跨伤椎与经伤椎固定治疗胸腰椎爆裂性骨折的有限元分析*

郝正新 张元智 包金全 杨勇 金志鑫 崔旭忠 刘瑞*

胸腰椎爆裂性骨折常为高能量损伤，好发于青壮年，多合并明显的后凸畸形和不同程度的神经损伤[1]。脊柱内固定的目的在于提供节段的稳定性，随着椎弓根螺钉技术的发展以及其贯穿三柱的特点，目前后路椎弓根固定已经逐渐成为主流，但临床上也不乏内固定失败的病例，对于内固定方式的选择仍存在争议[2-3]。以往利用体外实验研究不同内固定方式效果受到诸多限制，近年来随着计算机技术的发展，利用有限元方法研究内固定器械的力学特性得到广泛认可[4-5]。因此本实验目的在于：①直接对伤椎进行建模，得到更加接近骨折实际情况的有限元模型；②对比跨伤椎4 钉内固定与经伤椎6 钉内固定两种方法治疗L1椎体爆裂性骨折的应力分布情况，为临床实践提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取1 例因高处坠落伤致L1椎体爆裂性骨折就诊于我院的患者，利用CT 扫描胸腰椎，以DICOM 格式将CT 图像数据保存。患者对本实验方案知情同意。

基本信息：患者，男，56 岁，身高175 cm，体重70 kg，因“坠落致腰部疼痛伴活动受限”就诊于本院。患者无基础疾病，既往史无特殊，查体无神经症状。影像学资料见图1，胸腰椎正侧位可见L1椎体上终板明显凹陷，CT 示L1椎体爆裂骨折伴椎板骨折，MRI 示L1椎体内部片状高信号，骨折分型[6]（AO 分型）：L1：A4（N0；M1），为新鲜骨折，BMD：+0.8 g/cm2。

图1 患者影像学资料：A.胸腰椎正侧位X 线片可见L1 椎体上终板明显凹陷；B.CT 示L1 骨折累及椎体前壁、后壁及椎板；C.MRI 示L1 椎体内部片状高信号

扫描设备：美国GE64 排螺旋CT。

扫描参数：层厚：0.625 mm，矩阵512×512 dpi，球管电压150 kV，电流260 mA。

1.2 建立模型

将原始CT图像数据导入Mimics 21.0(比利时，Materialise公司）软件中，利用不同组织间灰度值差异及相关解剖学特点，建立T12-L2椎体的三维模型，以.stl 格式保存。在3-matic 13.0 软件中，根据上下椎体的位置利用布尔逻辑运算等工具重建终板、纤维环、髓核及韧带等结构，终板厚度为1 mm，髓核占椎间盘体积40%。网格划分采用四面体结构，为简化运算使用“Adaptive Remesh”功能调整不同部位的网格疏密程度，限制椎体中实体网格的最大边长2 mm，其余结构最大边长为1 mm。在Mimics 中利用CT 灰度赋值经验公式对骨骼赋予材料属性。考虑到笔者根据患者术前的CT 资料直接构建骨折模型，因此参考前人的方法[7-9]为其余结构赋予材料属性（见表1）。

表1 材料属性

根据椎弓根螺钉的实际尺寸在Solid works（美国，Dassault公司）软件中绘制出内固定模型并导入3-matic 软件中，在术者指导下将螺钉调整至合适位置，分别建立跨伤椎4 钉与经伤椎6 钉内固定模型。

CT 灰度赋值经验公式：

密度=47+1.122×灰度值；

杨氏模量=-172+1.92×密度；

泊松比0.3

1.3 模型的约束与加载

将上述模型导入ABAQUS 12.1（美国，Dassault 公司）软件中，固定L2下表面，椎体与螺钉之间为绑定关系，椎体的上、下关节突之间的关节面的相互作用定义为接触，摩擦系数定义为0.1。在T12上表面施加一垂直向下500 N 载荷以模拟人站立时上身重量，同时分别施加不同方向7.5 Nm的力矩模拟前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6 种情况。观察各种载荷下两种内固定模型的应力分布及位移情况。

