摘要背景：椎弓根螺钉内固定联合骨水泥强化钉道是治疗严重骨质疏松性椎体骨折的有效方法，但其没有统一标准，其中固定节段的范围是临床争议的焦点之一。目的：建立骨质疏松性胸腰段椎体骨折后路长节段和短节段骨水泥强化椎弓根螺钉内固定的三维有限元模型，分析两组中相邻节段结构、骨折椎体及内固定装置等的生物力学特征。方法：选取 1 例排除明显退行性病变志愿者 T9-L5 节段进行 CT 扫描，获得 Dicom 格式 CT 图像，导入工程软件，建立有限元几何模型，模拟胸腰椎骨折、钉道强化长短节段固定模型，根据文献设置相关材料参数，对比分析两组的生物力学特征。结果与结论：①椎骨所受应力主要集中在椎体的四周及附件的小关节面;在前屈、后伸、左、右侧弯 4 个方向上，近端和远端相邻椎骨所受的最大应力，长节段均大于短节段;椎间盘的应力主要集中在外周的纤维环，在 6 个方向上，近端和远端相邻椎间盘所受的最大应力，短节段均大于长节段，但长节段相邻椎间盘受应力较大的区域大于短节段，因此长节段固定邻近节段发生退变的概率及相邻的椎体发生骨折的风险可能较高; ②长节段组和短节段组骨折椎体均发生不同程度位移，左、右侧弯时发生位移最明显;在 6 个运动方向中，短节段组骨折椎体的位移和所受的最大应力均大于长节段组，因此长节段固定可较好地维持骨折椎的稳定性; ③内固定装置所受的应力主要集中在两端的螺钉及杆的局部，长节段组固定装置所受的最大应力均大于短节段组，但两端螺钉的主要应力区域则较短节段组减少。
关键词：骨质疏松;胸腰椎骨折;长节段固定;短节段固定;骨水泥强化;钉道强化;椎弓根螺钉内固定;生物力学;有限元分析
0 引言 Introduction
随着人口的老龄化，骨质疏松症患者日益增多，特别是绝经后妇女和老年人，此类患者往往容易发生椎体骨折，其中以骨质疏松性胸腰椎骨折的患者最为多见[1-2]。对于椎体压缩不严重、症状轻的患者，大多可采取保守治疗或骨水泥强化椎体微创治疗，但对于椎体压缩或碎裂严重，或伴有后壁破裂、椎管侵占和神经症状等，容易出现骨水泥渗漏，常需手术减压内固定治疗[3-4]。
内固定治疗骨质疏松性骨折的方式包括前路、后路及前后路联合等，前路手术损伤胸腔或腹腔脏器及血管风险高[5]，有相当一部分患者还需要接受二期的后路手术[6]。相比前路手术，椎弓根螺钉内固定术是目前最常用的后路内固定系统。而骨质疏松患者由于椎体骨量的丢失，可引起椎弓根螺钉的握持力和稳定性下降，容易造成内固定失败，椎弓根螺钉内固定联合骨水泥强化钉道是常用的有效方法[7-8]。对于骨质疏松性椎体骨折患者行椎弓根螺钉内固定没有统一标准，其中固定节段的范围是临床争议的焦点之一。短节段固定远期可能出现内固定失败、残留后凸畸形等，而长节段固定则会牺牲更多的脊柱运动节段、增大手术创伤等[9]。
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关于骨水泥强化椎弓根螺钉长、短节段固定治疗骨松骨折的相关生物力学研究报道很少。对临床研究来讲，有限元方法是人体体外试验中一种很有价值的方法，尤其在脊柱生物力学中的应用，对于脊柱疾病的分析、手术疗效分析等的研究具有重大意义[10-11]。此次研究通过建立L1椎体骨质疏松性骨折、骨水泥钉道强化长节段及短节段固定的有限元模型，采用有限元法对比长、短节段固定对相邻节段结构、骨折椎体及内固定装置等的应力情况。
1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计 三维有限元试验。
1.2 时间及地点 2018年6月至10月在广州中医药大学第一附属医院脊柱骨科完成。
1.3 对象 成年女性志愿者1例，年龄37岁，身高162 cm，体质量63 kg，X射线检查排除明显退行性病变，使用CT 对志愿者胸椎及腰椎进行扫描，提取数据，图像保存格式为Dicom，用于有限元模型的制作。
1.4 方法
1.4.1 胸腰椎有限元模型的建立 将CT图像以Dicom格式文件导入电脑，使用Mimics17.0软件(比利时Materialise 公司)提取图像并建立格式为STL的T9-L5节段模型(图1A)。将STL模型导入Geomagic 2013软件(美国Geomagic公司)，导入后生成多边形模型，在多边形模型上生成轮廓线，然后构造曲面片及格栅，最后拟合曲面，生成实体模型，导出STEP格式的三维模型(图1B，C)。由于CT不能清楚地提供椎间盘、终板等组织轮廓，因此使用SolidWorks 2014 软件进行模拟，利用ANSYS 17.0软件建立前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘上韧带、棘间韧带等。
