概述
近年来，随着微创手术（MIS）和医疗器械包括侵入性较小的螺钉与杆的发展，脊柱后路内固定手术治疗椎体骨折的效果有所改善。
本研究采用 Simpleware 软件基于医学图像和真实的螺钉数据中创建三维有限元脊柱模型。使用 4 种病理模型分析比较病理状态下脊柱屈伸对器械及固定长度的影响，通过比较脊柱后路融合术中的固定长度，辅助确定最佳固定长度。
亮点
- 利用 Simpleware 软件生成有限元模型测试不同的断裂模型
- 由医学图像和真实的螺钉数据生成 3D 模型
- 通过有限元分析模拟不同的模型组合
- 旨在帮助评估脊柱后路固定的方法
介绍
使用短节段固定治疗椎体骨折有多种潜在的益处和并发症。虽然较短节段固定创伤较小，可以获得更好的结果，但长节段固定可能更有利于矫正前凸和保留节段前凸，而固定长度可能会受到后路固定后邻近节段疾病（ASD）、内固定失效（松动）和手术侵入性考虑的影响。在这种情况下，与主要由骨质疏松和基础疾病引起的骨折患者相比，年轻患者术后并发症的风险较低。
外科医生通常选择不同的固定长度和开放手术或经皮手术，评估是否需要骨移植、前路融合或使用钩和胶布。虽然 MIS 是最合适的，但还是有必要准确地可视化骨质疏松和弥漫性特发性骨质增生（DISH）的固定长度，了解不同临床问题的影响。对病理模型进行有限元（FE）分析，比较后路脊柱融合术中的固定长度有助于确定可选的固定长度。
本研究利用医学图像和真实螺钉创建三维有限元模型，对骨折模型、骨质疏松骨折模型、DISH 骨折模型和DISH -骨质疏松骨折模型进行研究，比较病理状态下脊柱屈伸活动对内固定器械和固定长度的影响。此外，这是第一项使用真实螺钉数据和较长脊柱长度来考虑病理和不同固定长度对术前规划影响的研究。
模型构建
获取一名 50 岁成年女性从胸椎到骨盆的脊柱 CT 图像，将数据导入 Simpleware 软件进行脊柱的图像处理，椎体分为松质和皮质，同时分割出椎间隙。由于小面关节的尺寸较小，皮质骨和松质骨的分割变得更加困难，需要基于 CT 扫描进行手动操作。
由第 8 胸椎至第 5 腰椎区域的所有椎骨和椎间盘构建 3D 脊柱模型，并为每个椎骨创建各节间可独立移动的小面关节空间。在模型中加入前纵韧带（ALL）、后纵韧带（PLL）和黄韧带。在 Simpleware FE 中生成有限元网格，包含 1,049,711 个单元和 2019,357 个节点。设定所有单元为线弹性材料，为脊柱的每个组成部分添加适当的材料属性。
由于胸腰椎骨折是最常见的骨折类型，因此对 Simpleware FE 模型进行切割修改，假设模拟的剪切力施加在椎体的内壁上。对于骨质疏松性骨折模型，将皮质骨和松质骨的材料属性乘以 0.7，即用低于年轻成人平均骨密度的 70% 表示骨质疏松。在 DISH 骨折模型中，将 ALL 的杨氏模量改为皮质骨的杨氏模量，而 DISH -骨质疏松模型的材料属性设置为皮质骨数据乘以 0.7。
为在 Simpleware 软件中创建后路内固定模型，螺钉的 STL 文件（ARMADA）由 Nu Vasive 公司提供。通过测量受试者的椎体，将螺钉直径和长度安置在实际的插入方向。然后为每个骨折模型构建不同长度的后路固定模型，进行有限元分析。椎间盘/韧带、椎体/椎间盘、螺钉/杆、器械/椎体表面通过 Simpleware 软件中的“TIE”约束公式贴合。
有限元分析和结果
所有小面关节面都是独立创建的，接触的情况下考虑到关节液，将表面摩擦力设为 0。在 Patran 和 MARC 中设置施加的载荷并运行模拟。总计评估了 32 种不同的压缩组合，记录每种组合下椎体、椎间盘、螺钉和杆的最大 von Mises 应力值。
本研究的结果是对不同模型的椎间盘和螺钉在固定装置前屈/后伸时的应力值进行图形比较，从这些数据可以深入了解四个模型中的不同应力水平以及条件和螺钉固定长度的影响。对于所有的固定模型，随着螺钉固定长度的增加，骨折平面的应力降低，螺钉固定长度之间的椎体和椎间盘处应力也降低。然而，在所有模型中，螺钉的头部和尾部对椎体的应力都有所增加，尤其是尾部。骨折模型和骨质疏松骨折模型中固定长度螺钉尾部椎体应力高于 DISH 骨折模型和 DISH -骨质疏松骨折模型。
此外，在骨折模型和骨质疏松骨折模型中，螺钉上的应力高于 DISH 骨折模型和 DISH -骨质疏松骨折模型，某些情况下伴随着螺钉头部和尾部的应力增加。在 DISH 骨折模型和 DISH -骨质疏松骨折模型中，尾部持续呈现高应力值，但螺钉上的应力总体上随着固定长度的增加而降低。相比之下，尾侧和骨折部位的应力没有明显变化。对于骨折模型和骨质疏松骨折模型，螺钉应力在某些情况下降低，而在另一些情况下增加；杆上的应力在某些值上也低于其他的。
结论
胸腰椎爆裂性骨折的治疗因缺乏普遍接受的治疗方案而存在争议。理想的手术结果是促进早期活动，降低与不活动和卧床有关的并发症风险和减少卧床时间，早期手术通常能获得更好的结果。有关于使用椎弓根螺钉进行短节段融合的阳性结果报道，根据患者的情况，短节段或长节段固定的结果也各不相同。
采用基于 3D 图像和真实螺钉的模型，研究人员可以考虑病理和不同固定长度的影响，包括与骨折模型相比，骨质疏松和 DISH 模型的骨折平面应力并没有高多少。然而在临床环境中，骨质疏松会降低骨密度，因此可能更容易发生塌陷。还发现在所有模型中，骨折椎骨的应力在长节段固定后都降低了，解释了某些病理的特定益处。
研究获得了关于位置和应力影响的其他信息，公认的局限性包括只有一种骨折形态和一种固定与排列方式。然而，尽管当存在相同骨折形态时，探索椎体骨折、脊柱病理和固定长度如何改变椎骨和器械的应力都是非常有价值的。每个固定范围都降低了骨折椎体处的应力，但会影响内固定器械和插入螺钉的椎体；固定的效果取决于病理情况，即固定长度应基于患者的状况而定。
参考
- 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/spinal-fixation.html
- Nishida, N. et al., 2023. Finite element analysis of short and long posterior spinal instrumentation and fixation for different pathological thoracolumbar vertebral fractures. World Neurosurgery: X. 19, 10199.