2 结果

成功建立了跨伤椎4 钉与经伤椎6 钉两种内固定模型。

2.1 位移情况

通过施加载荷后观察位移云图（见图2）可以发现两种模型的活动度无明显差异，模型的最大和最小位移分别出现在前屈和后伸时（见图3）。

图2 分别代表4 钉模型和6 钉模型在6 种不同姿势下的位移变化，示两种模型的活动度无明显差异，模型最大和最小位移都分别出现在前屈和后伸时：A.前屈；B.后伸；C.左侧屈；D.右侧屈；E.左旋；F.右旋

图3 不同姿势下6 钉模型和4 钉模型的最大位移量比较

2.2 应力分布

通过观察应力云图（见图4），可以发现两种模型的应力均集中在螺钉根部及钉棒连接处，螺钉应力的最大值和最小值分别出现在前屈和后伸时，与位移变化相对应。不论何种加载条件，经伤椎6 钉模型中螺钉应力峰值均明显小于跨伤椎4 钉模型（见图5），且由于中间钉的存在，使得原本集中在纵杆与下位螺钉连接处的应力部分向上转移，让整体内固定系统的应力更加分散。

图4 分别代表6 种不同姿势下4 钉模型和6 钉模型中内固定的应力分布情况，不论何种加载条件下，经伤椎6 钉模型中螺钉应力峰值均明显小于跨伤椎4 钉模型，两种模型的应力均集中在螺钉根部及钉棒连接处，螺钉应力的最大值和最小值分别出现在前屈和后伸时：A.前屈；B.后伸；C.左侧屈；D.右侧屈；E.左旋；F.右旋

图5 不同姿势下4 钉模型和6 钉模型中螺钉的应力峰值比较

3 讨论

对于胸腰椎爆裂性骨折，手术内固定的目的在于提供节段的稳定性，希望通过内固定系统承担并传递伤椎的载荷，以利于神经和骨组织的修复。以往采用跨伤椎4 钉的固定模式虽然取得了良好的治疗效果，但断钉断棒的病例也不鲜见。目前认为，内固定失败是多因素的结果，其中选择合理的手术方法是很重要的一点[10]。随着经伤椎固定理念的提出和推广，越来越多的研究结果表明，其在恢复和维持伤椎高度及后凸Cobb 角、术后并发症及预后等方面的效果优于跨伤椎固定[11-12]。经伤椎固定缩短了椎间固定点间的距离，避免了传统方法的“悬挂效应”和“平行四边形效应”，系统内应力更分散，具有更好的稳定性。

3.1 直接对伤椎建模

本实验利用三维有限元方法研究两种不同内固定方式治疗胸腰椎爆裂性骨折的应力分布情况，建模及分析的流程已被广泛应用。有限元分析的前提和基础是构建精确和逼真的模型，只有通过不断改进的模型才可能得到更加接近实际情况的数据结果。随着计算机技术的飞速发展，有限元的建模方法也在不断改进。最初的脊柱模型仅包含了椎体和椎间盘，如今已囊括了终板、韧带及关节囊等结构并日臻完善。因此本文提出以下几点创新之处：①对于胸腰椎爆裂性骨折模型，有学者采用通过对健康人模型切割等手段建立骨折模型的方法，如Wang 等[13]先对健康志愿者进行数据采集并建立模型后，通过切除某一椎体下半部分来模拟爆裂性骨折，确实完全“破坏”了前中柱的支撑作用，但在“伤椎”置钉后会发现，螺钉前段所在的上半部分椎体并未“爆裂”，导致伤椎对螺钉的把持力和轴向载荷的传递与正常模型无异。因此本实验选取一例L1椎体爆裂性骨折患者，直接对其伤椎行CT 扫描并进行建模，以求尽可能还原骨折的形态。②胸腰段椎体爆裂性骨折中除椎体发生“爆裂”外，后方椎板也常受到累及发生断裂，本病例即属此类（图1 B 中CT 图像所示），但以往的学者在建模时往往忽略了后方结构的破坏，基于此现状，笔者根据该患者的影像学资料所建立的模型就能自然地模拟椎板断裂的情况，对临床实践更具参考意义。③模型的外形和材料属性均会影响整体的力学性能。在定义椎体骨性组织的材料属性时，有学者采用手动赋值法，人为确定皮质骨的厚度，将椎体简单划分为松质骨和皮质骨两部分并分别赋值；Liao 等[14]和Alizadeh 等[15]提出将椎弓根等后部结构与前方椎体分别赋值，得到的椎体模型仅由三种属性的材料构成。显然都与实际情况有一定差距。荀福兴[16]对比了手动赋值法与CT 灰度值赋值法两种方式，发现根据CT 灰度值赋值更贴近人体骨骼复杂材料属性的实际情况，因此，本实验参考其方法为椎体赋值，具有更接近的模拟效果。④Park 等[17]和Hong 等[18]的实验均发现屈伸活动时横连接的存在会明显增加连杆上的应力，可能增加连杆的断裂风险，因此本实验中两种内固定方式均未使用横连接。

