有限元法分析胸腰椎骨折椎弓根钉置入内固定的应力分布.doc

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邓海棠. 有限元法分析胸腰椎骨折椎弓根钉置入内固定的应力分布

有限元法分析胸腰椎骨折椎弓根钉置入内固定的应力分布

邓海棠(肇庆市第一人民医院，广东省肇庆市 526000)

引用本文：邓海棠. 有限元法分析胸腰椎骨折椎弓根钉置入内固定的应力分布[J].中国组织工程研究，2016，20(17): 2533-2539.
DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.17.014 ORCID: 0000-0003-0840-2808(邓海棠)

文章快速阅读：
有限元法分析胸腰椎骨折椎弓根钉置入内固定应力的变化

邓海棠，男，1970年生，广东省云浮市人，汉族，1996年广东医学院毕业，副主任医师，主要从事脊柱创伤方面的研究。

中图分类号:R318
文献标识码:B
文章编号:2095-4344
(2016)17-02533-07
稿件接受：2016-03-08
http://WWW.crter.org

目的
结局及意义

观察指标

对象招募
基于有限元模型可直观了解椎弓根螺钉的应力分布，为临床制定椎弓根置钉方案提供依据。

采用有限元方法分析椎弓根钉置入内固定的应力分布情况。
(1)观察后路不同脊柱模型各运动状态下的三维运动范围；
(2)观察后路短节段不同内固定模型各运动状态的上位螺钉应力；
(3)观察后路短节段不同内固定模型各运动状态的上下位螺钉应力比。

对1例胸腰椎爆裂骨折患者的T9-L3节段进行CT扫描

文题释义：
脊柱物理模型：脊柱在解剖结构、负荷分布以及材料性能等方面的复杂性使得脊柱物理模型在建立时困难相对较大。虽然脊柱生物力学的研究获得了阶段性的进展，但是体外实验不能提供足够的生物力学结果，导致许多生物力学研究难以顺利进行，再加上体外生物力学实验价格比较昂贵，可重复性较差。
脊柱单元有限元模型：通过建立有限元模型能研究脊柱单元的僵直度及脊柱侧凸矫形后远期效果等，具有活体实验不具备的优势。模型建立过程中能够获取椎体和软组织的几何形态，对脊柱节段的各个机构赋予相应的生物力学属性，通过与体外力学实验结果进行对比，验证模型的有效性和准确性。

摘要
背景：脊柱手术对精确性要求相对较高。目前临床上对于椎弓根螺钉置入研究更多的集中在其安全性和稳定性方面，但是前提是螺钉的安全有效置入，选择置入点是置钉成功的关键。
目的：应用有限元方法分析胸腰椎骨折不同椎弓根钉置钉方案的应力分布。
方法：对2015年1月肇庆市第一人民医院骨科收治的1例胸腰椎爆裂骨折患者的T9-L3节段进行CT扫描，获得Dicom格式CT图像616张，导入工程软件，建立有限元几何模型，模拟后路矫形手术，分析胸腰椎骨折椎弓根钉置入内固定后的应力分布情况。
结果与结论：①在不同运动状态下，后路伤椎6钉2棒固定固定在前屈、侧弯、轴向旋转上的三维运动范围最小；其次为后路5钉2棒固定(单右侧伤椎固定)；而后路伤椎4钉2棒固定三维运动范围最大，生物力学稳定性最差；②不同的固定模型下，后路跨伤椎4钉2棒固定、后路伤椎4钉2棒固定、后路伤椎6钉2棒固定、后路5钉2棒固定(单右侧伤椎固定)以及后路6钉2棒固定(伤椎上位固定)前屈状态时上位螺钉应力大于其他运动状态，其次为左轴旋、右轴旋；不同运动状态螺钉应力比较差异有显著性意义(P < 0.05)；③不同的固定模型下，后路跨伤椎4钉2棒固定、后路伤椎4钉2棒固定、后路伤椎6钉2棒固定、后路5钉2棒固定(单右侧伤椎固定)以及后路6钉2棒固定(伤椎上位固定)后伸状态时上下位螺钉应力比值均显著大于其他运动状态(P < 0.05)，其次为右轴旋、右侧弯，不同运动状态的上下位螺钉应力比值的比较差异有显著性意义(P < 0.05)；④结果提示，有限元分析能够更好的模拟复杂的脊柱力学系统，准确反映脊柱模型椎弓根螺钉的应力分布，为临床制定椎弓根置钉方案提供参考依据。
关键词：
骨科植入物；数字化骨科；计算机辅助影像；脊柱椎弓根钉；有限元分析；内固定；连续扫描；固定模型；应力分布；置钉方案

