不同材料矯形棒在青少年特發性脊柱側凸矢狀面重建中作用的有限元研究

范建平，趙 檢，陳自強，李 明*

1.海軍軍醫大學附屬長海醫院骨科，上海 200433

2.中國人民解放軍第285醫院，河北 056000

青少年特發性脊柱側凸（AIS）矯正率的提高得益于椎弓根螺釘的應用，這使得AIS在冠狀面和橫斷面上的力線能夠很好地重建。全椎弓根螺釘帶來強大矯形力的同時，同樣也帶來系列相關并發癥，如術后胸椎生理彎曲減?。?-2］。近年來，AIS矢狀面力線的重建越來越受到外科醫師的重視，因為良好的矢狀面平衡與患者生存質量顯著相關［3］。許多因素均可影響AIS患者術后矢狀面平衡，如融合節段選擇［4］、醫師操作技術水平［5］和術前矢狀面參數［6］。對于胸椎結構性側凸的患者，胸椎生理彎曲較正常人群要小，一般＜ 20°，使術后胸椎生理彎曲不足風險增加。既往研究表明，矯形棒材料是影響AIS矢狀面矯形效果的重要因素［7］。本研究通過建立有限元模型，模擬AIS矯形手術，探討不同材料、不同預彎弧度矯形棒在AIS矢狀面平衡重建中的作用。

1 資料與方法

1.1 T1至骶骨有限元模型的建立

選擇1例AIS患者，女，14.3歲，身高162 cm，體質量51 kg。術前正位X線片測量T1～6Cobb角為24°，T6～12Cobb角為48°；矢狀面測量胸椎后凸T2～12為11°，T10～ L2為-6°，腰椎后凸為51°。采用0.8 mm薄層CT掃描T1至骶骨，得到dicom格式圖像數據。圖像導入Mimics軟件（Materialise公司，比利時），輸出格式為stl的模型數據。將stl數據導入Geomagic Studio軟件（Geomagic公司，美國）對模型進行修補和邊界調整。使用SolidWorks軟件（SolidWorks公司，美國）根據上下椎體輪廓構建椎間盤形狀，髓核與纖維環成分比為3∶2。仿真模擬前后縱韌帶，根據解剖結構特點構建其余韌帶。根據骨質的CT值（亨氏單位，Hu）差異，使用Mimics軟件進行對應賦值，計算各結構密度（ρ），ρ（kg·m-3）=1.067×CT值+131。進一步計算各結構彈性模量（E），E=009 882×ρ1.56。泊松比為0.30。模型中各結構賦值見表1。

荷載與邊界條件設定。限制T1椎體上終板和骶骨各個方向自由度，模擬人體直立狀態脊柱所受負荷，最終軀干上身體質量平均施加在每一個節段上。所建立的模型中，骨組織、終板和韌帶分別應用實體單元、殼單元和仿真單元。模型包括691 271個單元，其中實體單元、殼單元以及仿真單元計數分別為667 459、62 838和575（圖1）。

表1 各結構賦值Tab. 1 Assignment of different structures

圖 1 AIS有限元模型Fig. 1 Finite element model of AIS

構建的有限元模型與AIS患者術前X線片具有良好的幾何相似性，Wilcoxon檢驗提示椎體各重心到骶骨中垂線距離一致。前屈、后伸、左旋和右旋加載實驗表明，本研究建立的AIS模型與Panjabi等［8］的報道一致。本模型采用實物加載，與既往建立的模型［9］相比更接近實體力學特性（圖2），可用于不同材料、不同預彎曲度矯形棒對AIS矢狀面平衡重建的研究。

1.2 不同材料矯形棒的手術模擬

圖2 椎體施加荷載時的位移圖Fig. 2 Displacement diagram of vertebra under loading

采用Solidworks軟件設定螺釘的材料屬性，ABAQUS軟件進行力學加載運算。由于CT中沒有內固定材料數據，實驗采用ABAQUS軟件進行模擬。上胸椎椎弓根螺釘的長度和直徑為25.00 mm和3.50 mm，胸椎中段為30.00 mm和4.00 mm，下胸椎為40.00 mm和5.50 mm，腰椎為45.00 mm和6.00 mm。釘棒間采用面與面接觸，相對摩擦系數為0.52。椎弓根螺釘的彈性模量與泊松比分別設定為11 000 MPa和0.3。釘棒采用四面體模擬設計，限定置入后螺釘所有方向自由度。

矯形方式為棒平移矯形，邊界條件為約束T1椎體上部在X、Y軸方向上的自由度，同時約束骶骨和骨盆的自由度。矯形上棒時將棒預彎一定角度，凹側上棒矯形。手術節段為T2～ L2。上棒矯形過程中沒有考慮肌肉和胸廓對手術的影響。術后測量胸椎、胸腰段和腰椎曲度，同時測量螺釘對應的拔出力。

根據硬度不同設定矯形棒材料為鈷鉻合金和鈦合金，棒的直徑均為6.35 mm。鈦合金棒彈性模量為11 000 Mpa，泊松比為0.30；鈷鉻合金棒彈性模量為23 900 Mpa，泊松比為0.35。分別比較2種矯形棒術后胸椎后凸、胸腰交界后凸和腰椎前凸的變化以及椎弓根螺釘拔出力。

