腰椎單側(cè)椎弓根體部無(wú)移位型骨折的三維有限元分析

文毅，馬朋朋，蘇峰，宗治國(guó)，李月軒，毛振，張志敏

(1 河北北方學(xué)院，河北張家口075000；2 河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院)

腰椎單側(cè)椎弓根骨折根據(jù)骨折部位可分為椎弓根與椎體結(jié)合部位骨折、椎弓根體部骨折、椎弓根與椎板結(jié)合部位骨折[1]。對(duì)于椎弓根與椎體結(jié)合部位骨折、椎弓根與椎板結(jié)合部位骨折，大部分學(xué)者主張采取椎弓根螺釘固定。椎弓根體部骨折可分為移位型骨折和無(wú)移位型骨折。移位型椎弓根體部骨折骨折塊或內(nèi)固定螺釘進(jìn)入髓腔風(fēng)險(xiǎn)較大，較易傷及脊髓，故以保守治療為宜[2～4]。而對(duì)于無(wú)移位型椎弓根體部骨折，是否可經(jīng)傷側(cè)椎弓根置入椎弓根螺釘固定，目前臨床上尚有爭(zhēng)議。本研究模擬無(wú)移位型椎弓根體部骨折經(jīng)傷側(cè)椎弓根置入椎弓根螺釘固定，觀察置入椎弓根螺釘前后傷椎及臨近椎體和椎弓根螺釘受力情況，旨在為無(wú)移位型椎弓根體部骨折臨床治療決策提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選擇2017年7月在河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院體檢的1名女性健康志愿者，年齡45歲，體質(zhì)量60 kg，身高166 cm。經(jīng)體格檢查和X線、CT等影像學(xué)檢查排除畸形等脊柱相關(guān)疾病。本研究經(jīng)河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，健康志愿者知情同意。

1.2 三維有限元模型建立 采用GE 64排螺旋CT掃描健康志愿者L3～S1椎體，掃描層厚2 mm、螺距1.0，將掃描獲得的CT圖像以DICOM格式存儲(chǔ)并導(dǎo)入Mimics軟件中。將骨骼閾值界定為226～1 477 HU，經(jīng)閾值分割定位L4～5椎體，多層編輯擦除L4、L5椎體外的椎體和軟組織；經(jīng)區(qū)域增長(zhǎng)，通過(guò)Calculate 3D建立L4～5椎體模型。L4～5椎體模型經(jīng)光滑處理，運(yùn)用模擬功能中的切斷功能切斷L4椎體一側(cè)椎弓根中部，制成L4椎體單側(cè)椎弓根體部無(wú)移位型骨折模型(以下稱L4椎體骨折模型)。將制作好的L4椎體骨折模型與L5椎體以stl格式導(dǎo)入3-matic中。CT掃描椎弓根螺釘，將CT圖像以DICOM格式導(dǎo)入Mimics軟件中，經(jīng)過(guò)閾值分割、區(qū)域增長(zhǎng)、Calculate 3D建立椎弓根螺釘模型，通過(guò)布爾減法運(yùn)算建立傷椎螺釘置入通道，并與L4椎體骨折模型組裝，以stl格式導(dǎo)入3-matic中[5～7]。

1.3 椎間盤建立及網(wǎng)格劃分 在3-matic中，標(biāo)記L4椎體下表面和L5椎體上表面，利用解剖重建功能建立椎間盤，利用包裹功能建立上下終板，利用縮放功能建立髓核，利用布爾減功能建立纖維環(huán)。將建好的椎間盤各部分運(yùn)用劃分網(wǎng)格功能劃分面網(wǎng)格和體網(wǎng)格，網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)為1 mm，采用四面體10節(jié)點(diǎn)(solid187)單元，單元數(shù)為20 666個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為40 465個(gè)。L4～5椎體采用四面體10節(jié)點(diǎn)(solid92)單元，網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)為3 mm，椎弓根骨折模型單元數(shù)為34 898個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)為54 703個(gè)，置入椎弓根螺釘骨折模型腰椎單元數(shù)為35 047個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)為55 160個(gè)。椎弓根螺釘采用四面體10節(jié)點(diǎn)(solid187)單元，網(wǎng)格最大邊長(zhǎng)為1 mm，單元數(shù)為5 831個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為11 099個(gè)[8，9]。