3
P.O.Box 1200,Shenyang 110004 kf23385083@
主题词：
脊柱骨折；内固定器；生物力学；有限元分析；组织工程

Stress distribution of pedicle screw fixation for thoracolumbar fractures with finite element analysis

Deng Hai-tang (Zhaoqing First People’s Hospital, Zhaoqing 526000, Guangdong Province, China)

Abstract
BACKGROUND: Spinal surgery requires a relatively high accuracy. At present, the study of pedicle screw fixation is more focused on the safety and stability, but the premise is the safe and effective screw placement. Selection of the insertion point is the key to success.
OBJECTIVE: To analyze stress distribution of different pedicle screw implantation methods for thoracolumbar fractures by using finite element analysis.
METHODS: T9-L3 segments of a thoracolumbar burst fractures patient were scanned in the Department of Orthopedics, Zhaoqing City First People’s Hospital in January 2015. 616 CT Dicom images were obtained and introduced into engineering software. Finite element geometric model was established. Posterior approach orthopedic surgery was simulated. Stress distribution after pedicle screw fixation for thoracolumbar fractures was analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The three-dimensional motion range of the fixation with six screws and two rods was small in anteflexion, lateral bending, and axial rotation, followed by five screws and two rods by posterior approach (single right vertebral fixation). The motion range of the fixation with four screws and two rods was biggest, but biomechanical stability was poorest. (2) In different fixation models, upper screw stress was larger in anteflexion than other states in the fixation with four screws and two rods by posterior trans-traumatic-vertebra, four screws and two rods by posterior injured vertebra, six screws and two rods by posterior injured vertebra, five screws and two rods by posterior approach (single right injured vertebra) and six screws and two rods by posterior approach (upper injured vertebra), followed by left axial rotation and right axial rotation. Significant differences in screw stress were found in different motion states (P < 0.05). (3) In different fixation modes, the stress ratio of upper and lower screws was significantly larger in the fixation with four screws and two rods by posterior trans-traumatic-vertebra, four screws and two rods by posterior injured vertebra, six screws and two rods by posterior injured vertebra, five screws and two rods by posterior approach (single right injured vertebra) and six screws and two rods by posterior approach (upper injured vertebra) than other motion states (P < 0.05), followed by right axial rotation and right lateral bending. Significant differences in stress ratio of upper and lower screws were detectable in different motion states (P < 0.05). (4) Results suggested that finite element analysis could better simulate complex spine mechanical system, accurately reflect the stress distribution of spinal pedicle screw model, and provide the basis for making pedicle screw program.
Subject headings: Spinal Fractures; Internal Fixators; Biomechanics; Finite Element Analysis; Tissue Engineering

Cite this article: Deng HT. Stress distribution of pedicle screw fixation for thoracolumbar fractures with finite element analysis. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(17): 2533-2539.

Deng Hai-tang, Associate chief physician, Zhaoqing First People’s Hospital, Zhaoqing 526000, Guangdong Province, China

