髂骨單釘與雙釘鈦籠固定修復(fù)重建腰骶部缺損的有限元分析

1、www.CRTER.org馬亮，等. 髂骨單釘與雙釘鈦籠固定修復(fù)重建腰骶部缺損的有限元分析髂骨單釘與雙釘鈦籠固定修復(fù)重建腰骶部缺損的有限元分析馬 亮1， 郭衛(wèi)春1，許永濤2(1武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨外科，湖北省武漢市 430060；2荊州市中心醫(yī)院骨科，湖北省荊州市 434020)引用本文：馬亮，郭衛(wèi)春，許永濤. 髂骨單釘與雙釘鈦籠固定修復(fù)重建腰骶部缺損的有限元分析J.中國(guó)組織工程研究，2016，20(39):5859-5866.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.39.013 ORCID: 0000-0001-9776-7010(馬亮)文章快速閱讀：腰骶部缺損后

2、重建的生物力學(xué)分析馬亮，1981年生，湖北省赤壁市人，漢族，武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨外科在職博士，主治醫(yī)師，主要從事脊柱外科臨床工作。通訊作者：郭衛(wèi)春，博士，主任醫(yī)師，武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨外科，湖北省武漢市 430060中圖分類號(hào):R318文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):2095-4344(2016)39-05859-08稿件接受：2016-07-10Solidworks系統(tǒng) 構(gòu)建腰骶部缺損的三維有限元模型，分析2種方法重建后的穩(wěn)定性及應(yīng)力分布情況A組：髂骨單釘重建；B組：髂骨雙釘+鈦籠重建在HyperMesh軟件中模擬手術(shù)操作并劃分四面體網(wǎng)格，利用Abaqus有限元分析軟件進(jìn)行賦值并分析2種重建方法在加載軸

3、向壓縮載荷以及前屈、后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)6個(gè)方向的彎曲載荷后的位移情況并與完整模型相比較。通過(guò)應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D等觀察模型中的應(yīng)力分布特點(diǎn)及內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變情況。試驗(yàn)結(jié)果：髂骨雙釘+鈦籠支撐重建可有效的恢復(fù)腰骶部的穩(wěn)定性，內(nèi)固定系統(tǒng)承受的應(yīng)力較小也較分散。髂骨單釘重建連接棒處及螺釘尾部有明顯的應(yīng)力集中，內(nèi)固定容易疲勞斷裂及松動(dòng)。 文題釋義：髂骨釘技術(shù)：作為改良Galveston技術(shù)，置釘區(qū)域是從髂骨的髂后上棘到髂前上棘之間寬闊區(qū)域，置釘容易，操作簡(jiǎn)便，省去了復(fù)雜的彎棒操作。髂骨單釘技術(shù)用于骶骨腫瘤切除、腰骶部結(jié)核、嚴(yán)重腰骶部外傷不穩(wěn)時(shí)重建腰骶部的穩(wěn)定性，取得了良好的效果，但在病變范圍較大時(shí)

4、，髂骨釘斷裂的報(bào)道也不少見(jiàn)。于是對(duì)髂骨單釘?shù)母倪M(jìn)包括采用髂骨雙釘，添加前路以及橫向的支撐物等。這些改進(jìn)措施可有效降低髂骨釘固定時(shí)的應(yīng)力，提高手術(shù)成功率。腰骶部?jī)?nèi)固定技術(shù)：主要包括前路的支撐和后路的固定技術(shù)。腰骶部前柱支撐物可以有效提高腰骶部的穩(wěn)定性，降低屈伸活動(dòng)中S1椎弓根螺釘及髂骨螺釘?shù)膽?yīng)力。采用軸向的前柱支撐物可以提供與髂骨釘相當(dāng)?shù)难娟P(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，腰骶前路鋼板可以顯著的增加腰骶部的穩(wěn)定性，但是腰骶部前路手術(shù)周圍血管神經(jīng)多，操作空間有限，術(shù)后并發(fā)癥多，所以目前多采用經(jīng)后路放置前路支撐物的方法。摘要背景：嚴(yán)重腰骶部缺損及不穩(wěn)如何進(jìn)行穩(wěn)定性重建是很有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。目前有多種技術(shù)來(lái)重建腰骶部穩(wěn)定

5、性，但內(nèi)固定松動(dòng)、斷裂、假關(guān)節(jié)形成等不少見(jiàn)。目的：有限元法分析2種腰骶部重建方式的穩(wěn)定性以及內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布。方法：采用64排螺旋CT自L1-骨盆水平薄層掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Mimics 15.0醫(yī)學(xué)圖像處理軟件中，構(gòu)建三維表面模型，再導(dǎo)入SolidWorks 逆向工程軟件建立實(shí)體模型。用Solidworks軟件構(gòu)建L3，4椎弓根螺釘聯(lián)合髂骨單釘固定(單釘)和L3，4椎弓根螺釘聯(lián)合髂骨雙釘并前路支撐(雙釘+鈦籠)并裝配。模擬腰骶部缺損的情況，以上述2種手術(shù)方式進(jìn)行腰骶部穩(wěn)定性重建。對(duì)模型進(jìn)行賦值，用ABAQUS軟件分析。結(jié)果與結(jié)論：在約束臼頂，在L2上緣施加1 000 N的軸向載荷模擬站立負(fù)重

