ACM Advances in Clinical Medicine 2161-8712 Scientific Research Publishing 10.12677/ACM.2022.12121749 ACM-59908 ACM20221200000_19555748.pdf 医药卫生 横连接在经伤椎置钉治疗脊柱爆裂骨折应用的有限元分析 Finite Element Analysis of the Application of Transverse Connection in the Treatment of Spinal Burst Fractures with Screw Placement through the Injured Vertebra 潘 俊朋 1 2 黄 瑞鹏 1 2 赵 成亮 3 1 青岛大学附属医院脊柱外科，山东 青岛 null 青岛大学，山东 青岛 05 12 2022 12 12 12136 12152 © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 2014 This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

在胸腰段脊柱爆裂骨折中，分析伤椎置钉方式和横连对脊柱内固定系统的作用。本文应用医学有限元的方法，通过影像学数据得出T11-L3脊柱模型，应用“V”型截骨的方式模拟脊柱爆裂骨折术后复位的状态，给予跨伤椎固定、经伤椎椎弓根固定和经伤椎椎体固定的3种置钉方法，结合是否放置横连，组合成6种内固定方式，结合术后去除内固定的2种椎体模型，比较置钉和横连的作用。测量不同内固定模型在前屈、后伸、侧屈、扭转和纯重力的活动状态下的活动度和等效应力。结果：随着伤椎置钉长度的增大，椎体整体活动度下降，椎弓根钉和纵棒的最大应力减低。横连在扭转的活动状态时起到一定作用。结论：经伤椎椎体置钉是治疗脊柱爆裂骨折内固定的良好办法，横连在脊柱扭转时起到一定作用，经伤椎椎体6钉内固定可以起到良好的固定效果，无需放置横连。 In thoracolumbar spinal burst fractures, the effects of screw placement and transverse connection on the spinal internal fixation system were analyzed. In this paper, the medical finite element method is used to obtain the T11-L3 spinal model through imaging data, and the “V”-shaped oste-otomy is used to simulate the postoperative reduction state of the spinal burst fracture. Three kinds of screw placement methods of root fixation, including Cross-injured vertebral fixation, trans-injured vertebral pedicle fixation and trans-injured vertebral body fixation, combined with whether to place a transverse connection, combined into 6 internal fixation methods, combined with two kinds of vertebral body models that removed the internal fixation after operation, com-pared the methods of screw placement and transverse connection effect. The range of motion and von-Mises stress of different internal fixation models is measured in flexion, extension, lateral bending, rotation and pure gravity. Results: With the increase of the screw length in the injured vertebra, the overall range of motion of the vertebral body decreased, and the maximum stress of the pedicle screw and the longitudinal rod decreased. The transverse connection plays a role in the rotated active state. Conclusion: Insertion of screws through the injured vertebrae is a good method for internal fixation of spinal burst fractures. The transverse connection plays a certain role in spinal rotation. Internal fixation with 6 screws through the injured vertebrae can achieve a good fixation effect without placing transverse connection.

 经伤椎置钉，横连接，医学有限元, Screw Placement through Injured Vertebra Transverse Connection Medical Finite Element 摘要

在胸腰段脊柱爆裂骨折中，分析伤椎置钉方式和横连对脊柱内固定系统的作用。本文应用医学有限元的方法，通过影像学数据得出T11-L3脊柱模型，应用“V”型截骨的方式模拟脊柱爆裂骨折术后复位的状态，给予跨伤椎固定、经伤椎椎弓根固定和经伤椎椎体固定的3种置钉方法，结合是否放置横连，组合成6种内固定方式，结合术后去除内固定的2种椎体模型，比较置钉和横连的作用。测量不同内固定模型在前屈、后伸、侧屈、扭转和纯重力的活动状态下的活动度和等效应力。结果：随着伤椎置钉长度的增大，椎体整体活动度下降，椎弓根钉和纵棒的最大应力减低。横连在扭转的活动状态时起到一定作用。结论：经伤椎椎体置钉是治疗脊柱爆裂骨折内固定的良好办法，横连在脊柱扭转时起到一定作用，经伤椎椎体6钉内固定可以起到良好的固定效果，无需放置横连。