5
ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH
0 引言 Introduction
脊柱骨折占全身骨折的5%-6%，发病后如果得不到及时有效的治疗，将会诱发其他疾病，严重者将会引起压疮、感染等，影响患者生活质量[1-2]。随着医疗技术的飞速发展，采取有效的措施预防救治脊柱成为脊柱外科领域的研究热点。近年来，计算机辅助影像技术的飞速发展，它在脊柱骨折的预防和临床救治中均发挥了重要的作用[3]。计算机辅助影像技术能够保证医师在直视下完成脊柱椎弓根钉的置入，能有效的提高临床治疗效果，促进患者早期恢复[4-5]。
有限元分析法在脊柱骨折生物力学评价中使得较多，它能够为脊柱骨折内固定术式的选择提供依据。通过建立有限元模型能研究脊柱单元的僵直度及脊柱侧凸矫形后远期效果等，具有活体实验不具备的优势[6-7]。模型建立过程中能够获取椎体和软组织的几何形态，对脊柱节段的各个机构赋予相应的生物力学属性，通过与体外力学实验结果进行对比，验证模型的有效性和准确性[8-9]。研究显示，脊柱运动单元的有限元模型在一定程度上与各个结构单元的类型关系密切，而有关学者则认为有限元模型能够选择多种材料属性进行不同的组合，从而选择最佳的匹配方式[10-11]。但是，相关学者研究中使用有限元模拟脊柱椎弓根螺钉置入时更多的在软件虚拟层次，其结果与实际情况存在明显的差异，再加上脊柱稳定性重建技术，如椎间融合技术、人工椎间盘置换术的模拟等结果尚缺乏统一的标准[12-13]。
文章根据肇庆市第一人民医院骨科收治的1例胸腰椎爆裂骨折患者T9-L3节段的CT扫描资料建立有限元模型，采用有限元方法分析椎弓根钉置入内固定的应力分布。

1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计 三维有限元分析试验。
1.2 时间及地点 于2015年1至11月在肇庆市第一人民医院完成。
1.3 材料
椎弓根钉置入内固定胸腰椎骨折应力分布试验的主要仪器：
仪器
厂家
64排螺旋 CT
德国西门子公司
Mimics 10.0软件、Rapidform 2006 软件、Abaqus 6.9.1软件
上海赛默飞世尔公司

1.4 对象 选择2015年1月肇庆市第一人民医院骨科收治的1例胸腰椎爆裂骨折患者T9-L3节段的CT扫描资料，患者为女性，年龄29.3岁，体质量45.1 kg，身高160.6 cm。患者对治疗方案、试验目的等知情同意[14]，治疗方案得到医院伦理委员会批准。
1.5 方法
1.5.1 胸腰椎爆裂骨折有限元模型建立 采用64排螺旋CT扫描入选患者T9-L3节段，即从T9上终板到L3下终板，扫描厚度为1.25 mm，重建0.625 mm，球管电流为200 mA，电压为120 kV，获得CT图片，并且以DICOM格式保存[15-18]。利用Mimics 10.0软件读取文件图像，根据不同的骨组织灰度值差异，对图片进行分割，去除骨骼周围软组织图像，得到T9-L3节段脊柱几何模型，利用Rapidform 2006软件生成几何实体，建立胸腰段爆裂骨折有限元模型[19-20]。根据Magerl法以上关节突外缘的纵垂线与横突中轴线交点进钉，保证螺钉与连接棒相连，与椎体接触部位设计为弹性固定，保证与螺钉连接为一个整体[21-22]。根据手术需要设置模型相关参数，见图1。
1.5.2 力学加载 对胸腰椎爆裂骨折有限元模型T9上表面施加150 N轴向力，绕冠状轴、矢状轴以及垂直轴方向施加10 N力矩，计算完整模型的前屈、后伸以及侧弯和旋转三维运动范围。在各种节段固定模型中，将胸腰椎爆裂骨折有限元模型获得的运动范围作为移位载荷，施加在T9终板上。计算在该类情况下各节段三维运动范围的重新分布以及椎弓根螺钉及螺钉棒的应力分布[23-24]。
图1 脊柱椎弓根钉置入的有限元模型建立
Figure 1 Establishment of finite element models of pedicle screw spinal implant
图注：图A为椎弓根螺钉有限元模型；B为椎弓根螺钉平移进入椎体模型。

