1、www.CRTER.org馬亮，等. 髂骨單釘與雙釘鈦籠固定修復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重建腰骶部缺損的有限元分析馬 亮1， 郭衛春1，許永濤2(1武漢大學人民醫院骨外科，湖北省武漢市 430060；2荊州市中心醫院骨科，湖北省荊州市 434020)引用本文：馬亮，郭衛春，許永濤. 髂骨單釘與雙釘鈦籠固定修復重建腰骶部缺損的有限元分析J.中國組織工程研究，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、重建的生物力學分析馬亮，1981年生，湖北省赤壁市人，漢族，武漢大學人民醫院骨外科在職博士，主治醫師，主要從事脊柱外科臨床工作。通訊作者：郭衛春，博士，主任醫師，武漢大學人民醫院骨外科，湖北省武漢市 430060中圖分類號:R318文獻標識碼:B文章編號:2095-4344(2016)39-05859-08稿件接受：2016-07-10Solidworks系統 構建腰骶部缺損的三維有限元模型，分析2種方法重建后的穩定性及應力分布情況A組：髂骨單釘重建；B組：髂骨雙釘+鈦籠重建在HyperMesh軟件中模擬手術操作并劃分四面體網格，利用Abaqus有限元分析軟件進行賦值并分析2種重建方法在加載軸

3、向壓縮載荷以及前屈、后伸、左右側屈、左右旋轉6個方向的彎曲載荷后的位移情況并與完整模型相比較。通過應力、應變云圖等觀察模型中的應力分布特點及內固定系統的應力應變情況。試驗結果：髂骨雙釘+鈦籠支撐重建可有效的恢復腰骶部的穩定性，內固定系統承受的應力較小也較分散。髂骨單釘重建連接棒處及螺釘尾部有明顯的應力集中，內固定容易疲勞斷裂及松動。 文題釋義：髂骨釘技術：作為改良Galveston技術，置釘區域是從髂骨的髂后上棘到髂前上棘之間寬闊區域，置釘容易，操作簡便，省去了復雜的彎棒操作。髂骨單釘技術用于骶骨腫瘤切除、腰骶部結核、嚴重腰骶部外傷不穩時重建腰骶部的穩定性，取得了良好的效果，但在病變范圍較大時

4、，髂骨釘斷裂的報道也不少見。于是對髂骨單釘的改進包括采用髂骨雙釘，添加前路以及橫向的支撐物等。這些改進措施可有效降低髂骨釘固定時的應力，提高手術成功率。腰骶部內固定技術：主要包括前路的支撐和后路的固定技術。腰骶部前柱支撐物可以有效提高腰骶部的穩定性，降低屈伸活動中S1椎弓根螺釘及髂骨螺釘的應力。采用軸向的前柱支撐物可以提供與髂骨釘相當的腰骶關節的穩定性，腰骶前路鋼板可以顯著的增加腰骶部的穩定性，但是腰骶部前路手術周圍血管神經多，操作空間有限，術后并發癥多，所以目前多采用經后路放置前路支撐物的方法。摘要背景：嚴重腰骶部缺損及不穩如何進行穩定性重建是很有挑戰性的問題。目前有多種技術來重建腰骶部穩定

5、性，但內固定松動、斷裂、假關節形成等不少見。目的：有限元法分析2種腰骶部重建方式的穩定性以及內固定系統的應力分布。方法：采用64排螺旋CT自L1-骨盆水平薄層掃描的數據導入到Mimics 15.0醫學圖像處理軟件中，構建三維表面模型，再導入SolidWorks 逆向工程軟件建立實體模型。用Solidworks軟件構建L3，4椎弓根螺釘聯合髂骨單釘固定(單釘)和L3，4椎弓根螺釘聯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種手術方式進行腰骶部穩定性重建。對模型進行賦值，用ABAQUS軟件分析。結果與結論：在約束臼頂，在L2上緣施加1 000 N的軸向載荷模擬站立負重

6、情況下，完整模型最大應力值為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個方向的7 Nm彎曲載荷下，在6個方向的彎曲剛度上，雙釘+鈦籠支撐模型最大。模型在6個方向的最大應力值比較，單釘模型最大；結果提示，髂骨雙釘+鈦籠支撐重建可有效恢復腰骶部的穩定性，內固定系統承受的應力較小也較分散。髂骨單釘重建連接棒處及螺釘尾部有明顯的應力集中，內固定容易疲勞斷裂及松動。關鍵詞：骨科植入物；數字化骨科；腰骶部；生物力學；有限元分析