6、情況下，完整模型最大應(yīng)力值為195.3 MPa，單釘模型為189.5 MPa，雙釘+鈦籠模型為149.2 MPa；計(jì)算軸向壓縮剛度完整模型為551.572 N/mm，單釘模型為613.87 N/mm，雙釘+鈦籠模型為1 683.50 N/mm；在施加6個(gè)方向的7 Nm彎曲載荷下，在6個(gè)方向的彎曲剛度上，雙釘+鈦籠支撐模型最大。模型在6個(gè)方向的最大應(yīng)力值比較，單釘模型最大；結(jié)果提示，髂骨雙釘+鈦籠支撐重建可有效恢復(fù)腰骶部的穩(wěn)定性，內(nèi)固定系統(tǒng)承受的應(yīng)力較小也較分散。髂骨單釘重建連接棒處及螺釘尾部有明顯的應(yīng)力集中，內(nèi)固定容易疲勞斷裂及松動(dòng)。關(guān)鍵詞：骨科植入物；數(shù)字化骨科；腰骶部；生物力學(xué)；有限元分析

7、；脊柱骨盆重建；融合術(shù)；髂骨螺釘；前柱3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 kf23385083支撐物；內(nèi)固定主題詞：腰骶部；內(nèi)固定器；應(yīng)力；有限元分析；組織工程Single iliac screw and dual iliac screws and titanium mesh cage fixation in the reconstruction of lumbosacral defects with finite element analysisMa Liang1, Guo Wei-chun1, Xu Yong-tao2 (1Department of Orthop

8、edic Surgery, Renmin Hospital, Wuhan University, Wuhan 430060, Hubei Province, China; 2Department of Orthopedics, Jingzhou Central Hospital, Jingzhou 434020, Hubei Province, China)AbstractBACKGROUND: The surgical management to reconstruct the stability in lumbosacral region is very challenging. Ther

9、e are many techniques to reconstruct the stability of the lumbosacral region, but the internal fixation loosening, fracture and pseudoarthosis are not uncommon. OBJECTIVE: Finite element analysis was used to analyze the stability of two types of reconstruction procedures and the stress of the intern

10、al fixation system. METHODS: A 64-slice spiral CT scan was used in a subject from L1 to pelvis. The scan data were imported into the Mimics 15.0 software to generate a three-dimensional surface model. The three-dimensional solid model was established using in the SolidWorks software. The solid geome

11、try model of the L3, 4 pedicle screws combined with single iliac screw fixation and L3,4 pedicle screws combined with dual iliac screws and anterior titanium mesh cage support fixation were constructed by the Solidworks software. Two kinds of reconstruction procedures were simulated. The models were

12、 given material properties and analyzed by using the ABAQUS software. RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum stress was 195.3 MPa in the complete model, 189.5 MPa in single iliac screw model, and 149.2 MPa in dual iliac screw + titanium cage model when constrained the roof of double acetabulum and

13、applied a vertical load of 1 000 N. (2) The axial compression rigidity was 551.572 N/mm in the complete model, 613.87 N/mm in the single iliac screw model and 1 683.50 N/mm in the dual iliac screw+titanium cage model. (3) The bending rigidity of the dual iliac screw + titanium cage model was bigger

14、than other models at 6 directions when applied 7 Nm bending loads. The maximum stress of single iliac screw model was bigger than other models. (4) The results suggest that the dual iliac screw + titanium mesh cage reconstruction can effectively restore the stability of the lumbosacral area. The str

15、ess of internal fixation system is smaller and more dispersed. There is obvious stress concentration in the connecting rod and the tail of the single iliac screw. The single iliac screw internal fixation system is easy to fatigue fracture and loosening.Subject headings: Lumbosacral Region; Internal

16、Fixators; Stress; Finite Element Analysis; Tissue EngineeringCite this article: Ma L, Guo WC, Xu YT. Single iliac screw and dual iliac screws and titanium mesh cage fixation in the reconstruction of lumbosacral defects with finite element analysis. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(39):5859-5

17、866.Ma Liang, Studying for doctorate, Attending physician, Department of Orthopedic Surgery, Renmin Hospital, Wuhan University, Wuhan 430060, Hubei Province, ChinaCorresponding author: Guo Wei-chun, M.D., Chief physician, Department of Orthopedic Surgery, Renmin Hospital, Wuhan University, Wuhan 430

18、060, Hubei Province, China5863ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction腰骶部外傷、結(jié)核、腫瘤等病變會(huì)造成嚴(yán)重的腰骶部不穩(wěn)，需要行穩(wěn)定性重建1。在L5和S1椎體破壞較嚴(yán)重時(shí)，L5椎弓根及S1椎弓根常無(wú)法置釘，此時(shí)必須采用其他的長(zhǎng)節(jié)段固定技術(shù)2-3。髂骨釘技術(shù)作為改良Galveston技術(shù)，操作比Galveston技術(shù)簡(jiǎn)便，在臨床上應(yīng)用較多，但在腰骶部缺損范圍較大時(shí)髂骨釘斷裂，融合失敗等也常有發(fā)生4-5。因此作者構(gòu)建腰骶部缺損的三維有限元模型，并在模型上采用2種方法來(lái)進(jìn)行腰骶部的穩(wěn)定性重建，即