A
B

1.6 主要观察指标 ①观察患者后路不同脊柱模型各运动状态下的三维运动范围。其中跨伤4+2为后路跨伤椎4钉2棒固定；伤双4+2为后路伤椎4钉2棒固定；伤双6+2为后路伤椎6钉2棒固定；伤单5+2为后路5钉2棒固定(单右侧伤椎固定)；伤上6+2为后路6钉2棒固定(伤椎上位固定)。②观察患者后路短节段不同内固定模型各运动状态上位螺钉应力。③观察患者后路短节段不同内固定模型各运动状态上下位螺钉应力比。
1.7 统计学分析 采集数据采用SPSS 18.0进行统计学处理，计数资料行χ2检验，采用%表示；计量资料行t 检验，采用x(_)±s表示，P < 0.05提示差异有显著性意义。

2 结果 Results
2.1 后路不同脊柱模型各运动状态的三维运动范围 在不同运动状态下伤双6+2固定在前屈、侧弯、轴向旋转上的三维运动范围最小；其次为伤单5+2；而伤双4+2三维运动范围最大，生物力学稳定性最差，见表1及图2。
2.2 后路短节段不同内固定模型各运动状态上位螺钉应力 不同的内固定模型下，跨伤4+2、伤双4+2、伤双6+2、伤单5+2以及伤上6+2前屈状态时上位螺钉应力大于其他运动状态(P < 0.05)，其次为左轴旋、右轴旋，不同运动状态的上位螺钉应力比较差异有显著性意义(P < 0.05)，见表2及图3。

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ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH
表2 后路短节段不同内固定模型各运动状态上位螺钉应力的比较 (MPa)
Table 2 Comparison of upper screw stress in different posterior short-segment fixation models in each motion state
表1 后路不同脊柱内固定模型各运动状态下的三维运动范围比较 (°)
Table 1 Comparison of three-dimensional motion range of different models of posterior spine fixation in different states

运动
状态
跨伤
4+2
伤双
4+2
伤双
6+2
伤单
5+2
伤上
6+2
前屈
263.1
291.6
95.4
165.7
287.1
后伸
113.6
105.1
70.6
80.6
100.7
左轴旋
252.5
207.2
97.9
215.2
208.0
右轴旋
238.2
207.9
98.1
125.3
214.3
左侧弯
111.7
176.0
68.1
74.3
155.0
右侧弯
104.1
170.2
73.6
81.9
149.1
P
< 0.05
< 0.05
< 0.05
< 0.05
< 0.05

运动状态
胸腰椎爆裂骨
折有限元模型
跨伤
4+2
伤双
4+2
伤双
6+2
伤单
5+2
伤上
6+2
前屈
13.3
7.8
10.0
4.2
6.4
7.1
后伸
13.4
3.9
9.0
4.1
3.5
6.7
左轴旋
9.3
4.1
6.3
2.7
4.7
4.8
右轴旋
9.5
4.6
6.7
3.1
4.0
4.5
左侧弯
12.9
6.2
10.0
5.8
5.8
6.0
右侧弯
13.5
6.1
10.2
5.5
5.9
6.4

表注：跨伤4+2为后路跨伤椎4钉2棒固定；伤双4+2为后路伤椎4钉2棒固定；伤双6+2为后路伤椎6钉2棒固定；伤单5+2为后路5钉2棒固定(单右侧伤椎固定)；伤上6+2为后路6钉2棒固定(伤椎上位固定)。

表注：跨伤4+2为后路跨伤椎4钉2棒固定；伤双4+2为后路伤椎4钉2棒固定；伤双6+2为后路伤椎6钉2棒固定；伤单5+2为后路5钉2棒固定(单右侧伤椎固定)；伤上6+2为后路6钉2棒固定(伤椎上位固定)。

表3 后路短节段不同内固定模型各运动状态上下位螺钉应力比的比较
Table 3 Comparison of upper and lower screw stress ratio in different posterior short-segment fixation models in each motion state
表注：跨伤4+2为后路跨伤椎4钉2棒固定；伤双4+2为后路伤椎4钉2棒固定；伤双6+2为后路伤椎6钉2棒固定；伤单5+2为后路5钉2棒固定(单右侧伤椎固定)；伤上6+2为后路6钉2棒固定(伤椎上位固定)。