1.4 模型材料屬性 將劃分好面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的椎體、椎間盤、椎弓根螺釘分別以CDB格式導(dǎo)入Mimics軟件，計(jì)算椎體HU，采用均分法將椎體體網(wǎng)格按HU劃分成10種材料屬性。椎弓根螺釘、椎間盤各部分因HU接近，劃分為1種材料屬性。按相關(guān)公式賦予材料屬性：密度=1×HU，彈性模量=7.136×密度-172.3，泊松比：皮質(zhì)骨為0.30、松質(zhì)骨為0.20、終板為0.25、纖維環(huán)為0.45、髓核為0.49[10，11]。椎弓根螺釘選用低彈性模量醫(yī)用鈦合金Ti2448，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.10[12～14]。

1.5 載荷加載及力學(xué)分析 將L4椎體骨折模型置入椎弓根螺釘前后賦予材料屬性，并導(dǎo)入Ansys有限元分析軟件中，運(yùn)用彈簧單元功能模擬韌帶，設(shè)置為只受拉不受壓模式，分別建立前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶。固定L5椎體底部，分別在置入椎弓根螺釘前后于L4椎體上表面施加500 N應(yīng)力，模擬生理情況下椎體承受垂直載荷的受力情況，并給予10 N/m力矩，模擬椎體垂直、前屈、后伸、左屈、右屈、左旋、右旋活動(dòng)工況[15～17]，獲得L4椎體在置入椎弓根螺釘前后L5椎體的應(yīng)力分布、L4椎弓根應(yīng)力分布以及椎弓根螺釘前、中、后部應(yīng)力分布情況。

2 結(jié)果

L4椎弓根、L5椎體椎弓根螺釘置入前后不同活動(dòng)工況的等效應(yīng)力比較見表1。椎弓根螺釘前、中、后部所受的等效應(yīng)力分別為(5.31±3.11)×105、(35.13±24.72)×105、(0.02±0.01)×105Pa。椎弓根螺釘前、中、后部所受的等效應(yīng)力比較P<0.05。

表1 不同活動(dòng)工況下L5椎體、L4椎弓根手術(shù)前后及椎弓根螺釘所受的等效應(yīng)力比較

注：與同活動(dòng)工況椎體或椎弓根術(shù)前比較，*P<0.05；與同活動(dòng)工況L4椎弓根術(shù)后比較，#P<0.05。

3 討論

臨床上腰椎椎弓根骨折多為復(fù)合暴力損傷所致，常合并椎體、關(guān)節(jié)突、峽部或椎板骨折，而單純單側(cè)椎弓根骨折相對(duì)少見。一般認(rèn)為，單純腰椎單側(cè)椎弓根骨折是由于結(jié)構(gòu)不良或疲勞導(dǎo)致局部應(yīng)力集中所致。腰椎單側(cè)椎弓根骨折根據(jù)骨折部位可分為椎弓根與椎體結(jié)合部位骨折、椎弓根體部骨折、椎弓根與椎板結(jié)合部位骨折。目前，對(duì)椎弓根與椎體結(jié)合部位骨折、椎弓根與椎板結(jié)合部位骨折臨床多采取置入椎弓根螺釘內(nèi)固定治療，而椎弓根體部骨折采用椎弓根螺釘內(nèi)固定治療尚存在爭(zhēng)議，大多根據(jù)椎弓根體部骨折是否穩(wěn)定來(lái)決定保守治療還是手術(shù)治療，有神經(jīng)刺激癥狀是手術(shù)治療的指征。對(duì)于移位型椎弓根體部骨折，因手術(shù)過(guò)程中椎弓根螺釘或骨折斷端進(jìn)入髓腔風(fēng)險(xiǎn)較大，易傷及脊髓，多主張保守治療。而對(duì)于無(wú)移位型椎弓根體部骨折，置入椎弓根螺釘過(guò)程中傷及脊髓的風(fēng)險(xiǎn)較小，可考慮置入椎弓根螺釘來(lái)提高腰椎椎弓根的穩(wěn)定性。