19、L3，4椎弓根螺釘聯(lián)合髂骨單釘固定(單釘模型)和L3，4椎弓根螺釘聯(lián)合髂骨雙釘并前路支撐(雙釘+鈦籠模型)，分析2種固定方式的穩(wěn)定性以及內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布情況，為在腰骶部較大缺損范圍情況下如何重建腰骶部穩(wěn)定性提供依據(jù)。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 設(shè)計(jì) 有限元分析試驗(yàn)。1.2 時(shí)間及地點(diǎn) 于2013年11月至2015年1月在武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨科、放射科完成。1.3 材料 64排飛利浦極速螺旋CT機(jī)。DELL工作站：預(yù)裝有Mimics 15.0軟件(Materialise公司，比利時(shí))、Solidworks 2012軟件(達(dá)索系統(tǒng)，DassaultSyst

20、emes S.A)、HyperMesh 12.0軟件(Altair公司，美國(guó))、Abaqus 7.0軟件(ABAQUS公司，美國(guó))。1.4 對(duì)象 24歲男性志愿者1名，身高173 cm，體質(zhì)量68 kg，排除脊柱骨盆畸形和疾病。1.5 方法1.5.1 L2-骨盆三維有限元模型的建立 采用64排螺旋CT，對(duì)志愿者從L1到骨盆水平薄層掃描，獲得577張水平截圖。將掃描的數(shù)據(jù)資料以DICOM 格式導(dǎo)入到Mimics 15.0 醫(yī)學(xué)圖像處理軟件中，將圖像閾值調(diào)節(jié)為462-2 676 Hu，利用區(qū)域增長(zhǎng)粗略提取所需要的腰椎-骨盆各個(gè)骨結(jié)構(gòu)的節(jié)段。進(jìn)行閾值分割以及區(qū)域增長(zhǎng)，蒙版編輯等，生成三維表面模型。將

21、數(shù)據(jù)導(dǎo)入SolidWorks 逆向工程軟件中，按照原有的幾何結(jié)構(gòu)及空間關(guān)系組建出裝配體，生成L2-骨盆的實(shí)體模型。1.5.2 構(gòu)建釘棒系統(tǒng)及鈦籠的實(shí)體模型 用Solidworks 2012軟件構(gòu)建兩種固定釘棒系統(tǒng)及鈦籠的實(shí)體幾何模型并裝配，釘棒系統(tǒng)規(guī)格為L(zhǎng)3，L4的椎弓根螺釘直徑為6.5 mm長(zhǎng)度45 mm，連接棒直徑6 mm，髂骨釘直徑為7 mm。單釘長(zhǎng)度為90 mm，雙釘長(zhǎng)度為70 mm與90 mm，橫連桿直徑為3 mm，鈦籠直徑為1.5 mm，厚度為1 mm。在SolidWorks中用草圖功能畫出釘棒系統(tǒng)的輪廓，然后使用拉伸旋轉(zhuǎn)等功能獲得實(shí)體模型，與L2-骨盆實(shí)體模型精確裝配，為了更好的

22、顯示模型，在圖中暫時(shí)沒(méi)有裝配骶骨(圖1)。BA圖1 Solidworks軟件中構(gòu)建的髂骨單釘及髂骨雙釘+鈦籠實(shí)體模型Figure 1 Solid geometry model of single iliac screw fixation and dual iliac screws with anterior titanium mesh cage support fixation with Solidworks software圖注：圖A為單釘模型；B為雙釘+鈦籠模型。1.5.3 劃分網(wǎng)格并補(bǔ)充建立椎間盤、韌帶，模擬手術(shù)操作建立2種不同修復(fù)方式重建腰骶部穩(wěn)定性模型 將SolidWorks 軟件中

23、建立的L2-骨盆以及2種內(nèi)固定系統(tǒng)的實(shí)體模型導(dǎo)入到HyperMesh軟件中組成裝配體然后劃分四面體網(wǎng)格，同時(shí)構(gòu)建1 mm厚的皮質(zhì)骨。然后模擬出腰骶部缺損的情況，缺損范圍為L(zhǎng)5椎弓根以下及S1椎弓根以上。得到2種不同修復(fù)方式重建腰骶部缺損后的三維有限元模型。單釘重建組具有450 385個(gè)單元和100 386個(gè)節(jié)點(diǎn)，雙釘聯(lián)合鈦籠組有480 828個(gè)單元和105 768個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖2)。BA圖2 HyperMesh軟件中構(gòu)建的髂骨單釘及髂骨雙釘+鈦籠三維網(wǎng)格模型Figure 2 Three-dimensional mesh model of single iliac screw fixation an

24、d dual iliac screws with anterior titanium mesh cage support fixation with HyperMesh software圖注：圖A為單釘模型(前面觀)；B為雙釘+鈦籠模型(前面觀)。1.5.4 模型的賦值及驗(yàn)證 利用Abaqus有限元分析軟件進(jìn)行處理分析，參照既往的有限元分析研究中公認(rèn)的腰椎和骨盆的皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤、纖維環(huán)、髓核、韌帶、關(guān)節(jié)面軟骨等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行賦值6-7。內(nèi)固定材料為鈦合金，其彈性模量為105 000 MPa，泊松比=0.3。以L5椎體上緣的參考點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)記錄模型的壓縮位移及角位移的。計(jì)算完整模型的軸