运动
状态
跨伤
4+2
伤双
4+2
伤双
6+2
伤单
5+2
伤上
6+2
前屈
1.144
1.159
0.522
0.615
3.183
后伸
2.211
1.634
0.875
1.321
3.702
左轴旋
1.166
0.990
0.671
0.921
1.910
右轴旋
1.273
1.152
0.753
0.811
2.185
左侧弯
1.006
1.456
0.869
0.573
3.222
右侧弯
1.132
1.375
0.979
0.815
3.200
P
< 0.05
< 0.05
< 0.05
< 0.05
< 0.05

有限元模型 跨伤4+2 伤双4+2
伤双6+2 伤单5+2 伤上6+2
16
14
12
10
8
6
4
2
0

三维运动范围(°)

前屈 后伸 左轴旋 右轴旋 左侧弯 右侧弯

图2 后路不同脊柱模型各运动状态的三维运动范围
Figure 2 Three-dimensional motion range in the posterior spine model at different motion states
图注：跨伤4+2为后路跨伤椎4钉2棒固定；伤双4+2为后路伤椎4钉2棒固定；伤双6+2为后路伤椎6钉2棒固定；伤单5+2为后路5钉2棒固定(单右侧伤椎固定)；伤上6+2为后路6钉2棒固定(伤椎上位固定)。结果显示，在不同类型创伤中伤双6+2固定在前屈、侧弯、轴向旋转上的三维运动范围最小；而伤双4+2波动最大，生物力学最不稳定。

跨伤4+2 伤双4+2 伤双6+2
伤单5+2 伤上6+2

跨伤4+2 伤双4+2 伤双6+2
伤单5+2 伤上6+2
应力(MPa)
前屈 后伸 左轴旋 右轴旋 左侧弯 右侧弯
350
300
250
200
150
100
50
0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0

应力比

前屈 后伸 左轴旋 右轴旋 左侧弯 右侧弯

图4 后路短节段不同内固定模型各运动状态上下位螺钉应力比
Figure 4 Upper and lower screw stress ratio in different posterior short-segment fixation models in each motion state
图注：跨伤4+2为后路跨伤椎4钉2棒固定；伤双4+2为后路伤椎4钉2棒固定；伤双6+2为后路伤椎6钉2棒固定；伤单5+2为后路5钉2棒固定(单右侧伤椎固定)；伤上6+2为后路6钉2棒固定(伤椎上位固定)。结果显示，5种内固定模型中后伸状态时上下位螺钉应力比显著大于其他运动状态，其次为右轴旋、右侧弯。

图3 后路短节段不同内固定模型各运动状态上位螺钉应力
Figure 3 Upper screw stress in different posterior short-segment fixation models in each motion state
图注：跨伤4+2为后路跨伤椎4钉2棒固定；伤双4+2为后路伤椎4钉2棒固定；伤双6+2为后路伤椎6钉2棒固定；伤单5+2为后路5钉2棒固定(单右侧伤椎固定)；伤上6+2为后路6钉2棒固定(伤椎上位固定)。结果显示，5种内固定模型中前屈状态时上位螺钉应力大于其他运动状态，其次为左轴旋、右轴旋。

2.3 后路短节段不同内固定模型各运动状态上下位螺钉应力比 不同的内固定模型下，跨伤4+2、伤双4+2、伤双6+2、伤单5+2以及伤上6+2后伸状态时上下位螺钉应力比显著大于其他运动状态(P < 0.05)，其次为右轴旋、右侧弯，不同运动状态的上下位螺钉应力比的比较差异有显著性意义(P < 0.05)，见表3及图4。