7、；脊柱骨盆重建；融合術；髂骨螺釘；前柱3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 kf23385083支撐物；內固定主題詞：腰骶部；內固定器；應力；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、結核、腫瘤等病變會造成嚴重的腰骶部不穩，需要行穩定性重建1。在L5和S1椎體破壞較嚴重時，L5椎弓根及S1椎弓根常無法置釘，此時必須采用其他的長節段固定技術2-3。髂骨釘技術作為改良Galveston技術，操作比Galveston技術簡便，在臨床上應用較多，但在腰骶部缺損范圍較大時髂骨釘斷裂，融合失敗等也常有發生4-5。因此作者構建腰骶部缺損的三維有限元模型，并在模型上采用2種方法來進行腰骶部的穩定性重建，即

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

20、emes S.A)、HyperMesh 12.0軟件(Altair公司，美國)、Abaqus 7.0軟件(ABAQUS公司，美國)。1.4 對象 24歲男性志愿者1名，身高173 cm，體質量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。將掃描的數據資料以DICOM 格式導入到Mimics 15.0 醫學圖像處理軟件中，將圖像閾值調節為462-2 676 Hu，利用區域增長粗略提取所需要的腰椎-骨盆各個骨結構的節段。進行閾值分割以及區域增長，蒙版編輯等，生成三維表面模型。將

21、數據導入SolidWorks 逆向工程軟件中，按照原有的幾何結構及空間關系組建出裝配體，生成L2-骨盆的實體模型。1.5.2 構建釘棒系統及鈦籠的實體模型 用Solidworks 2012軟件構建兩種固定釘棒系統及鈦籠的實體幾何模型并裝配，釘棒系統規格為L3，L4的椎弓根螺釘直徑為6.5 mm長度45 mm，連接棒直徑6 mm，髂骨釘直徑為7 mm。單釘長度為90 mm，雙釘長度為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的輪廓，然后使用拉伸旋轉等功能獲得實體模型，與L2-骨盆實體模型精確裝配，為了更好的

22、顯示模型，在圖中暫時沒有裝配骶骨(圖1)。BA圖1 Solidworks軟件中構建的髂骨單釘及髂骨雙釘+鈦籠實體模型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 劃分網格并補充建立椎間盤、韌帶，模擬手術操作建立2種不同修復方式重建腰骶部穩定性模型 將SolidWorks 軟件中

23、建立的L2-骨盆以及2種內固定系統的實體模型導入到HyperMesh軟件中組成裝配體然后劃分四面體網格，同時構建1 mm厚的皮質骨。然后模擬出腰骶部缺損的情況，缺損范圍為L5椎弓根以下及S1椎弓根以上。得到2種不同修復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個單元和100 386個節點，雙釘聯合鈦籠組有480 828個單元和105 768個節點(圖2)。BA圖2 HyperMesh軟件中構建的髂骨單釘及髂骨雙釘+鈦籠三維網格模型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 模型的賦值及驗證 利用Abaqus有限元分析軟件進行處理分析，參照既往的有限元分析研究中公認的腰椎和骨盆的皮質骨、松質骨、椎間盤、纖維環、髓核、韌帶、關節面軟骨等結構數據對模型進行賦值6-7。內固定材料為鈦合金，其彈性模量為105 000 MPa，泊松比=0.3。以L5椎體上緣的參考點為標準來記錄模型的壓縮位移及角位移的。計算完整模型的軸

25、向壓縮剛度為551.572 N/mm，軸向扭轉剛度為4.05 Nm/(°)，與既往尸體標本測試結果相當，說明模型是有效的，可供下一步分析8。1.5.5 加載載荷及分析邊界條件及評價指標：約束雙側臼頂，模擬站立時的姿勢將其固定。以L5椎體上緣的軸向位移及角位移作為評價指標。載荷：模擬站立位情況下的受力分析。參考既往多個學者對腰骶骨盆進行生物力學測試時的數據9。對模型施加施加1 000 N的垂直載荷，記錄L5上緣位移并計算軸向壓縮剛度；對模型施加7 Nm的扭矩，計錄L5椎體上緣的角位移，并計算模型的在前屈、后伸、左右側屈、左右旋轉6個方向的剛度。處理分析：進入求解器，計算求解得出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。通過應力、應變云圖等觀察模型中的應力分布特點及內固定系統的應力應變情況。1.6 主要觀察指標 在加載垂直載荷時的軸向壓縮剛度和彎曲載荷時的軸向扭轉剛度，模型中的應力分布特點及內固定系統的應力應變情況。2 結果 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上緣參考點的位移，模型最大應力值，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上緣最大應力：完整模型>雙釘+鈦籠

