腰椎单侧椎弓根体部无移位型骨折的三维有限元分析

文毅，马朋朋，苏峰，宗治国，李月轩，毛振，张志敏

(1 河北北方学院，河北张家口075000；2 河北北方学院附属第一医院)

腰椎单侧椎弓根骨折根据骨折部位可分为椎弓根与椎体结合部位骨折、椎弓根体部骨折、椎弓根与椎板结合部位骨折[1]。对于椎弓根与椎体结合部位骨折、椎弓根与椎板结合部位骨折，大部分学者主张采取椎弓根螺钉固定。椎弓根体部骨折可分为移位型骨折和无移位型骨折。移位型椎弓根体部骨折骨折块或内固定螺钉进入髓腔风险较大，较易伤及脊髓，故以保守治疗为宜[2～4]。而对于无移位型椎弓根体部骨折，是否可经伤侧椎弓根置入椎弓根螺钉固定，目前临床上尚有争议。本研究模拟无移位型椎弓根体部骨折经伤侧椎弓根置入椎弓根螺钉固定，观察置入椎弓根螺钉前后伤椎及临近椎体和椎弓根螺钉受力情况，旨在为无移位型椎弓根体部骨折临床治疗决策提供依据。

1 资料与方法

1.1 临床资料 选择2017年7月在河北北方学院附属第一医院体检的1名女性健康志愿者，年龄45岁，体质量60 kg，身高166 cm。经体格检查和X线、CT等影像学检查排除畸形等脊柱相关疾病。本研究经河北北方学院附属第一医院医学伦理委员会批准，健康志愿者知情同意。

1.2 三维有限元模型建立 采用GE 64排螺旋CT扫描健康志愿者L3～S1椎体，扫描层厚2 mm、螺距1.0，将扫描获得的CT图像以DICOM格式存储并导入Mimics软件中。将骨骼阈值界定为226～1 477 HU，经阈值分割定位L4～5椎体，多层编辑擦除L4、L5椎体外的椎体和软组织；经区域增长，通过Calculate 3D建立L4～5椎体模型。L4～5椎体模型经光滑处理，运用模拟功能中的切断功能切断L4椎体一侧椎弓根中部，制成L4椎体单侧椎弓根体部无移位型骨折模型(以下称L4椎体骨折模型)。将制作好的L4椎体骨折模型与L5椎体以stl格式导入3-matic中。CT扫描椎弓根螺钉，将CT图像以DICOM格式导入Mimics软件中，经过阈值分割、区域增长、Calculate 3D建立椎弓根螺钉模型，通过布尔减法运算建立伤椎螺钉置入通道，并与L4椎体骨折模型组装，以stl格式导入3-matic中[5～7]。

1.3 椎间盘建立及网格划分 在3-matic中，标记L4椎体下表面和L5椎体上表面，利用解剖重建功能建立椎间盘，利用包裹功能建立上下终板，利用缩放功能建立髓核，利用布尔减功能建立纤维环。将建好的椎间盘各部分运用划分网格功能划分面网格和体网格，网格最大边长为1 mm，采用四面体10节点(solid187)单元，单元数为20 666个，节点数为40 465个。L4～5椎体采用四面体10节点(solid92)单元，网格最大边长为3 mm，椎弓根骨折模型单元数为34 898个、节点数为54 703个，置入椎弓根螺钉骨折模型腰椎单元数为35 047个、节点数为55 160个。椎弓根螺钉采用四面体10节点(solid187)单元，网格最大边长为1 mm，单元数为5 831个，节点数为11 099个[8，9]。

1.4 模型材料属性 将划分好面网格和体网格的椎体、椎间盘、椎弓根螺钉分别以CDB格式导入Mimics软件，计算椎体HU，采用均分法将椎体体网格按HU划分成10种材料属性。椎弓根螺钉、椎间盘各部分因HU接近，划分为1种材料属性。按相关公式赋予材料属性：密度=1×HU，弹性模量=7.136×密度-172.3，泊松比：皮质骨为0.30、松质骨为0.20、终板为0.25、纤维环为0.45、髓核为0.49[10，11]。椎弓根螺钉选用低弹性模量医用钛合金Ti2448，弹性模量为30 GPa，泊松比为0.10[12～14]。

1.5 载荷加载及力学分析 将L4椎体骨折模型置入椎弓根螺钉前后赋予材料属性，并导入Ansys有限元分析软件中，运用弹簧单元功能模拟韧带，设置为只受拉不受压模式，分别建立前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带。固定L5椎体底部，分别在置入椎弓根螺钉前后于L4椎体上表面施加500 N应力，模拟生理情况下椎体承受垂直载荷的受力情况，并给予10 N/m力矩，模拟椎体垂直、前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋活动工况[15～17]，获得L4椎体在置入椎弓根螺钉前后L5椎体的应力分布、L4椎弓根应力分布以及椎弓根螺钉前、中、后部应力分布情况。