3 讨论 Discussion
脊柱损伤是临床上常见的疾病，这种疾病发病率较高，且临床致残率也比较高，影响患者健康和生活。目前，临床上采取积极有效的方法预防及救治脊柱损伤成为研究中的重点[25-26]。近年来，随着计算机辅助影像技术的应用，该方法在椎弓根螺钉置入中发挥了重要的作用，它能有效的提高临床治疗效果，促进患者早期恢复，减少患者螺钉置入过程中的创伤，避免对周围其他组织的影响，降低患者治疗后并发症发生率[27-28]。导航技术被广泛运用于交通、探险、军事及勘探等许多领域，且随着计算机技术的不断发展，出现了计算机辅助外科这一崭新领域，而计算机辅助影像导航则成为其中重要的组成部分[29-30]。
计算机辅助影像系统是空间三维立体定位技术、现代影像诊断技术、计算机图形处理技术及三维可视化技术相互结合的产物，它是利用信号传输、发送和接受发射器，通过计算机计算出各位置的数据，获得相应的曲线和角度，使得无形和虚拟的人体各种参数转变为直接的动画图像，并且手术器械的位置在手术影像上实时显示，能动态了解器械位置与解剖的关系，使得患者的手术操作变得更加安全、准确、微创[31-32]。
脊柱在解剖结构、负荷分布以及材料性能等方面的复杂性使得脊柱物理模型在建立时困难相对较大[33-34]。虽然脊柱生物力学的研究获得了阶段性的进展，但是体外实验不能提供足够的生物力学结果，导致许多生物力学研究难以顺利进行，再加上体外生物力学实验价格比较昂贵，可重复性较差。三维重建最早应用于20世纪80年代，是通过计算机对生物组织结构影像处理，从而获得三维图像，并且能进行定量测量的一种形态学研究技术。三维重建技术不仅可以提供人体内部结构的数字化三维模型，还能利用相关软件进行手术设计和生物力学分析[35]。脊柱区结构相对复杂，具有较多组织器官毗邻，因此，脊柱手术对精确性要求相对较高。目前，临床上对于椎弓根螺钉置入研究更多的集中在其安全性和稳定型方面，但是前提是螺钉的安全有效置入，选择置入点是手术成功的关键[36]。
近年来，有限元分析法在计算机辅助影像观察脊柱椎弓根螺钉置入中得到应用，且效果理想。本研究中6例患者不同固定方式的三维运动范围均比较小，在不同类型创伤中伤双6+2固定在前屈、侧弯、轴向旋转上的三维运动范围最小；其次为伤单5+2，而伤双4+2三维运动范围最大，生物力学稳定性最差。有限元分析法和其他方法相比优势较多，它是运用数学形式概括脊柱的结构形状、载荷便捷条件以及材料性能等，能够通过改变任何一个参数来对其进行观察，从而进一步解释脊柱的生理及病理过程中产生的生物力学变化情况，为患者制定合理修复方法提供详细的数据支持[37-38]。本研究中，不同的内固定模型下，跨伤4+2、伤双4+2、伤双6+2、伤单5+2以及伤上6+2中前屈状态时上位螺钉应力大于其他运动状态(P < 0.05)，其次为左轴旋、右轴旋，不同运动状态的上位螺钉应力比较差异有显著性意义(P < 0.05)。同时，计算机辅助影响观察下有限元分析能对脊柱内植物的生产制造、临床应用等进行充分的测试和优化，可重复性较高，能节约材料成本[39-40]。计算机辅助影像观察下的有限元分析能够更好的模拟复杂的脊柱力学系统，准确反映脊柱模型的区域性信息，可以反映模型表面的应变情况，直观显示椎弓根螺钉置入后的内部变化特点[41-46]。本研究中不同的内固定模型下，跨伤4+2、伤双4+2、伤双6+2、伤单5+2以及伤上6+2中后伸状态时上下位螺钉应力比显著大于其他运动状态(P < 0.05)，其次为右轴旋、右侧弯，不同运动状态上下位螺钉应力比值的比较差异有显著性意义(P < 0.05)。
综上所述，基于胸腰椎骨折有限元模型有助于直观了解椎弓根螺钉的应力分布，从而为临床制定椎弓根置钉方案提供依据。

作者贡献：试验的设计、实施、评估均由邓海棠完成。
利益冲突：所有作者共同认可文章内容不涉及相关利益冲突。
伦理问题：参与试验的患病个体及其家属自愿参加，对试验过程完全知情同意，并签署“知情同意书”；干预及治疗方案获医院伦理委员会批准。
文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。
文章外审：本刊实行双盲外审制度，文章经国内小同行外审专家审核，符合本刊发稿宗旨。
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文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。

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