型对股骨头坏死治疗的指导作用与前景[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(6): 929-934.
[12]	杨洋, 姚羽, 沈孝天, 刘佳佳, 薛建华. 退变腰椎间盘中白细胞介素21的表达及意义[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 690-694.
[13]	付拴虎, 秦凯, 卢大汉, 覃海飚, 谷金, 陈勇喜, 覃浩然, 韦家鼎, 伍亮, 宋泉生. 载链霉素硫酸钙人工骨椎间孔镜下植入联合经皮置钉治疗腰椎结核[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 493-498.
[14]	张国梅, 祝军, 胡杨, 焦红卫. E-Max瓷嵌体三维有限元模型粘接界面应力分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(4): 537-541.
[15]	梁彦, 赵永飞, 朱震奇, 刘海鹰, 毛克亚. 微创经椎间孔腰椎椎体间融合固定治疗椎间盘源性脊柱侧凸：冠状面和矢状面平衡的2年随访[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 409-413.