 关键词

经伤椎置钉，横连接，医学有限元

 Finite Element Analysis of the Application of Transverse Connection in the Treatment of Spinal Burst Fractures with Screw Placement through the Injured Vertebra<sup> </sup>

Junpeng Pan1, Ruipeng Huang1, Chengliang Zhao2*

1Qingdao University, Qingdao Shandong

2Department of Orthopedic, The Affiliated Hospital of Qingdao University, Qingdao Shandong

Received: Nov. 26th, 2022; accepted: Dec. 21st, 2022; published: Dec. 30th, 2022

 ABSTRACT

In thoracolumbar spinal burst fractures, the effects of screw placement and transverse connection on the spinal internal fixation system were analyzed. In this paper, the medical finite element method is used to obtain the T11-L3 spinal model through imaging data, and the “V”-shaped osteotomy is used to simulate the postoperative reduction state of the spinal burst fracture. Three kinds of screw placement methods of root fixation, including Cross-injured vertebral fixation, trans-injured vertebral pedicle fixation and trans-injured vertebral body fixation, combined with whether to place a transverse connection, combined into 6 internal fixation methods, combined with two kinds of vertebral body models that removed the internal fixation after operation, compared the methods of screw placement and transverse connection effect. The range of motion and von-Mises stress of different internal fixation models is measured in flexion, extension, lateral bending, rotation and pure gravity. Results: With the increase of the screw length in the injured vertebra, the overall range of motion of the vertebral body decreased, and the maximum stress of the pedicle screw and the longitudinal rod decreased. The transverse connection plays a role in the rotated active state. Conclusion: Insertion of screws through the injured vertebrae is a good method for internal fixation of spinal burst fractures. The transverse connection plays a certain role in spinal rotation. Internal fixation with 6 screws through the injured vertebrae can achieve a good fixation effect without placing transverse connection.

Keywords:Screw Placement through Injured Vertebra, Transverse Connection, Medical Finite Element

Copyright © 2022 by author(s) and beplay安卓登录

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 1. 引言

脊柱骨折约占全身骨折的5%~6%，胸腰段骨折多见。脊柱爆裂骨折可造成脊柱后凸和神经功能障碍，手术已经成为治疗胸腰段骨折的常用方式 [ 1 ]。随着内固定系统的发展和临床研究，后入路椎弓根螺钉内固定术已经成为治疗脊柱爆裂骨折常规术式 [ 2 ]。最早开始应用的是跨伤椎4钉固定，通过在伤椎上下椎体置入椎弓根钉和纵棒，将伤椎和临近椎体固定。但是其跨伤椎固定距离长且每个椎弓根钉应力较大，常发生术后椎体高度丢失，或者内固定装置的失败 [ 3 ]。为克服以上难题，有学者通过增加固定节段，在伤椎上下各2个椎体置入椎弓根螺钉和纵棒固定，即跨伤椎8钉固定，来增强内固定的稳定性。但是其较大的手术创伤，较长固定节段影响术后脊柱活动度等限制其推广 [ 4 ]。为此有学者提出，经伤椎置钉方案，即在伤椎和上下椎体中置入椎弓根钉，通过对伤椎的直接复位固定，达到内固定的效果，这种内固定方式在临床中取得了一定的效果，董健文等 [ 5 ] 通过比较经伤椎与跨节段固定治疗胸腰段爆裂骨折中发现，二者在早期都有良好的复位效果，术后2年经伤椎置钉有更少的矫正丢失。熊为等 [ 6 ] 对经伤椎和跨伤椎置钉治疗胸腰椎骨折进行meta分析，发现经伤椎置钉治疗胸腰椎骨折优于跨伤椎。但是目前对其生物力学的研究还较少。

椎弓根螺钉和纵棒是内固定系统的基础，横连通过连接两侧纵棒将所有内固定连成一个整体，来增强内固定系统的稳定性 [ 7 ]。横连常应用于后路椎管减压和需长节段固定的手术方式中，在脊柱骨折内固定中，因骨折常不伴有后部结构的破坏，放置横连常需要破坏棘突或棘间韧带，骨折内固定中是否需要放置横连，临床上存在争议。尤其在经伤椎置钉的手术方式中，由于棘突间正对椎弓根钉钉尾，若要放置“一”字横连，则需要破坏伤椎棘突和韧带，本实验验证伤椎置钉和横连在脊柱爆裂骨折内固定中的作用，为临床手术方式的确认给出理论支撑。