3.2 模型的位移和应力分布情况

观察位移云图，6 种载荷下两组模型的最大位移无明显差别，这与Wang 等[13]的实验结果相似，说明两种固定方式均可重建节段的稳定性。但不同之处在于，右旋时跨伤椎4 钉模型较经伤椎6 钉模型最大位移值增加近7.0%，而在其他5 种姿势下两种模型最大位移相差不超1.5%；同时应力云图中也可见在右侧屈和右旋时，两种模型螺钉应力峰值均明显高于相对应的左侧屈和左旋时的结果。分析其原因，一是椎体模型之间存在差异且左右并不完全对称；第二，也是笔者认为更重要的一点，椎弓与椎体后壁构成的环形结构含有较多的皮质骨，对前方的椎体有支撑和约束作用，由于患者L1椎体后壁及椎板同时存在断裂，环形皮质骨结构遭到破坏导致强度下降，而Wang等的模型并未考虑到这一点。Su 等[19]对健康腰椎模型施加载荷后也发现，屈曲时应力集中在前柱上，而在侧屈和旋转时，应力转移到了后方的环形结构周围。若将伤椎椎体前壁、后壁及椎板处的破坏连成一条线，可把伤椎看成左右两个部分，受伤时产生的轴向载荷会促使其分离移位。而目前手术的关注点在于椎体高度的恢复，后方结构的复位往往被忽视，若能获得良好的复位，势必会增加术后的侧屈及旋转稳定性。

本实验中两种模型均在螺钉根部及钉棒连接处产生应力集中现象，与临床中常见到的内固定失败断裂的位置相符合。笔者发现不论何种加载条件下经伤椎固定模型的螺钉应力峰值均明显小于跨伤椎固定模型，原因可能是中间钉将集中在伤椎的应力部分转移到了连杆上，这也间接解释了经伤椎固定后复位丢失较少的现象。从应力云图上可以发现，连杆的应力多集中在远端，中间钉使连杆中部出现了第二个应力中心，应力更加分散。6 种工况下，两种模型都在前屈时出现了最大的应力峰值和最大位移，这与Basaran 等[20]和Wang 等[21]的结果相似，由于单纯的后路固定改变了脊柱原有的力学传导结构[22]，前柱的压缩负荷被大大减少，因此对于内固定系统的稳定性要求更高。稳定可靠的内固定对于患者术后的康复锻炼无疑是有利的，随着加速康复外科理念的推广，经伤椎6 钉的内固定模式将逐渐成为主流。

本实验也同样存在诸多不足，如将椎体与螺钉间的相互作用定义为绑定，忽略了两者间的微动，同时本实验也未能模拟肌肉在各种条件下的作用，未能考虑到脊柱力线对实验的影响。

综上所述，笔者认为经伤椎6 钉内固定和跨伤椎4 钉内固定均可有效恢复节段的稳定性，经伤椎6 钉模型的力学表现更好，应力更加分散，可能减少内固定失败的发生。