1.3 不同預彎曲弧度鈦合金棒手術模擬

在前述AIS模型基礎上，采用鈦合金棒平移矯形。增大棒預彎弧度為40°，比較采用不同預彎弧度（28°和40°）矯形棒對AIS矢狀面力線及螺釘拔出力的影響。

2 結 果

當矯形棒預彎弧度為28°時，鈦合金棒矯形后胸椎后凸為12°，胸腰段為3°，腰椎前凸為38°；鈷鉻合金棒矯形后胸椎后凸為25°，胸腰段為3°，腰椎前凸為38°（圖3），說明鈷鉻合金棒能夠更好地恢復患者胸椎后凸和腰椎前凸（圖4），但使用鈷鉻合金棒時，椎弓根螺釘拔出應力顯著增加（圖5）。當鈦合金棒預彎弧度為40°時，胸椎后凸恢復到27°，顯著優于預彎弧度為28°時，同時螺釘拔出應力顯著增加（圖6 ～ 8）。

圖3 不同材料矯形棒的矯形位移效果云圖（預彎弧度28°）Fig. 3 Cloud chart of orthopedic displacement of different material rods（pre-bending curve 28°）

圖4 矯形后胸腰椎矢狀面參數的比較（預彎弧度28°）Fig. 4 Comparison of sagittal parameters of thoracolumbar spine after orthopaedics（pre-bending curve 28°）

圖5 螺釘在各椎體相應拔出力的比較（預彎弧度28°）Fig. 5 Comparison of screw pullout forces at different levels（pre-bending curve 28°）

圖6 不同預彎弧度鈦合金棒矯形位移效果云圖Fig. 6 Cloud chart of orthopedic displacement of titanium alloy rods with different pre-bending curves

圖7 使用不同預彎弧度的鈦合金矯形棒術后胸腰椎矢狀面參數比較Fig. 7 Comparison of sagittal parameters between titanium alloy rods with different pre-bending curves

圖8 使用不同預彎弧度鈦合金矯形棒時螺釘在各椎體相應拔出力比較Fig. 8 Comparison of screw pullout forces between titanium alloy rods with different pre-bending curve

3 討 論

隨著脊柱內固定器械的發展，全椎弓根螺釘強大的矯形力實現了AIS脊柱在冠狀面、橫斷面和矢狀面力線的矯正［10］。相應的手術方式也不斷出現，從起初的單凹側撐開凸側加壓到今天的截骨矯形術等［11］。有研究表明，脊柱矢狀面平衡和患者生存質量具有顯著相關性，恢復AIS患者胸腰椎生理曲度具有重要意義［12］。許多因素均可影響AIS術后矢狀面平衡，不同材料矯形棒的矢狀面重建效果不同。臨床研究發現，硬度較高的鈷鉻合金棒能夠更好地恢復患者胸椎生理曲度［13-14］，也能更好地維持冠狀面和矢狀面的矯形效果［7］。

本研究采用有限元模型模擬側凸矯形手術，結果表明，矯形棒材料硬度相對較大時，胸椎后凸的重建效果更好。目前矯形棒的材料主要包括不銹鋼、鈦、鈦合金和鈷鉻合金，不同材料的生物屬性各異。不銹鋼棒由于磁共振的兼容性差，已經很少使用。鈦合金棒和鈦棒具有生物力學優勢，目前應用較多。鈦棒鋼度明顯優于不銹鋼棒，磁共振相容性和生物相容性好，抗疲勞性強。鈷鉻合金棒的剛度比鈦棒和鈦合金棒都要強，在同樣的彈性回彈范圍下矯形力更大，抗疲勞性更好［15］。因此，鈷鉻合金棒對于柔韌性非常差的脊柱畸形患者尤為適用。在本研究中，矯形棒預彎弧度同樣為28°時，鈷鉻合金棒術后胸椎后凸恢復情況好于采用鈦合金棒。既往臨床研究也表明，鈷鉻合金棒能夠更好地重塑矢狀面平衡，同時也能夠更好地維持矯形效果［7，14］。需要注意的是，矯形棒的剛度過大會導致棒置入節段椎體壓力負荷降低，骨鈣丟失風險相對增加。既往研究報道，內固定硬度越大，鄰近節段承受應力越大，術后發生鄰近節段退變的風險越高［16］。本研究還發現，使用鈷鉻合金棒時螺釘拔出應力大于使用鈦合金棒。因此，對于上下端椎體螺釘應力較大部位，在螺釘的選擇和置入時應考慮到鈷鉻合金棒帶來的強大剪切力和拔出力，建議手術時適當增加螺釘數量，并將螺釘恰當地分散在融合節段不同椎體。

本研究還發現，術前矯形棒預彎弧度會影響AIS矢狀面平衡的恢復，適當增加矯形棒的胸段預彎弧度能夠更好地維持矢狀面矯形效果，與文獻報道一致［17-18］。但是當預彎弧度增加時，也會導致螺釘拔出應力增加，同時矯形棒的抗疲勞性會顯著下降，增加了斷棒的風險［15］。目前手術醫師在確定彎棒弧度時多由自身經驗決定，本研究初步探討了采用基于金屬棒性質的有限元模型預測矯形棒預彎弧度，為個體化設計矯形棒預彎弧度及矯形棒材料選擇提供了新思路。但本研究采用的是仿真模型，無法納入患者體質量、柔韌性、骨骼發育等情況，其可行性仍需進一步驗證。