1.4.2 L1椎体骨折模型及骨水泥强化椎弓根螺钉长、短节段内固定模型的建立 将模型导入SolidWorks 2014软件 (法国 Dassault Systemes公司)，建立L1椎体骨折模型(图 2A)。L1椎体骨折模型建立完成后，建立钉道强化椎弓根螺钉内固定模型(图2B)，椎弓根螺钉植入方法为：胸椎的进钉点为横突根部中点与下关节突关节面的中点相交处，腰椎的进钉点为横突中线与上关节突外缘交点，确定进钉点后沿椎弓根方向将螺钉植入椎体。骨水泥形态参考临床上接受钉道强化治疗的患者术后骨水泥分布形态模拟，经Geomagic 2013软件进行优化光滑处理。短节段固定组设置3组螺钉(包括骨折椎体及骨折椎体上下各1个椎体)，固定范围为 T12-L2(图3A)，长节段固定组设置5组螺钉(包括骨折椎体及骨折椎体上下各2个椎体)，螺钉固定范围为T11-L3(图3B)。
1.4.3 材料参数的设置 根据文献报道设置相关材料参数[12-14]，包括皮质骨、松质骨、椎间盘、终板、相关韧带、骨水泥及内固定物等材料的弹性模量及泊松比。因为模型建立后，后方的结构难以区分皮质骨及松质骨，所以把椎板、椎弓根、棘突、横突等后方结构设置为一组材料属性，具体见表1。
为模拟骨质疏松状态，根据POLIKEIT等[15]提出的方法模拟骨质疏松状态，即松质骨的弹性模量减少66%，皮质骨、终板及后方结构的弹性模量减少33%。此外，考虑骨质疏松患者多为老年患者或中年妇女，将髓核弹性模量增加1倍，余材料属性不变。
1.4.4 限定条件及加载方法的设置 将建立好的骨水泥强化椎弓根螺钉内固定模型导入Abaqus 2016软件(法国 Dassault Systemes公司)，进行相关应力分析。限定条件：固定L5椎体下缘表面，L5椎体下终板在各个方向的运动均受到限制。加载条件：在T9椎体上方垂直施以150 N负荷，同时于T9椎体上表面施加10 Nm弯曲力矩[15]，模拟脊柱前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6个方向的运动。
1.5 主要观察指标 通过软件分析长、短节段两组之间相邻节段结构、骨折椎体及内固定装置的应力分布、最大应力值及骨折椎体位移等情况。
1.6 统计学分析 采用统计学软件SPSS 21.0进行统计学计算，对比两组数值的差异。
2 结果 Results
2.1 内固定近端及远端相邻椎骨的应力情况 应力分布云图显示，椎骨所受应力主要集中在椎体的四周及附件的小关节面(图4)。两组近端相邻椎骨所受最大应力均大于远端椎骨;在前屈、后伸、左、右侧弯4个方向上，近端和远端相邻椎骨所受的最大应力，长节段均大于短节段;在近端相邻椎骨更为显著，特别是在前屈和后伸方向上，长节段相邻椎骨的最大应力(53.18 MPa)超过短节段(22.98 MPa)的2 倍;此外，在左、右旋转方向上，短节段固定相邻椎骨所受应力则大于长节段，见表2。
2.2 内固定近端及远端相邻椎间盘的应力情况 应力分布图显示椎间盘的应力主要集中在外周的纤维环，中间的髓核所受应力小，长节段相邻椎间盘受应力集中的区域明显大于短节段(图5);在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯及左右旋转6个方向上，近端和远端相邻椎间盘所受的最大应力，短节段均大于长节段，见表3。
2.3 骨折椎体的应力值及位移情况 长节段组合短节段组骨折椎体均发生不同程度位移，在左、右侧弯方向上，两组发生位移最明显;在模拟的6个运动方向中，短节段组骨折椎体的位移均大于长节段(图6)。在左旋和右旋方向中，两组骨折椎体所受应力差异不大，而在前屈、后伸、左右侧弯上，短节段组中骨折椎体所受应力则大于长节段组，见表4。
2.4 内固定装置的应力情况 内固定装置所受的应力主要集中在两端的螺钉及杆的局部;相比短节段组，长节段组的应力更多地分散杆上，两端螺钉的主要应力区域则较短节段组减少(图7)。在6个模拟的运动方向中，长节段组固定装置所受的最大应力均大于短节段组，见表5。
3 讨论 Discussion