有限元分析是脊柱生物力學(xué)研究的主要方法之一，可用來(lái)分析生理或病理過(guò)程中的力學(xué)變化，以便為設(shè)計(jì)和改進(jìn)手術(shù)器械提供理論依據(jù)。本研究成功構(gòu)建了腰椎單側(cè)椎弓根體部無(wú)移位型骨折模型和置入椎弓根螺釘內(nèi)固定模型，并賦予其類似人體皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨以及鈦合金椎弓根螺釘?shù)牟牧蠈傩裕^而通過(guò)有限元仿真力學(xué)分析來(lái)評(píng)估腰椎單側(cè)椎弓根體部骨折置入椎弓根螺釘前后腰椎和椎弓根螺釘受力情況。結(jié)果顯示，L4椎體經(jīng)傷側(cè)椎弓根置入椎弓根螺釘后，L5椎體在后伸位所受應(yīng)力最大，說(shuō)明經(jīng)傷椎置入椎弓根螺釘后，下位椎體在后伸位時(shí)所受應(yīng)力最為集中，在傷椎愈合之前，頻繁的后伸運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致下位椎體和椎間盤退行性變[18，19]。置入椎弓根螺釘后，后伸工況時(shí)傷椎椎弓根所受應(yīng)力較置入椎弓根螺釘前明顯降低，其所受應(yīng)力主要集中于椎弓根螺釘中部，且椎弓根螺釘承受了大部分傷側(cè)椎弓根的應(yīng)力，有利于傷側(cè)椎弓根愈合。但椎弓根螺釘應(yīng)力過(guò)于集中，斷釘風(fēng)險(xiǎn)增加，故腰椎單側(cè)椎弓根置釘術(shù)后要限制腰椎大范圍過(guò)伸運(yùn)動(dòng)[20]。而在腰椎左旋、右旋工況時(shí)，傷椎椎弓根所受應(yīng)力均較術(shù)前增加，椎弓根螺釘在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)承受應(yīng)力最高，應(yīng)力集中于骨折斷端處，而下位椎體承受應(yīng)力較術(shù)前明顯降低，故在傷椎置釘術(shù)后要限制腰椎左旋、右旋運(yùn)動(dòng)，防止應(yīng)力集中于傷椎椎弓根和椎弓根螺釘，繼而導(dǎo)致螺釘松動(dòng)或骨折斷端移位。腰椎在前屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，因后柱為張力側(cè)，傷椎椎弓根螺釘應(yīng)力明顯增加，傷椎椎弓根應(yīng)力明顯減小，有利于椎弓根骨折愈合。而椎體在垂直、前屈、左彎、右彎工況時(shí)，椎弓根螺釘置入前后傷椎椎弓根及臨近椎體應(yīng)力均無(wú)明顯變化。由于本次構(gòu)建的模型未建立肌肉、血管等軟組織，忽略了軟組織對(duì)生物力學(xué)的影響，而有限元分析只能反映仿真模型某一時(shí)間點(diǎn)生物力學(xué)變化，故傷椎不同活動(dòng)工況時(shí)真實(shí)的生物力學(xué)變化還需進(jìn)一步探索。

綜上所述，腰椎單側(cè)椎弓根體部無(wú)移位型骨折經(jīng)傷椎置釘可減輕骨折斷端所受應(yīng)力，提高其穩(wěn)定性，促進(jìn)骨折愈合，但需適度限制腰椎后伸、左旋、右旋運(yùn)動(dòng)，防止椎弓根螺釘斷裂或松動(dòng)，減輕下位椎體退行性改變。