25、向壓縮剛度為551.572 N/mm，軸向扭轉(zhuǎn)剛度為4.05 Nm/(°)，與既往尸體標(biāo)本測(cè)試結(jié)果相當(dāng)，說(shuō)明模型是有效的，可供下一步分析8。1.5.5 加載載荷及分析邊界條件及評(píng)價(jià)指標(biāo)：約束雙側(cè)臼頂，模擬站立時(shí)的姿勢(shì)將其固定。以L5椎體上緣的軸向位移及角位移作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。載荷：模擬站立位情況下的受力分析。參考既往多個(gè)學(xué)者對(duì)腰骶骨盆進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)9。對(duì)模型施加施加1 000 N的垂直載荷，記錄L5上緣位移并計(jì)算軸向壓縮剛度；對(duì)模型施加7 Nm的扭矩，計(jì)錄L5椎體上緣的角位移，并計(jì)算模型的在前屈、后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)6個(gè)方向的剛度。處理分析：進(jìn)入求解器，計(jì)算求解得出2種重建

26、方法在加載軸向壓縮載荷以及6個(gè)方向上的彎曲載荷后的位移情況并與完整模型相比較。通過(guò)應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D等觀察模型中的應(yīng)力分布特點(diǎn)及內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變情況。1.6 主要觀察指標(biāo) 在加載垂直載荷時(shí)的軸向壓縮剛度和彎曲載荷時(shí)的軸向扭轉(zhuǎn)剛度，模型中的應(yīng)力分布特點(diǎn)及內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變情況。2 結(jié)果 Results 2.1 加載軸向載荷后的受力情況分析 在約束臼頂，在L2上緣施加1 000 N的軸向載荷后，完整模型及2種方法重建模型L5上緣參考點(diǎn)的位移，模型最大應(yīng)力值，以及軸向壓縮剛度如下表。在軸向壓縮剛度方面：雙釘+鈦籠支撐模型>單釘模型>完整模型；L5上緣最大應(yīng)力：完整模型>雙釘+鈦籠

27、支撐組模型>單釘模型，見(jiàn)表1。表1 三種模型軸向壓縮剛度比較Table 1 Comparison of axial compression rigidity of the three kinds of models模型載荷(N)模型最大應(yīng)力(MPa)L5上緣位移(mm)剛度(N/mm)單釘模型1 000189.51.629613.87雙釘+鈦籠模型1 000149.20.5941 683.50完整模型1 000195.31.813551.5722.2 通過(guò)輸出位移云圖及應(yīng)力云圖分析2種手術(shù)方式模型的整體位移趨勢(shì)及應(yīng)力分布特點(diǎn) 從單釘模型應(yīng)力圖上來(lái)看應(yīng)力集中在髂骨釘和椎弓根釘間的連接棒上，

28、最大值為189.5 MPa。整體來(lái)看，應(yīng)力主要集中在整個(gè)釘棒系統(tǒng)上，椎體前柱應(yīng)力很小，也說(shuō)明了釘棒系統(tǒng)起到了很好的支撐作用。釘棒系統(tǒng)的應(yīng)力主要集中在釘棒連接處以及髂骨釘與椎弓根的連接棒上，此處容易疲勞斷裂(圖3)。BA圖3 髂骨單釘術(shù)式模型的應(yīng)力及位移分布云圖Figure 3 Stress and displacement distribution of the single iliac screw model圖注：圖A為單釘術(shù)式模型內(nèi)固定應(yīng)力分布云圖，B為單釘術(shù)式模型位移云圖。從雙釘+鈦籠支撐模型應(yīng)力圖上可以看到應(yīng)力同樣集中在釘棒連接處，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在右側(cè)髂骨釘棒連接處，最大值為149.2

29、 MPa，較單釘系統(tǒng)189.5 MPa明顯減小。說(shuō)明此種手術(shù)方式可以很有效的降低釘棒系統(tǒng)的應(yīng)力。從模型位移云圖，可以看出位移最大值出現(xiàn)在剩余的L5椎體上，最大位移值為0.594 mm，較單釘系統(tǒng)1.629 mm明顯減小，說(shuō)明雙釘+鈦籠系統(tǒng)固定較單釘系統(tǒng)的壓縮剛度為大，起到了很好的支撐作用(圖4)。2.3 在加載彎曲載荷下模型的角位移及彎曲剛度 對(duì)兩種模型在前屈，后伸，左側(cè)屈，右側(cè)屈，左旋轉(zhuǎn)，右旋轉(zhuǎn)情況施加7 Nm的彎曲載荷，記錄各彎曲載荷下的角位移，計(jì)算彎曲剛度，記錄模型的最大應(yīng)力值及L5上緣最大應(yīng)力值見(jiàn)表2-4。雙釘+鈦籠重建模型在前屈，后伸，左側(cè)屈，右側(cè)屈，左旋轉(zhuǎn)，右旋轉(zhuǎn)情況下的角位移和彎