对脊柱生物力学的研究，目前常用的包括三维有限元、人体标本和动物试验，因人体标本取材困难和动物试验和人体的差异性，其推广受到限制，有限元分析法逐步成为研究的热点 [ 8 ]。有限元分析法是数值计算中的一种离散化的方法，其核心方法是将一个由无数个质点组成的整体，近似成有限个个体且相互连接成的一个集合体，通过对离散后的每个个体的分析，得到对整体的分析 [ 9 ]。本实验通过有限元的方法，对胸腰段爆裂骨折的不同内固定系统的模拟，包括跨伤椎4钉、经伤椎椎弓根6钉和经伤椎椎体6钉固定形式及其有无横连方式的对比，及术后和去除内固定后是否增加横连对脊柱稳定性的对比，定量的评估伤椎置钉及横连在骨折中的作用。

 2. 对象与方法 2.1. 设计

三维有限元的分析实验。

 2.2. 时间及地点

于2022年3月至11月在青岛大学附属医院西海岸院区科教楼完成。

 2.3. 对象

选取1名24岁健康男性志愿者，身高178 cm，体重80 kg，自愿参加此次实验并签署知情告知书，而且已经获得青岛大学伦理委员会审批。志愿者既往康健，无腰背部疼痛、双下肢麻木等表现，无腰部外伤和手术史，实验前行胸腰椎正侧位、双斜位和过伸过屈位X线片，排除骨折、滑脱、峡部裂、结核和骨转移瘤等脊柱疾病。而后行胸椎腰椎CT逐层扫描和三维成像，128排PHILIPS，0.625 mm每层，矩阵512 × 512，而后导出为DICOM格式备用。

 2.4. 材料及软件

相邻椎体椎弓根螺钉钉长45 mm，伤椎椎弓根螺钉长45 mm和15 mm，宽6.0 mm，钉尾U型槽宽6.0 mm。纵棒长85 mm，宽6 mm。横连长45 mm。材料为钛合金，由康辉公司提供。有限元分析软件：Mimics 21.0 (Materialise公司，比利时)，Geomagic 2021 (Geomagic公司，美国)，SolidWorks 2021 (Dassault Systemes公司，美国)，ANSYS Workbench 17.0 (ANSYS公司，美国)

 2.5. 方法 2.5.1. 建立初步有限元模型

将DICOM格式的CT数据导入数据处理软件Mimicis，选择合适的阈值使骨性结构显示，软组织不被选择，建立脊柱蒙版，然后运用蒙版编辑技术，对关节突关节之间的异常连接进行消除，运用分离蒙版对逐一椎体进行提出，然后对椎体内空腔进行填充，再进行蒙版的广滑处理，重建T11-L3的脊柱模型，以STL格式予以保存。如图1示。

图1. 示CT影像数据三维重建T11-L3节段模型

 2.5.2. 模型的优化后处理

将T11-L3的STL格式的模型导入Geomagic里面，重画网格，设置网格大小2 mm，删除边线，运用去除特征和删除钉状物等处理对模型进行打磨，注意上下此关节突不要接触，删除椎体内部空洞，应用网格医生分析无错误后，进入精准曲面。在此之前，对已经处理好的椎体进行复制，整体向内偏移1 mm的处理，得出松质骨。对于T11和L3椎体由于没有椎弓根螺钉的置入，椎体后柱松质骨予以切除，仅保留椎体内松质骨。在T12-L2的椎体，对松质骨的椎弓根处予以保留，后柱其他部位予以切除，在计算范围内进最大限度保证模型的真实性。进入精确曲面后设置曲率为0，进行探测轮廓线，对椎体突出部位绘制轮廓线，而后提取轮廓线，编辑轮廓线，使轮廓线之间的空隙大小尽量一致，然后构造曲面片，对于太大太小的曲面片，返回上一步进行修改，修改好曲面片后进行构造格栅，拟合曲面的功能。完成后将10个皮质骨和松质骨以STEP格式保存备用。如图2示。