27、支撐組模型>單釘模型，見表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 通過輸出位移云圖及應力云圖分析2種手術方式模型的整體位移趨勢及應力分布特點 從單釘模型應力圖上來看應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。整體來看，應力主要集中在整個釘棒系統上，椎體前柱應力很小，也說明了釘棒系統起到了很好的支撐作用。釘棒系統的應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 髂骨單釘術式模型的應力及位移分布云圖Figure 3 Stress and displacement distribution of the single iliac screw model圖注：圖A為單釘術式模型內固定應力分布云圖，B為單釘術式模型位移云圖。從雙釘+鈦籠支撐模型應力圖上可以看到應力同樣集中在釘棒連接處，應力最大值出現在右側髂骨釘棒連接處，最大值為149.2

29、 MPa，較單釘系統189.5 MPa明顯減小。說明此種手術方式可以很有效的降低釘棒系統的應力。從模型位移云圖，可以看出位移最大值出現在剩余的L5椎體上，最大位移值為0.594 mm，較單釘系統1.629 mm明顯減小，說明雙釘+鈦籠系統固定較單釘系統的壓縮剛度為大，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 對兩種模型在前屈，后伸，左側屈，右側屈，左旋轉，右旋轉情況施加7 Nm的彎曲載荷，記錄各彎曲載荷下的角位移，計算彎曲剛度，記錄模型的最大應力值及L5上緣最大應力值見表2-4。雙釘+鈦籠重建模型在前屈，后伸，左側屈，右側屈，左旋轉，右旋轉情況下的角位移和彎

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

31、較，單釘模型>雙釘+鈦籠支撐模型>完整模型，說明單釘固定時，內固定釘棒系統承受的應力最大，在前屈時最大應力為113.013 MPa，后伸時最大應力值為113.677 MPa。說明單釘模型由于沒有椎體前方的支撐，所以在前屈及后伸時不是很穩定，釘棒承受了很大的應力(圖5)。BA圖5 單釘模型屈伸載荷下的應力分布圖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屈情況下，說明

32、雙釘+鈦籠支撐有很好的側方穩定性，模型最大應力是在旋轉工況下，應力點也是在連接棒上，說明旋轉載荷時，雙釘+鈦籠系統承受應力較大(圖6)。BA圖6 雙釘+鈦籠重建模型的左右旋轉應力分布云圖Figure 6 Stress distribution of the dual iliac screw + titanium mesh cage model at left rotation and right rotation圖注：圖A為左旋轉載荷下，B為右旋轉載荷下。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、模型最大應力及L5上緣最大應力值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項目前屈后伸左側屈右側屈左旋轉右旋轉角位移(°)3.334 783.349 200.524 130.525 270.762 000.719 52剛度N·m/(°)2.0992.09013.35513.3279.1869.729最大應力(MPa)113.013 011

34、3.677 058.274 058.437 967.838 563.962 9L5上緣最大應力(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、模型最大應力及L5上緣最大應力值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項目前屈后伸左側屈右側屈左旋轉右旋轉角位移(°)0.806 780.806 310.459 590.460 740.644 940.604 74剛度N·m/(°)8.6768.68115.23115.19310.85411.575最大應力(MPa)26.882 026.961 934.412 734.459 643.699 642.052 0L5上緣最大應力(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、模型最大應力及L5上緣最

36、大應力值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項目前屈后伸右側屈左側屈右旋轉左旋轉角位移(°)5.641 155.568 842.101 902.103 572.186 611.426 59剛度N·m/(°)1.2411.2573.3302.3283.2014.907最大應力

37、(MPa)14.438 614.292 213.245 613.363 58.601 75.885 9L5上緣最大應力(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 腰骶部的病變主要有結核、腫瘤、外傷等病變破壞椎體、椎間盤、椎體后方結構，使腰骶部的穩定性會受到嚴重破壞。結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10。在L5-S1椎體骨質破壞較多時，前路鋼板放置困難，這時可采用后路固定的方法。對于腰骶椎結核，在徹底病灶清除后，如何恢復腰骶部的正常

38、解剖結構，如何選擇固定方式是需要考慮的問題。對于S1椎體破壞的患者，有學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的發病部位。原發性骶骨腫瘤最常見的是脊索瘤，其次為骨巨細胞瘤、神經源性腫瘤、軟骨肉瘤等，轉移性腫瘤有肺癌骨轉移，前列腺癌骨轉移等12-13。脊索瘤一般生長緩慢，多先累及下位骶骨。骨巨細胞瘤一般累積上位骶骨或全骶骨。神經源性腫瘤多沿神經根走行生長，部分生長較大時可侵犯骶孔處骨質，對穩定性影響不大。軟骨肉瘤侵犯上位骶骨及骶髂關節，對腰骶部穩定性破壞嚴重。腰骶部的腫瘤病變切除后遺留巨大的腰骶部骨質缺損，如何行穩定性重建很有挑戰性。術后創面不愈合，內固定斷裂等并發癥不少見14