骨质疏松性胸腰椎骨折是一种在老年性骨质疏松患者中最常见、最易发生的骨折类型，可引起顽固性疼痛、神经运动功障碍等[2，16]。临床上，大部分骨质疏松性椎体压缩骨折患者经过非手术治疗或椎体强化术治疗后常常能够取得较满意的临床疗效。部分患者在保守治疗过程中可能会出现椎体进一步塌陷、椎体骨折不愈合、严重后凸畸形，合并神经功能异常等情况;而对于骨质疏松骨折较为严重或合并后凸畸形、神经功能异常等患者，椎体强化术难以纠正畸形和改善神经功能，且存在骨水泥脱位、骨水泥渗漏等风险[17-18]。内固定系统可以提供可靠的稳定性、纠正畸形等，内固定治疗骨质疏松骨折的方式包括前路、后路及前后路联合等，前路手术损伤胸腔或腹腔脏器及血管风险高[5]，有相当一部分患者还需要接受二期的后路手术[6]。相比前路手术，后路椎弓根螺钉内固定术是目前最常用的内固定系统。
由于骨质疏松患者对椎弓根螺钉的握持力和稳定性下降，容易造成内固定失败，椎弓根螺钉内固定联合骨水泥强化钉道是常用的有效方法[7-8]。在固定范围上，目前仍存在争议，短节段内固定存在稳定性较差、容易出现内固定失败等缺点[9，19]，而长节段固定则会牺牲更多的脊柱运动节段、增大手术创伤、邻近节段退变等[9，20]，而鲜有关于骨水泥强化椎弓根螺钉长、短节段内固定生物力学的报道。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，它能够通过改变任何一个参数来对其进行观察，从而解释脊柱的生理及病理过程中产生的生物力学变化情况[11，21]。因此，此次研究通过有限元模拟分析钉道强化长节段及短节段内固定对相邻节段结构应力及骨折椎体的影响。在研究中，首先建立了胸腰椎的有限元模型，然后模拟骨质疏松状态分别建立了L1椎体骨折模型及长短节段骨水泥强化椎弓根螺钉内固定的模型，接着分别分析了长短节段固定邻近节段结构和骨折椎体的应力及位移情况、内固定系统的应力情况等。
短节段椎弓根螺钉固定(骨折水平以上和以下一级)通常被认为可以为胸腰椎骨折提供足够的稳定性，但报道的失败率相当高[22-23]。有部分学者认为对于需要内固定手术治疗的骨质疏松椎体骨折患者应该使用长节段固定，以提供有效的稳定、并较好的矫正脊柱畸形[24]。CHOW等[25]认为固定的节段愈长，固定节段的刚度愈强，其邻近节段的应力愈大。辛兵等[26]通过山羊动物模型研究发现和短节段固定相比，长节段固定后邻近关节突关节早期就出现了较为严重的退变。有研究表明随着固定节段增加，邻近节段椎间盘压力逐渐升高[27]。在此次研究中，作者发现长短节段固定的相邻节段椎骨所受应力均主要集中在椎体的四周及附件的小关节面，在左右侧弯方向的应力最大;除了左、右旋转方向，在其他4 个方向上，长节段固定相邻椎骨所受的最大应力均大于短节段。此外，在相邻椎间盘的应力上，虽然短节段组椎间盘局部的最大应力大于长节段组，但是通过椎间盘的应力分布云图，发现长节段组椎间盘应力较大的区域明显大于短节段组。基于此次研究中相邻节段的应力结果，相比短节段组，长节段组邻近的椎间盘和小关节似乎更容易发生退变，相邻的椎体也更容易发生压缩骨折。
通过对骨折椎体的分析，作者发现除了左侧弯方向外，短节段组骨折椎体所受应力在另外的5个方向上均大于长节段组，其中在前屈方向上，骨折椎体所受的应力最大。在模拟不同方向的运动时，骨折椎体均发生了不同程度的位移，左右侧弯运动时发生是的位移最大，而短节段组的位移均大于长节段组。因此，从此次研究结果来看，长节段固定比短节段固定更为稳固，对骨折椎体的保护作用更好。 SUN等[28]研究发现短节段固定系统容易在上下钉帽交接处发生疲劳断裂，而长节段固定因为增加了置钉数量，将应力分散在多个钉帽处，增加了固定的强度，又降低了平均应力，从而降低断裂的发生率。WANG等[29]通过建立T12椎体骨折的有限元模型，对比不同的固定节段数和固定位置的力学特征，发现在前屈时螺钉所受的应力最大，其中短节段固定(T11-L1)螺钉所受最大平均应力(115.6±44.5) MPa大于长节段固定(T10-L2)螺钉所受应力(87.2±26.3) MPa。在该研究中，无论是长节段还是短节段，内固定系统的应力均主要集中在两端的螺钉上及杆的局部，且远端螺钉所受的应力大于近端。此外，长节段组钉-杆系统的局部最大应力大于短节段组，不过钉-杆的应力分布图显示长节段组的应力更多地分散到了两端螺钉外的其他螺钉及杆上，而两端螺钉主要应力的区域则较短节段组减少。