图2. 示左侧是为光滑处理前的模型，右侧为拟合曲面后模型

 2.5.3. 术前术后椎体内固定模型的建立

在Solidworks里面将STEP格式导入的模型转为零件格式，然后生成装配体将上述10个零件导入，运用原点重合，进行组合装配。运用复制实体将松质骨复制1份，然后与皮质骨组合删减，得到皮质骨部分，完成皮质骨与松质骨的组合。使用构造基准面、草图绘制、拉伸、等距曲面、分割等命令，完成椎间盘包括纤维环、髓核、软骨终板和关节软骨的构建，其中软骨终板厚度设置1 mm，髓核占椎间盘50%~55%，与文献报道的50%类似 [ 10 ]。建立完成后行干涉检测，检查无误后删除曲面实体，导出为零件格式。

对L1椎体进行“V”字形截骨，切除前中柱30%的皮松质骨，且椎体后壁给予贯穿切除，使骨折椎体上部分完全游离。进一步对其进行十字分割，包括骨折上部分松质皮质和上终板，通过接触设置，尽可能模拟椎体爆裂骨折。对于经伤椎置钉放置横连的模型，由于伤椎棘突和韧带的阻挠，放置“一”字横连难免需要破坏伤椎棘突和上下韧带，所有对L1棘突予以切除。如图3图4示。

图3. 示L1爆裂骨折的截骨伴十字分割

图4. (a) 示经伤椎置钉后由于棘突的阻挡，无法放置“一”字横连。(b) 示对L1椎体棘突予以切除。(c) 示棘突切除后放置横连

椎弓根螺钉进钉点按照“人字嵴”法，即选取椎弓根峡部嵴与乳突副突嵴交点为人字嵴顶点，保持椎弓根螺钉与上终板平行，沿椎弓根角度置入，保证在椎弓根内。伤椎椎弓根螺钉与骨折下表面半切，即一半螺钉在骨松质内，尽可能模拟骨折和螺钉的情况。根据椎体骨折后有无横连及内固定的不同形式，我们装配了术后脊柱内固定装配体的6中形式，即跨伤椎4钉及横连、经伤椎椎弓根6钉及横连和经伤椎椎体6钉及横连，我们还模拟了术后两种脊柱模型，具体装配如下图5示。

图5. 示6种术后内固定方式和2种骨折愈合的模型

 2.5.4. 接触设置、附加韧带和网格划分

将上述模型导入到ANSYS里面，删除原有接触，修改接触容差，确保接触数量正确，设定接触关系，关节软骨与下关节突保持绑定，而与上关节突保持摩擦，摩擦系数为0.2。L1椎体骨折上部分，被十字分割后的骨折片间、其与螺钉间的接触定义为不分离，即可以相互活动，但保持接触。其余接触设置为绑定。按照解剖结构，按照表1中的材料属性给各个结构给予材料设置，设置其弹性模量和泊松比。同时按照表2中的弹簧刚度来模拟椎体周围韧带 [ 11 ]，包括前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带和黄韧带。然后对模型进行网格划分，网格划分大小包括：皮质骨松质骨：2 mm、纤维环髓核1.5 mm，内固定系统1 mm，终板和关节软骨0.5 mm，如图6示网格划分后效果。

Material properties of spine and internal fixatio
名称 弹性模量(MPa) 泊松比
皮质骨 12,000 0.3
松质骨 100 0.2
终板 800 0.25
纤维环 4.2 0.45
髓核 1 0.49
关节软骨 10 0.4
内固定(钛合金) 96,000 0.36

表1. 脊柱及内固定的材料属性

Spring stiffness of different ligament
韧带 刚度(N/mm)
前纵韧带 8.74
后纵韧带 5.83
黄韧带 15.38
横突间韧带 0.19
棘间韧带 10.85
棘上韧带 2.39

表2. 不同韧带的弹簧刚度

图6. 示网格划分后结果，通过倾斜度判断网格质量良好

 2.5.5. 远程点的设置及绑定和加载

在模型中加入3个远程点的命令，相邻远程点间测量活动度，通过在求解根目录中输入命令流，来测得各个远程点的三维坐标上活动角度，通过公式可将坐标系角度转换为活动角度。精确计算关节的活动度，避免了通过截图对比计算活动度的误差 [ 11 ]。在静力学分析中，固定L3椎体下表面，在T11椎体上表面设置力和扭矩的加载面，施加500 N垂直向下的载荷模拟重力方向，外加10 N·m的扭矩模拟屈伸扭转来进行求解 [ 12 ]。