30、曲剛度，模型最大應(yīng)力值及L5上緣最大應(yīng)力值如表3。BA圖4 雙釘+鈦籠支撐術(shù)式應(yīng)力及位移分布云圖Figure 4 Stress and displacement distribution of the dual iliac screw + titanium mesh cage model圖注：圖A為雙釘+鈦籠支撐術(shù)式內(nèi)固定應(yīng)力云圖，B為雙釘+鈦籠支撐術(shù)式模型位移云圖。完整模型的角位移及彎曲剛度，模型最大應(yīng)力，L5上緣最大應(yīng)力值如表4。在施加6個(gè)方向的7 N/m彎曲載荷下，在6個(gè)方向的彎曲剛度上，雙釘+鈦籠支撐模型>單釘模型>完整模型，說(shuō)明雙釘+鈦籠支撐模型最穩(wěn)定。模型的最大應(yīng)力值比

31、較，單釘模型>雙釘+鈦籠支撐模型>完整模型，說(shuō)明單釘固定時(shí)，內(nèi)固定釘棒系統(tǒng)承受的應(yīng)力最大，在前屈時(shí)最大應(yīng)力為113.013 MPa，后伸時(shí)最大應(yīng)力值為113.677 MPa。說(shuō)明單釘模型由于沒(méi)有椎體前方的支撐，所以在前屈及后伸時(shí)不是很穩(wěn)定，釘棒承受了很大的應(yīng)力(圖5)。BA圖5 單釘模型屈伸載荷下的應(yīng)力分布圖Figure 5 Stress distribution of the single iliac screw model under flexion and extension loads圖注：圖A為前屈載荷下，B為后伸載荷下。雙釘+鈦籠支撐模型最大剛度值是左右側(cè)屈情況下，說(shuō)明

32、雙釘+鈦籠支撐有很好的側(cè)方穩(wěn)定性，模型最大應(yīng)力是在旋轉(zhuǎn)工況下，應(yīng)力點(diǎn)也是在連接棒上，說(shuō)明旋轉(zhuǎn)載荷時(shí)，雙釘+鈦籠系統(tǒng)承受應(yīng)力較大(圖6)。BA圖6 雙釘+鈦籠重建模型的左右旋轉(zhuǎn)應(yīng)力分布云圖Figure 6 Stress distribution of the dual iliac screw + titanium mesh cage model at left rotation and right rotation圖注：圖A為左旋轉(zhuǎn)載荷下，B為右旋轉(zhuǎn)載荷下。表2 施加7 Nm的彎曲載荷下單釘模型彎曲角位移、彎曲剛度、模型最大應(yīng)力及L5上緣最大應(yīng)力值Table 2 Angular displace

33、ment, rigidity, maximum stress of the single iliac screw model and the maximum stress on the upper edge of the L5 vertebral body under 7 Nm bending load項(xiàng)目前屈后伸左側(cè)屈右側(cè)屈左旋轉(zhuǎn)右旋轉(zhuǎn)角位移(°)3.334 783.349 200.524 130.525 270.762 000.719 52剛度N·m/(°)2.0992.09013.35513.3279.1869.729最大應(yīng)力(MPa)113.013 011

34、3.677 058.274 058.437 967.838 563.962 9L5上緣最大應(yīng)力(MPa)0.1980.1940.0240.0220.0360.034表3 施加7 Nm的彎曲載荷下雙釘+鈦籠支撐模型彎曲角位移、彎曲剛度、模型最大應(yīng)力及L5上緣最大應(yīng)力值Table 3 Angular displacement, rigidity, maximum stress of the dual iliac screw + titanium mesh cage model and the maximum stress on the upper edge of the L5 vertebral

35、body under 7 Nm bending load項(xiàng)目前屈后伸左側(cè)屈右側(cè)屈左旋轉(zhuǎn)右旋轉(zhuǎn)角位移(°)0.806 780.806 310.459 590.460 740.644 940.604 74剛度N·m/(°)8.6768.68115.23115.19310.85411.575最大應(yīng)力(MPa)26.882 026.961 934.412 734.459 643.699 642.052 0L5上緣最大應(yīng)力(MPa)0.3500.3170.4430.4180.3440.318表4 施加7 Nm的彎曲載荷下完整模型彎曲角位移、彎曲剛度、模型最大應(yīng)力及L5上緣最

36、大應(yīng)力值Table 4 Angular displacement, rigidity, maximum stress of the complete model and the maximum stress on the upper edge of the L5 vertebral body under 7 Nm bending load項(xiàng)目前屈后伸右側(cè)屈左側(cè)屈右旋轉(zhuǎn)左旋轉(zhuǎn)角位移(°)5.641 155.568 842.101 902.103 572.186 611.426 59剛度N·m/(°)1.2411.2573.3302.3283.2014.907最大應(yīng)力

37、(MPa)14.438 614.292 213.245 613.363 58.601 75.885 9L5上緣最大應(yīng)力(MPa)5.518 785.937 865.367 085.390 863.750 403.344 583 討論 Discussion3.1 腰骶部的病變特點(diǎn) 腰骶部的病變主要有結(jié)核、腫瘤、外傷等病變破壞椎體、椎間盤、椎體后方結(jié)構(gòu)，使腰骶部的穩(wěn)定性會(huì)受到嚴(yán)重破壞。結(jié)核病灶在破壞腰骶部的椎間盤及腰骶椎椎體，造成椎體的塌陷，腰骶角變大，腰骶部不穩(wěn)10。在L5-S1椎體骨質(zhì)破壞較多時(shí)，前路鋼板放置困難，這時(shí)可采用后路固定的方法。對(duì)于腰骶椎結(jié)核，在徹底病灶清除后，如何恢復(fù)腰骶部的正常