39、-16。 腰骶部的骨折脫位相對于胸腰段來說較少。嚴重的高能量損傷會造成L5的壓縮性骨折及脫位、骶骨骨折、骶髂關節脫位等。嚴重的骶骨骨折，骶髂關節損傷累及骨盆后環，此時常合并一側或雙側恥骨上下肢骨折和髖臼骨折等，不僅影響腰骶部穩定性還會影響骨盆環及髖臼的穩 定17-18。目前多數學者推崇對于嚴重的外傷性脊柱骨盆不穩定時采用腰髂固定來重建脊柱骨盆的穩定性19-20。3.2 腰骶部的內固定進展 腰骶部內固定的技術主要包括前路的支撐和后路的固定技術。腰骶部前柱支撐物可以有效提高腰骶部的穩定性，降低屈伸活動中S1椎弓根螺釘及髂骨螺釘的應力21。采用軸向的前柱支撐物可以提供與髂骨釘相當的腰骶關節的穩定性，

40、腰骶前路鋼板可以顯著的增加腰骶部的穩定性22。但是腰骶部前路手術周圍血管神經多，操作空間有限，術后并發癥多23。所以目前多采用經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，主要是對后路固定物遠端錨定點的變化，來重建腰骶部的穩定性25。遠端的固定方式有S1雙皮質、三皮質螺釘及跨椎間盤S1椎弓根釘、S2椎弓根釘、S2骶骨翼螺釘、Jackson氏骶骨棒、骶髂關節螺釘、Galveston技術、髂骨螺釘、經S2側塊髂骨螺釘等26-28。Kato等29最近的回顧性分析了S1三皮質螺釘及非S1三皮質螺釘固定的臨床效果。平均融合節段為1.7個節段，采用S1三皮質螺釘，可有效的獲得腰骶部后方的

41、穩定性。所有采用S1三皮質螺釘固定的患者沒有假關節形成，血管損傷率低。S2椎弓根螺釘由于在樁錨定點背側，所以S2椎弓根螺釘提供的抗拔出力及抗屈曲應力都較小。由于S2的椎弓根較小，S2椎弓根螺釘的拔出力較小。但是S2骶骨翼螺釘不同，它是位于樁錨定點前方，雙皮質S1椎弓根釘聯合雙皮質S2骶骨翼螺釘比單純雙皮質S1椎弓根釘固定要牢靠。Kim等30的研究顯示雙皮質S2骶骨翼螺釘與髂骨螺釘的生物力學強度相當。骶骨棒技術是通過2根骶骨棒插入骶骨的松質骨中，深達S2水平，不穿過骶髂關節。通過軟骨下骨及骶髂關節處的骨質來穩定骶骨棒，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雜

42、，如何按照患者的解剖特點完成合適的骶骨棒并有效的置入骶骨中有一定的難度31。骶髂螺釘力學強度要大于S1椎弓根置釘和骶骨翼螺釘，但要小于Galveston技術。但是骶髂螺釘置入時需要延長手術切口，且常對骶髂關節背側骶髂韌帶等有破壞，操作較為復雜，會降低腰骶部的穩定性32。S2側塊髂骨螺釘的釘道穿過幾層皮質骨，通過S2側塊和髂骨進行固定，可以提供更強的生物力學強度。生物力學研究顯示，在各種工況下S2側塊髂骨螺釘與髂骨螺釘的穩定性相當。Ilyas等33最近的系統回顧性分析指出在成人及兒童中，S2側塊髂骨螺釘的臨床并發癥及影像學表現均優于髂骨釘固定。但S2側塊髂骨螺釘需要較高的置釘技術，對骶髂關節有一