 2.6. 主要观察指标

各组模型在屈伸侧屈扭转和纯重力载荷下的整体、内固定系统的活动度，及内固定系统的Von mises应力的情况。

 3. 结果Results 3.1. 三维有限元模型有效性验证

T11-L3模型建立完成后首要任务是验证模型的有效性，常用的办法是用相同加载和扭矩跟既往体外实验或有限元进行对比。具体方法如下，将L3椎体下表面进行固定限制其活动，在T11上表面均匀施加200N的应力，与重力方向一致且沿着脊柱正常生理弯曲，且附加7.5 N·m的扭矩，分别沿X Y Z轴给予，模拟前屈、后伸、左右侧屈和左右侧扭转的活动状态。在这六种运动状态下，测量T12-L2节段脊柱的活动度。与既往A.C. Disch [ 13 ]、W. Schmoelz [ 14 ] 和Mina Alizadeh [ 15 ] 的体外实验和有限元分析结果对比，此模型在6个活动度与既往研究的数据及趋势相符，仿真效果良好，可用于实验。具体见图7。

图7. 本模型与既往研究活动度的差异，右侧黄色为本次研究结果

 3.2. 结果 3.2.1. 不同内固定形式对脊柱内固定的影响

1) 不同内固定形式对活动度的影响(图8、图9，表3、表4)

图8. 示不同内固定形式对整体活动度的影响

图9. 示不同内固定形式对T12-L2固定节段活动度的影响

Overall range of motion under different internal fixation condition
活动 状态 跨伤椎4钉 经伤椎椎弓根 经伤椎椎体 去除内固定
横连 无 横连 无 横连 无 横连 无
前屈 18.45 18.69 15.7 16.09 11.69 12.06 20.96 19.6
后伸 2.86 2.78 3.53 3.85 5.14 5.45 12.28 11.42
左屈 10.39 10.52 9.35 9.43 8.1 8.19 14.11 14.09
右屈 10.87 10.99 9.33 9.42 7.42 7.5 12.35 12.24
左扭转 10.22 10.98 8.48 8.82 6.74 7.09 10.16 10.01
右扭转 10.3 11.05 8.78 9.1 6.92 7.24 9.88 9.76
纯重力 7.8 7.96 6.09 6.13 3.3 3.32 4.45 4.21

表3. 不同内固定情况下整体活动度

T12-L2 range of motion under different internal fixation condition
活动 状态 跨伤椎4钉 经伤椎椎弓根 经伤椎椎体 去除内固定
横连 无 横连 无 横连 无 横连 无
前屈 9.32 9.55 6.96 6.84 2.81 2.7 11.18 9.79
后伸 3.07 3.16 2.09 2.09 0.44 0.44 6.27 5.36
左屈 6.02 6.17 4.45 4.42 1.92 1.89 7.03 6.97
右屈 6.62 6.79 4.9 4.83 2.06 1.97 6.33 6.17
左扭转 6.52 6.97 4.65 4.73 1.94 2.12 4.82 4.68
右扭转 6.4 6.87 4.74 4.82 1.97 2.14 4.42 4.31
纯重力 6.19 6.35 4.52 4.47 1.62 1.57 2.51 2.27

表4. 不同内固定情况下T12-L2活动度

术后不同内固定的方式对总体活动度影响如图7示，随着伤椎置钉长度的增大，即从伤椎无钉，伤椎后部固定到伤椎椎体固定，模型总活动度在前屈、侧屈、扭转和重力的方向活动度明显减少。我们取同一种置钉方式的两组数据求和取平均值，取双侧侧屈和扭转取平均，计算变化率。在前屈、侧屈、扭转和纯重力的活动状态下，从跨伤椎到经伤椎后部固定，总体活动度分别下降了：14.40%、12.21%、17.32%和22.46%；从跨伤椎到经伤椎椎体固定，整体活动度分别下降了：40.90%、26.92%、34.22%和57.99%。在后伸的活动状态，从跨伤椎到经伤椎后部固定，活动度增大30.85%，从跨伤椎到经伤椎椎体固定，活动度增大了87.77%。