38、解剖結(jié)構(gòu)，如何選擇固定方式是需要考慮的問(wèn)題。對(duì)于S1椎體破壞的患者，有學(xué)者選擇的是髂骨單釘固定的方式11。骶骨是脊柱腫瘤中較常見(jiàn)的發(fā)病部位。原發(fā)性骶骨腫瘤最常見(jiàn)的是脊索瘤，其次為骨巨細(xì)胞瘤、神經(jīng)源性腫瘤、軟骨肉瘤等，轉(zhuǎn)移性腫瘤有肺癌骨轉(zhuǎn)移，前列腺癌骨轉(zhuǎn)移等12-13。脊索瘤一般生長(zhǎng)緩慢，多先累及下位骶骨。骨巨細(xì)胞瘤一般累積上位骶骨或全骶骨。神經(jīng)源性腫瘤多沿神經(jīng)根走行生長(zhǎng)，部分生長(zhǎng)較大時(shí)可侵犯骶孔處骨質(zhì)，對(duì)穩(wěn)定性影響不大。軟骨肉瘤侵犯上位骶骨及骶髂關(guān)節(jié)，對(duì)腰骶部穩(wěn)定性破壞嚴(yán)重。腰骶部的腫瘤病變切除后遺留巨大的腰骶部骨質(zhì)缺損，如何行穩(wěn)定性重建很有挑戰(zhàn)性。術(shù)后創(chuàng)面不愈合，內(nèi)固定斷裂等并發(fā)癥不少見(jiàn)14

39、-16。 腰骶部的骨折脫位相對(duì)于胸腰段來(lái)說(shuō)較少。嚴(yán)重的高能量損傷會(huì)造成L5的壓縮性骨折及脫位、骶骨骨折、骶髂關(guān)節(jié)脫位等。嚴(yán)重的骶骨骨折，骶髂關(guān)節(jié)損傷累及骨盆后環(huán)，此時(shí)常合并一側(cè)或雙側(cè)恥骨上下肢骨折和髖臼骨折等，不僅影響腰骶部穩(wěn)定性還會(huì)影響骨盆環(huán)及髖臼的穩(wěn) 定17-18。目前多數(shù)學(xué)者推崇對(duì)于嚴(yán)重的外傷性脊柱骨盆不穩(wěn)定時(shí)采用腰髂固定來(lái)重建脊柱骨盆的穩(wěn)定性19-20。3.2 腰骶部的內(nèi)固定進(jìn)展 腰骶部?jī)?nèi)固定的技術(shù)主要包括前路的支撐和后路的固定技術(shù)。腰骶部前柱支撐物可以有效提高腰骶部的穩(wěn)定性，降低屈伸活動(dòng)中S1椎弓根螺釘及髂骨螺釘?shù)膽?yīng)力21。采用軸向的前柱支撐物可以提供與髂骨釘相當(dāng)?shù)难娟P(guān)節(jié)的穩(wěn)定性，

40、腰骶前路鋼板可以顯著的增加腰骶部的穩(wěn)定性22。但是腰骶部前路手術(shù)周圍血管神經(jīng)多，操作空間有限，術(shù)后并發(fā)癥多23。所以目前多采用經(jīng)后路放置前路支撐物的方法24。腰骶部后路的固定方式有多種變化，主要是對(duì)后路固定物遠(yuǎn)端錨定點(diǎn)的變化，來(lái)重建腰骶部的穩(wěn)定性25。遠(yuǎn)端的固定方式有S1雙皮質(zhì)、三皮質(zhì)螺釘及跨椎間盤S1椎弓根釘、S2椎弓根釘、S2骶骨翼螺釘、Jackson氏骶骨棒、骶髂關(guān)節(jié)螺釘、Galveston技術(shù)、髂骨螺釘、經(jīng)S2側(cè)塊髂骨螺釘?shù)?6-28。Kato等29最近的回顧性分析了S1三皮質(zhì)螺釘及非S1三皮質(zhì)螺釘固定的臨床效果。平均融合節(jié)段為1.7個(gè)節(jié)段，采用S1三皮質(zhì)螺釘，可有效的獲得腰骶部后方的