43、定的損傷。有時還可以聯用幾種方式來加強后方穩定性34。在采用前柱支撐物后可以有效提高內固定系統的穩定性，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方向上的扭轉剛度都要大于單釘組及完整組。所以對于腰骶部較大范圍的病損情況下需要行前路支撐，后路釘棒系統固定的手術方式。3.3 髂骨釘的應用及相關進展 髂骨釘技術作為改良Galveston技術，置釘容易，操作簡便。采用髂骨釘后可以有效的降低S1椎弓根螺釘的應力。許多學者對髂骨釘的最佳直徑、長度，置釘通道以及徒手置髂骨螺釘的方法作了系統研究。從髂后上棘到髂前上棘之間的髂骨之間寬闊區域，通常的髂骨螺釘置釘都是在此區域。可上下置入2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，軟組織激惹風險。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。髂骨螺釘的置釘位置對螺釘的擰入力矩沒有影響，但在采用更粗、更長的螺釘接近骨皮質固定時，螺釘的擰入力矩顯著增大36。髂骨螺釘技術用于在骶骨腫瘤切除，腰骶部的結核，嚴重的腰骶部外傷不穩時重建腰骶部的穩定性，取得了良好的臨床效果，但在病變范圍較大時，髂骨釘斷裂的報道也不少見。目前對于髂骨釘的改進有采用髂骨雙釘，采用四棒連接技術，添加前路以及橫向的支撐物等。這些改進措施可以有效的降低髂骨單釘固定時釘尾部的應力，提高手術成功率

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可有效的減小內固定系統的應力。3.4 有限元分析法分析內固定生物力學的特點 內固定系統失敗的原因也是多種因素綜合在一起的。患者的骨量情況，手術方法，有無植骨，內固定系統本身特點等。內固定的斷裂與局部應力集中及長期的應力疲勞有關39。有限元分析方法簡便、直觀、準確。對模型在不同的條件下加載多種載荷，包括極限載荷，可以修改多種測試參數，可以反復加載，測試時間短。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部的受力情況，通過輸出應力分布云圖，位移分布云圖，可以非常直觀的觀察模型內各結構的應力應變分布，以及模

46、型的應變情況。這是一般的體外研究所達不到的，所以有限元分析是體外標本實驗研究的有力補充。通過對內固定系統的應力分布，了解應力集中點，再對內固定系統予以改進，提高固定穩定性，降低內固定失敗風險，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。在實際情況下，腰骶部的病變是多種多樣的，結核性病變多侵犯椎間隙，在嚴重的L5-S1結核病變行病灶清除術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，可累及多個腰椎或骶椎及骶髂關節等。腫瘤性病變可以累及L5整個椎體或多個骶椎，在病變切除后缺損范圍較大，尤其是骶骨腫瘤，對于上位的骶骨腫瘤，切除病變后缺損范圍比作者

47、模擬的更大，骶髂關節也不穩定。在有些情況下，病變在一側，可能只需要對一側進行病灶清除，這種情況下如何選擇內固定方式也沒能模擬。如果有更多的模型，則可以提供更多的參考價值。肌肉系統對脊柱-骨盆的力學穩定起著重要的作用，腰背肌對模型的屈伸及旋轉穩定性是有影響的。但是由于肌肉個體差異非常大，肌肉的生物力學特性非常特殊，即使同一個體不同狀態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特性。所以有限元分析不能完全反應生理狀態。骶髂關節是屬于微動關節，起初有學者在建模過程為了簡化，將其忽略并設定為骨性連接，這與實際情況是不符的。文章是對骶髂關節及恥骨聯合關節采用軟骨實性單元進行了模擬，這樣對模型

48、測試結果與既往的尸體標本測試結果具有可比性，更有參考意義。 限于有限元分析只是體外的模擬，主要模擬的是術后即刻的生物力學情況。但內固定系統在體內的過程是長期的，影響因素也是多樣的，而且局部術后有一個再修復的過程，有限元分析還不能完全替代體內研究，需要兩者相結合。致謝：感謝武漢大學人民醫院骨科、放射科對實驗給予的幫助。作者貢獻：馬亮全面負責試驗全過程、資料整理及論文書寫；許永濤負責部分資料整理；郭衛春教授負責實驗全過程的指導及數據的分析。利益沖突：所有作者共同認可文章內容不涉及相關利益沖突。倫理問題：試驗獲得武漢大學人民醫院倫理委員會批準。CT數據采集獲得志愿者知情同意。試驗參研人員具有相關專業

49、技術職稱，長期從事脊柱外科臨床工作及研究。文章查重：文章出版前已經過CNKI反剽竊文獻檢測系統進行3次查重。文章外審：文章經國內小同行外審專家雙盲外審，符合本刊發稿宗旨。作者聲明：第一作者對研究和撰寫的論文中出現的不端行為承擔責任。論文中涉及的原始圖片、數據(包括計算機數據庫)記錄及樣本已按照有關規定保存、分享和銷毀，可接受核查。文章版權：文章出版前雜志已與全體作者授權人簽署了版權相關協議。4 參考文獻 References1 Uvaraj NR, Bosco A, Gopinath NR. Global Reconstruction for Extensive Destruction in

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