术后不同内固定方方式对伤椎固定的活动度如图8示，随着置钉长度的增加，伤椎固定的活动度都有一定的减少，包括后伸的活动状态。在前屈、后伸、侧屈、扭转和仅重力情况下，从跨伤椎到经伤椎后部固定，相应活动度减少了26.87%、32.91%、27.34%、29.21%和28.31%；从跨伤椎到经伤椎椎体固定，相应活动度减少了70.80%、85.87%、69.35%、69.47%和74.56%。

是否置入横连对同一种置钉方式的影响如图7和图8中相同颜色的两个柱形图比较，我们可见，整体活动度和伤椎固定活动度仅在跨伤椎4钉固定中扭转时影响较大，放置横连比不放置横连在总活动度和伤椎固定活动度中减少6.65%和6.85%，其余的内固定形式和活动状态，是否增加横连使活动度变化均小于5%。

2) 不同内固定形式对应力的影响(图10~12，表5~7)

图10. 不同内固定形式对椎弓根螺钉等效应力的影响

图11. 不同内固定形式对纵棒等效应力的影响

在内固定应力中可见，随着椎弓根螺钉的置入，螺钉和纵棒所受最大应力减少。在前屈、后伸、侧屈、扭转和重力的活动状态下，经伤椎椎体固定较跨伤椎固定螺钉的最大应力分别减少：65.49%、60.89%、54.52%、61.49%和64.31%；纵棒的最大应力分别减少了：74.82%、71.64%、67.75%、64.36%和73.85%。

横连应力方面，随着椎弓根螺钉的置入，横连应力在前屈、后伸、侧屈和重力时时逐步减小，在扭转时变化不大。

图12. 不同内固定形式对横连等效应力的影响

Von-Mises stress of pedicle screws under different internal fixation conditions
活动 状态 跨伤椎4钉 经伤椎椎弓根 经伤椎椎体
横连 无 横连 无 横连 无
前屈 619.41 634.33 671.95 497.02 215.37 217.33
后伸 216.35 221.08 283.03 209.22 85.85 85.23
左屈 451.49 565.11 458.07 354.76 265.01 259.78
右屈 441.24 499.25 530.96 383.95 204.24 165.85
左扭转 590.96 654.89 614.03 450.16 254.57 237.36
右扭转 540.67 575.07 597.64 470.25 204.04 214.79
纯重力 417.87 427.7 476.95 353.11 150.61 150.07

表5. 不同内固定情况下椎弓根钉等效应力

Von-Mises stress of longitudinal rod under different internal fixation condition
活动 状态 跨伤椎4钉 经伤椎椎弓根 经伤椎椎体
横连 无 横连 无 横连 无
前屈 1054.1 1074.5 958.75 929.94 295.74 240.16
后伸 451.27 456.24 411.04 406.17 145.83 111.56
左屈 836.9 804.72 737.25 726.07 283.1 248.91
右屈 755.61 726.17 742.7 692.54 250.33 225.35
左扭转 930.78 1017.3 845.75 849.47 337.72 269.71
右扭转 876.83 788.78 829.22 731.19 368.54 299.33
纯重力 752.67 765.35 681.94 668.05 220.71 176.24

表6. 不同内固定情况下纵棒等效应力

Von-Mises stress of transverse connection under different pedicle screw placement condition
活动状态 跨伤椎4钉 经伤椎椎弓根 经伤椎椎体
前屈 555.03 396.46 333.82
后伸 232.69 190.63 165.21
左屈 444 343.63 301.9
右屈 403.59 267.28 204.59
左扭转 570.48 628.48 548.9
右扭转 438.97 571.45 479.98
纯重力 393.81 293.54 249.51