41、穩(wěn)定性。所有采用S1三皮質(zhì)螺釘固定的患者沒(méi)有假關(guān)節(jié)形成，血管損傷率低。S2椎弓根螺釘由于在樁錨定點(diǎn)背側(cè)，所以S2椎弓根螺釘提供的抗拔出力及抗屈曲應(yīng)力都較小。由于S2的椎弓根較小，S2椎弓根螺釘?shù)陌纬隽^小。但是S2骶骨翼螺釘不同，它是位于樁錨定點(diǎn)前方，雙皮質(zhì)S1椎弓根釘聯(lián)合雙皮質(zhì)S2骶骨翼螺釘比單純雙皮質(zhì)S1椎弓根釘固定要牢靠。Kim等30的研究顯示雙皮質(zhì)S2骶骨翼螺釘與髂骨螺釘?shù)纳锪W(xué)強(qiáng)度相當(dāng)。骶骨棒技術(shù)是通過(guò)2根骶骨棒插入骶骨的松質(zhì)骨中，深達(dá)S2水平，不穿過(guò)骶髂關(guān)節(jié)。通過(guò)軟骨下骨及骶髂關(guān)節(jié)處的骨質(zhì)來(lái)穩(wěn)定骶骨棒，再將骶骨棒與腰椎的椎弓根螺釘相連，取得了較高的融合成功率。但骶骨棒操作較為復(fù)雜

42、，如何按照患者的解剖特點(diǎn)完成合適的骶骨棒并有效的置入骶骨中有一定的難度31。骶髂螺釘力學(xué)強(qiáng)度要大于S1椎弓根置釘和骶骨翼螺釘，但要小于Galveston技術(shù)。但是骶髂螺釘置入時(shí)需要延長(zhǎng)手術(shù)切口，且常對(duì)骶髂關(guān)節(jié)背側(cè)骶髂韌帶等有破壞，操作較為復(fù)雜，會(huì)降低腰骶部的穩(wěn)定性32。S2側(cè)塊髂骨螺釘?shù)尼數(shù)来┻^(guò)幾層皮質(zhì)骨，通過(guò)S2側(cè)塊和髂骨進(jìn)行固定，可以提供更強(qiáng)的生物力學(xué)強(qiáng)度。生物力學(xué)研究顯示，在各種工況下S2側(cè)塊髂骨螺釘與髂骨螺釘?shù)姆€(wěn)定性相當(dāng)。Ilyas等33最近的系統(tǒng)回顧性分析指出在成人及兒童中，S2側(cè)塊髂骨螺釘?shù)呐R床并發(fā)癥及影像學(xué)表現(xiàn)均優(yōu)于髂骨釘固定。但S2側(cè)塊髂骨螺釘需要較高的置釘技術(shù)，對(duì)骶髂關(guān)節(jié)有一

43、定的損傷。有時(shí)還可以聯(lián)用幾種方式來(lái)加強(qiáng)后方穩(wěn)定性34。在采用前柱支撐物后可以有效提高內(nèi)固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在文章中可以看到，前方鈦籠支撐模型的軸向壓縮剛度及各個(gè)方向上的扭轉(zhuǎn)剛度都要大于單釘組及完整組。所以對(duì)于腰骶部較大范圍的病損情況下需要行前路支撐，后路釘棒系統(tǒng)固定的手術(shù)方式。3.3 髂骨釘?shù)膽?yīng)用及相關(guān)進(jìn)展 髂骨釘技術(shù)作為改良Galveston技術(shù)，置釘容易，操作簡(jiǎn)便。采用髂骨釘后可以有效的降低S1椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力。許多學(xué)者對(duì)髂骨釘?shù)淖罴阎睆健㈤L(zhǎng)度，置釘通道以及徒手置髂骨螺釘?shù)姆椒ㄗ髁讼到y(tǒng)研究。從髂后上棘到髂前上棘之間的髂骨之間寬闊區(qū)域，通常的髂骨螺釘置釘都是在此區(qū)域?？缮舷轮萌?枚髂骨螺釘35

44、，而且螺釘與連接棒連接較為容易。但髂骨釘也有不足之處就是髂后上棘處軟組織覆蓋較少，軟組織激惹風(fēng)險(xiǎn)。再就是髂骨釘尾與椎弓根螺釘尾不在同一條直線上，還是需要一定的彎棒操作或使用連接塊。髂骨螺釘?shù)闹冕斘恢脤?duì)螺釘?shù)臄Q入力矩沒(méi)有影響，但在采用更粗、更長(zhǎng)的螺釘接近骨皮質(zhì)固定時(shí)，螺釘?shù)臄Q入力矩顯著增大36。髂骨螺釘技術(shù)用于在骶骨腫瘤切除，腰骶部的結(jié)核，嚴(yán)重的腰骶部外傷不穩(wěn)時(shí)重建腰骶部的穩(wěn)定性，取得了良好的臨床效果，但在病變范圍較大時(shí)，髂骨釘斷裂的報(bào)道也不少見(jiàn)。目前對(duì)于髂骨釘?shù)母倪M(jìn)有采用髂骨雙釘，采用四棒連接技術(shù)，添加前路以及橫向的支撐物等。這些改進(jìn)措施可以有效的降低髂骨單釘固定時(shí)釘尾部的應(yīng)力，提高手術(shù)成功率

45、37-38。本研究中可看到在采用髂骨雙釘及添加前路支撐物時(shí)可有效的減小內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力。3.4 有限元分析法分析內(nèi)固定生物力學(xué)的特點(diǎn) 內(nèi)固定系統(tǒng)失敗的原因也是多種因素綜合在一起的?；颊叩墓橇壳闆r，手術(shù)方法，有無(wú)植骨，內(nèi)固定系統(tǒng)本身特點(diǎn)等。內(nèi)固定的斷裂與局部應(yīng)力集中及長(zhǎng)期的應(yīng)力疲勞有關(guān)39。有限元分析方法簡(jiǎn)便、直觀、準(zhǔn)確。對(duì)模型在不同的條件下加載多種載荷，包括極限載荷，可以修改多種測(cè)試參數(shù)，可以反復(fù)加載，測(cè)試時(shí)間短。可以得出模型在壓縮，彎曲，扭曲等多種載荷下的受力情況，更為重要的是可以提供模型內(nèi)部的受力情況，通過(guò)輸出應(yīng)力分布云圖，位移分布云圖，可以非常直觀的觀察模型內(nèi)各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布，以及模