2 结果

L4椎弓根、L5椎体椎弓根螺钉置入前后不同活动工况的等效应力比较见表1。椎弓根螺钉前、中、后部所受的等效应力分别为(5.31±3.11)×105、(35.13±24.72)×105、(0.02±0.01)×105Pa。椎弓根螺钉前、中、后部所受的等效应力比较P<0.05。

表1 不同活动工况下L5椎体、L4椎弓根手术前后及椎弓根螺钉所受的等效应力比较

注：与同活动工况椎体或椎弓根术前比较，*P<0.05；与同活动工况L4椎弓根术后比较，#P<0.05。

3 讨论

临床上腰椎椎弓根骨折多为复合暴力损伤所致，常合并椎体、关节突、峡部或椎板骨折，而单纯单侧椎弓根骨折相对少见。一般认为，单纯腰椎单侧椎弓根骨折是由于结构不良或疲劳导致局部应力集中所致。腰椎单侧椎弓根骨折根据骨折部位可分为椎弓根与椎体结合部位骨折、椎弓根体部骨折、椎弓根与椎板结合部位骨折。目前，对椎弓根与椎体结合部位骨折、椎弓根与椎板结合部位骨折临床多采取置入椎弓根螺钉内固定治疗，而椎弓根体部骨折采用椎弓根螺钉内固定治疗尚存在争议，大多根据椎弓根体部骨折是否稳定来决定保守治疗还是手术治疗，有神经刺激症状是手术治疗的指征。对于移位型椎弓根体部骨折，因手术过程中椎弓根螺钉或骨折断端进入髓腔风险较大，易伤及脊髓，多主张保守治疗。而对于无移位型椎弓根体部骨折，置入椎弓根螺钉过程中伤及脊髓的风险较小，可考虑置入椎弓根螺钉来提高腰椎椎弓根的稳定性。

有限元分析是脊柱生物力学研究的主要方法之一，可用来分析生理或病理过程中的力学变化，以便为设计和改进手术器械提供理论依据。本研究成功构建了腰椎单侧椎弓根体部无移位型骨折模型和置入椎弓根螺钉内固定模型，并赋予其类似人体皮质骨、松质骨以及钛合金椎弓根螺钉的材料属性，继而通过有限元仿真力学分析来评估腰椎单侧椎弓根体部骨折置入椎弓根螺钉前后腰椎和椎弓根螺钉受力情况。结果显示，L4椎体经伤侧椎弓根置入椎弓根螺钉后，L5椎体在后伸位所受应力最大，说明经伤椎置入椎弓根螺钉后，下位椎体在后伸位时所受应力最为集中，在伤椎愈合之前，频繁的后伸运动可导致下位椎体和椎间盘退行性变[18，19]。置入椎弓根螺钉后，后伸工况时伤椎椎弓根所受应力较置入椎弓根螺钉前明显降低，其所受应力主要集中于椎弓根螺钉中部，且椎弓根螺钉承受了大部分伤侧椎弓根的应力，有利于伤侧椎弓根愈合。但椎弓根螺钉应力过于集中，断钉风险增加，故腰椎单侧椎弓根置钉术后要限制腰椎大范围过伸运动[20]。而在腰椎左旋、右旋工况时，伤椎椎弓根所受应力均较术前增加，椎弓根螺钉在旋转运动时承受应力最高，应力集中于骨折断端处，而下位椎体承受应力较术前明显降低，故在伤椎置钉术后要限制腰椎左旋、右旋运动，防止应力集中于伤椎椎弓根和椎弓根螺钉，继而导致螺钉松动或骨折断端移位。腰椎在前屈运动时，因后柱为张力侧，伤椎椎弓根螺钉应力明显增加，伤椎椎弓根应力明显减小，有利于椎弓根骨折愈合。而椎体在垂直、前屈、左弯、右弯工况时，椎弓根螺钉置入前后伤椎椎弓根及临近椎体应力均无明显变化。由于本次构建的模型未建立肌肉、血管等软组织，忽略了软组织对生物力学的影响，而有限元分析只能反映仿真模型某一时间点生物力学变化，故伤椎不同活动工况时真实的生物力学变化还需进一步探索。

综上所述，腰椎单侧椎弓根体部无移位型骨折经伤椎置钉可减轻骨折断端所受应力，提高其稳定性，促进骨折愈合，但需适度限制腰椎后伸、左旋、右旋运动，防止椎弓根螺钉断裂或松动，减轻下位椎体退行性改变。