表7. 不同置钉方式横连的等效应力

在横连有无上，可见在经伤椎椎体置钉患者中，是否增加横连对螺钉和纵棒应力变化很小，在其他内固定形式中，横连的有无对应力差别变化不大，且都在其屈服范围内。

经过上述可知，经伤椎椎体6钉在治疗脊柱爆裂骨折上较4钉和经伤椎后部结构，整体活动度减低，内固定应力减低。在此基础上继续增加横连，对经伤椎椎体6钉作用不大。

 3.2.2. 术后内固定及去除内固定后脊柱生物力学的比较

对于针对经伤椎椎体6钉内固定系统，我们将其是否按照横连和术后去除内固定后伤椎棘突是否完整进行生物力学的对比，可见术后是否放置横连对于经伤椎椎体6钉系统影响不大，在前屈、后伸和扭转中，增加横连较无横连，整体活动度分别减小了：3.07%、5.68%和4.68%，在T12-L2固定节段，活动度变化不明显。但是为置入横连而去除伤椎棘突后，其前屈和后伸活动度较未放置横连且棘突完整的模型整体活动度增大了6.94%和7.53%，在T12-L2节段分别增大了14.20%和16.98%，单其他活动状态活动度改变不大(图13、图14)。

图13. 经伤椎椎体置钉术后与去除内固定后整体活动度

图14. 经伤椎椎体置钉术后与去除内固定后T12-L2活动度

 4. 讨论

根据文献显示，经伤椎置钉会增大内固定系统的稳定性，经伤椎置钉已经成为脊柱骨折的常用术式，在脊柱压缩性骨折中应用广泛 [ 16 ]。在脊柱爆裂骨折中，对于有神经功能障碍患者常需要椎管减压，在进行后路椎管减压时先咬除伤椎棘突，后切除伤椎椎板，对突入椎管内椎体进行推顶复位，放置纵棒撑开固定，放置横连连接双侧纵棒 [ 17 ]。在经伤椎置钉且无需椎管减压的患者，内固定后其横连若要放置，则需要破坏椎体的棘突，既往课题很少有研究放置横连咬除棘突后对脊柱生物力学的研究，本文通过有限元的方式分析内固定的形式及在经伤椎置钉后放置横连对内固定系统的生物力学的影响。

本文通过医学有限元的方法模拟出T11-L3脊柱模型，并在此基础上通过“V”字型截骨建造L1椎体爆裂骨折后置入内固定后复位的状态。通过完全切除L1椎体的前中柱的部分骨质，模拟脊柱爆裂骨折前中柱不稳的状态 [ 18 ]。对三种伤椎椎弓根钉置钉的方式配合有无横连，分别评估了伤椎椎弓根螺钉置入长短和横连的有无对脊柱内固定系统的影响。其中在放置横连方面，对于跨伤椎置钉，我们选择伤椎棘突和下位棘突间隙，尽量减小对后部结构的破坏；对于经伤椎置钉，我们通过咬除伤椎棘突和上下棘间棘上韧带，来放置横连。由于放置横连后取出内固定后棘突的缺如，使伤椎后柱部分缺失。我们进一步分析了在拆除内固定后，是否放置横连对经伤椎椎体置钉的脊柱的影响。

在内固定形式的生物力学研究中，我们控制了置钉方式和横连2种变量，在置钉方式的变量中，我们可以看到，随着置钉深度的增大，总体活动度在前屈、侧屈、扭转和重力方向有一定的减少，但在后伸的运动状态中，活动度反而增大。在张伟 [ 19 ] 的研究中也发现了如此的现象，他比较了跨伤椎置钉和经伤椎置钉对整体活动度的影响，发现经伤椎置钉在前屈、侧屈和扭转时活动度均小于跨伤椎置钉，但在后伸时活动度增大。我们在此基础上比较内固定节段活动度，发现在T12-L2内固定中的活动度中，4种运动状态的活动度均有较大的下降，包括后伸的活动状态。这显示我们在伤椎置入椎弓根螺钉，能够限制伤椎在不同活动状态下的活动度，增大内固定系统的稳定性。针对随着伤椎置钉深度的增大，后伸时整体活动度增大，而伤椎固定活动度减小，我们结合模拟图像和数据，该模型胸腰段有小幅度后凸，在正常后伸时，L1椎体会有小幅度前移来完成后伸的动作，此时小范围前移会抵消部分后伸时整体后移的位移。但是在伤椎置入椎弓根螺钉后，在后伸状态下，对于L1椎体的小幅度前移进行制约，导致后伸时活动度增大；但是对于T12-L2固定椎体而言，其活动度是明显下降的，这也就解释了为什么在整体活动度减低但是固定活动度增大的疑惑。