46、型的應(yīng)變情況。這是一般的體外研究所達(dá)不到的，所以有限元分析是體外標(biāo)本實(shí)驗(yàn)研究的有力補(bǔ)充。通過(guò)對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布，了解應(yīng)力集中點(diǎn)，再對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)予以改進(jìn)，提高固定穩(wěn)定性，降低內(nèi)固定失敗風(fēng)險(xiǎn)，從而更好的滿足臨床需要40。3.5 局限及展望 文章中模擬了一種L5-S1缺損的情況。在實(shí)際情況下，腰骶部的病變是多種多樣的，結(jié)核性病變多侵犯椎間隙，在嚴(yán)重的L5-S1結(jié)核病變行病灶清除術(shù)后的缺損范圍與作者模擬的很類似，但在外傷情況，骨折線多變，可累及多個(gè)腰椎或骶椎及骶髂關(guān)節(jié)等。腫瘤性病變可以累及L5整個(gè)椎體或多個(gè)骶椎，在病變切除后缺損范圍較大，尤其是骶骨腫瘤，對(duì)于上位的骶骨腫瘤，切除病變后缺損范圍比作者

47、模擬的更大，骶髂關(guān)節(jié)也不穩(wěn)定。在有些情況下，病變?cè)谝粋?cè)，可能只需要對(duì)一側(cè)進(jìn)行病灶清除，這種情況下如何選擇內(nèi)固定方式也沒(méi)能模擬。如果有更多的模型，則可以提供更多的參考價(jià)值。肌肉系統(tǒng)對(duì)脊柱-骨盆的力學(xué)穩(wěn)定起著重要的作用，腰背肌對(duì)模型的屈伸及旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性是有影響的。但是由于肌肉個(gè)體差異非常大，肌肉的生物力學(xué)特性非常特殊，即使同一個(gè)體不同狀態(tài)下肌肉力量也有變化。目前還很難有效的模擬肌肉的生物力學(xué)特性。所以有限元分析不能完全反應(yīng)生理狀態(tài)。骶髂關(guān)節(jié)是屬于微動(dòng)關(guān)節(jié)，起初有學(xué)者在建模過(guò)程為了簡(jiǎn)化，將其忽略并設(shè)定為骨性連接，這與實(shí)際情況是不符的。文章是對(duì)骶髂關(guān)節(jié)及恥骨聯(lián)合關(guān)節(jié)采用軟骨實(shí)性單元進(jìn)行了模擬，這樣對(duì)模型

48、測(cè)試結(jié)果與既往的尸體標(biāo)本測(cè)試結(jié)果具有可比性，更有參考意義。 限于有限元分析只是體外的模擬，主要模擬的是術(shù)后即刻的生物力學(xué)情況。但內(nèi)固定系統(tǒng)在體內(nèi)的過(guò)程是長(zhǎng)期的，影響因素也是多樣的，而且局部術(shù)后有一個(gè)再修復(fù)的過(guò)程，有限元分析還不能完全替代體內(nèi)研究，需要兩者相結(jié)合。致謝：感謝武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨科、放射科對(duì)實(shí)驗(yàn)給予的幫助。作者貢獻(xiàn)：馬亮全面負(fù)責(zé)試驗(yàn)全過(guò)程、資料整理及論文書(shū)寫；許永濤負(fù)責(zé)部分資料整理；郭衛(wèi)春教授負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程的指導(dǎo)及數(shù)據(jù)的分析。利益沖突：所有作者共同認(rèn)可文章內(nèi)容不涉及相關(guān)利益沖突。倫理問(wèn)題：試驗(yàn)獲得武漢大學(xué)人民醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。CT數(shù)據(jù)采集獲得志愿者知情同意。試驗(yàn)參研人員具有相關(guān)專業(yè)

49、技術(shù)職稱，長(zhǎng)期從事脊柱外科臨床工作及研究。文章查重：文章出版前已經(jīng)過(guò)CNKI反剽竊文獻(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行3次查重。文章外審：文章經(jīng)國(guó)內(nèi)小同行外審專家雙盲外審，符合本刊發(fā)稿宗旨。作者聲明：第一作者對(duì)研究和撰寫的論文中出現(xiàn)的不端行為承擔(dān)責(zé)任。論文中涉及的原始圖片、數(shù)據(jù)(包括計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù))記錄及樣本已按照有關(guān)規(guī)定保存、分享和銷毀，可接受核查。文章版權(quán)：文章出版前雜志已與全體作者授權(quán)人簽署了版權(quán)相關(guān)協(xié)議。4 參考文獻(xiàn) References1 Uvaraj NR, Bosco A, Gopinath NR. Global Reconstruction for Extensive Destruction in

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