在内固定系统的应力中，我们可见随着椎弓根螺钉的置入，在椎弓根螺钉和纵棒上的应力有所下降，且经伤椎椎体置钉较经后部结构置钉相比，下降更加明显，这侧面印证了置入伤椎椎体椎弓根螺钉在复位过程中起到推顶复位，且在术后日常活动中起到力传导的作用。这与王海峰等 [ 20 ] 和陈德纯等 [ 21 ] 的临床研究得出结论一致，即经伤椎置钉治疗脊柱爆裂骨折有良好的复位固定效果，且伤椎长螺钉更易复位和维持效果。随着置钉深度的增大，伤椎椎体活动度明显下降，伤椎椎体所受最大应力有所增加，上部分的重力通过伤椎置钉传递到伤椎椎弓根处，增大了椎体的应力，使内固定上应力减低，伤椎椎体分担部分应力，减少内固定因过大的应力造成的破损。在横连应力中可见，随着伤椎椎弓根螺钉置钉的深入，在前屈后伸侧屈重力的活动状态中，因活动度下降，应力有所下降，说明横连在这些活动状态下作用不大；在扭转状态下，横连的应力变化不大，但是模型在扭转时活动度变化明显，侧面说着横连在扭转时持续受力，不因螺钉置入方式而发生改变。这进一步验证了横连在跨伤椎4钉内固定中的抗扭转作用 [ 22 ]，放置横连比不放置横连在总活动度和伤椎固定活动度中减少6.65%和6.85%，其余的内固定形式和活动状态，是否增加横连使活动度变化均小于5%。

在横连在内固定活动度的作用中我们可见，仅在跨伤椎4钉内固定中的扭转活动中，放置横连会增大稳定性，在其他活动固定方式和其他活动状态中作用不大 [ 23 ]。我们考虑在经伤椎置钉后，整体和伤椎的活动度都有多下降，此时横连的作用被置入的椎弓根钉的作用所掩盖。在经伤椎置钉中，由于伤椎置钉减小了活动度，横连限制活动度的作用得不到发挥。在横连对内固定系统应力中可知，在3种置钉方式的内固定中，横连对内固定应力变化不大，尤其在经伤椎体6钉内固定中。

在针对经伤椎椎体6钉系统是否需要放置横连的研究中，数据表明，术后放置横连仅在前屈、后伸和扭转中，模型活动度分别减小了：3.07%、5.68%和4.68%，在仅重力作用下，是否放置横连其活动度几乎相等。在去除内固定装置后，破坏棘突较棘突完整的模型在前屈和后伸的整体活动度增大了6.94%和7.53%，在T12-L2节段分别增大了14.20%和16.98%，在其他活动状态改变不大。脊柱骨折术后常规给予腰围护板等外固定架来限制其前屈后伸扭转的活动，在外固定架保护下可以下床活动 [ 24 ]，此时仅受重力，与放置横连的活动度类似。但是术后因去除棘突造成的前屈后伸的活动度增大是无法挽回的。

综上所述，经伤椎椎体置钉时治疗脊柱爆裂骨折的好方法，既降低了内固定后椎体活动度，又使内固定的应力减低，伤椎活动度减小，伤椎置钉传递上方重力避免了应力集中。经伤椎置钉中伤椎钉打入椎体前1/3，比仅打入椎弓根内更能增加内固定系统稳定性。横连在跨伤椎四钉内固定中增大扭转时的稳定性。横连在经伤椎椎体置钉中收效甚微，为放置横连而破坏伤椎棘突，会造成永久的屈伸活动度增大，增大脊柱不稳定。

 5. 本文结论

经伤椎椎体置钉是治疗脊柱爆裂骨折内固定的良好办法，横连在脊柱扭转时起到一定作用，单纯经伤椎椎体6钉内固定可以起到良好的固定效果，不建议在此基础上再次放置横连。

 本文的亮点和不足

本文通过有限元的方法，模拟了脊柱6种不同内固定的形式，对其中置钉方式和横连的作用作出了评估，结合术后拆除内固定后对康复后椎体的综合影响，得出结论。本文仅参考一名志愿者的椎体模型，且骨折模型应用“V”型截骨，无法模拟全部爆裂骨折情况，模拟情况和实际有所偏差；且本实验为有限元计算机模拟实验，具体真实的结论仍需体外实验和临床数据的支撑；本文仅对影响做率的对比，未进行统计学的分析。

 文章引用

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