Front Bioeng Biotechnol | 衡阳医学院第一附属医院：串联脊柱外固定在多节段非连续腰椎骨折模型中的生物力学分析研究

多节段不连续脊柱骨折(MNSF)是一种独特的脊柱骨折类型，其特征是两个或多个骨折的椎体被至少一个正常椎体隔开。MNSF主要由高能量伤害引起，如交通事故和高空坠落。极度疼痛、脊柱不稳定、畸形和神经功能障碍是MNSF常见的临床特征。MNSF最常见的治疗方法是采用开放式后路手术的LSIF系统。然而，有报道称，长节段螺钉-棒固定(通常为5节段或更多节段)存在许多固有缺陷，包括活动范围(ROM)的丧失、螺钉或棒上的应力集中以及骨折椎体的应力屏蔽。我们在之前的研究中使用的脊柱外固定系统在治疗单节段胸腰椎骨折方面取得了令人满意的临床效果。脊柱外固定是一种经皮复位骨折椎体的微创手术技术。一般在术后3个月取出外固定物，从而降低了因长时间刚性固定引起的并发症的风险。受单节段外固定的启发，我们开发了用于MNSF的串联脊柱外固定(TSEF)，该患者无神经系统症状(图1A-D)。与传统的长节段脊柱内固定(LSIF)相比，TSEF具有许多临床优势，但其潜在的力学特性尚待探索。

有限元分析(FEA)是一种分析复杂实体和结构力学系统的方法，在骨科生物力学研究中得到了广泛的应用。基于计算机断层扫描(CT)技术的有限元分析可以重建复杂的脊柱骨折。此外，利用有限元分析可以很好地揭示脊柱植入物的生物力学特性。本研究利用有限元分析方法评价了TSEF治疗MNSF的生物力学特性，为其在MNSF中的临床应用提供了相应的理论依据。

方法:建立2个L2和L4椎体骨折模型，分别用TSEF和长节段脊柱内固定(LSIF)固定。记录两种模型在载荷控制下的活动范围(ROM)、L2和L4椎体、螺钉和棒以及椎间盘的最大应力。随后，分析了位移控制下所需的扭矩、L2和L4椎体的最大应力、螺钉和棒以及椎间盘。

TSEF的临床应用(A) TSEF的组成。(B) TSEF总体示意图。(C,D) TSEF临床应用的x线图像。图中所示骨替代物为Bicera™(Wiltrom Ltd .， Taiwan)。

有限元模型的材料特性

网格收敛参数

模型建立和验证。(A)正常腰椎模型。(B-D)正常腰椎验证。(E-G) LISF固定的MNSF模型。(H-J)由TSEF固定的MNSF模型。

六种情况下两种固定对腰椎活动能力的限制。(A)正常、TSEF和LSIF模型在屈伸条件下的ROM。(B)左右弯曲条件下正常、TSEF和LSIF模型的ROM。(C)左右旋转条件下normal、TSEF和LSIF模型的ROM。

6种工况下LSIF和TSEF的最大von mises应力分析。(A) 6种工况下LSIF和TSEF的最大von mises应力热图。(B) 6种条件下LSIF和TSEF的最大von mises应力云图。

六种情况下椎间盘的最大von mises应力分析。(A)六种情况下椎间盘最大von mises应力热图。(B)六种情况下椎间盘最大von mises应力云图。

位移控制下LSIF与TSEF的比较。(A)两个固定装置达到屈曲7.02°和伸曲5.29°的ROM所需扭矩。(B)位移控制下LSIF和TSEF模型的螺杆最大von mises应力。(C)位移控制下LSIF和TSEF中骨折椎体(L2和L4)的最大应力。(D)位移控制下LSIF和TSEF盘的最大von mises应力。σ2:方差。

结果:在负载控制下，TSEF模型比LSIF模型保留更多的ROM。与LSIF模型相比，TSEF模型中螺钉的最大应力增大，杆的最大应力减小。此外，与LSIF模型相比，TSEF模型中L2和L4椎体和椎间盘的最大应力增加。在位移控制下，TSEF模型所需的力矩(N·mm)比LSIF模型少。与LSIF模型相比，TSEF模型中螺杆的最大应力减小;在TSEF模型中，L2和L4处的最大应力增大。在屈曲条件下，TSEF模型中椎间盘的最大应力小于LSIF模型，而在伸展条件下，TSEF模型中椎间盘的最大应力更高。

结论:与LSIF相比，TSEF具有更好的应力分布和更高的整体迁移率。理论上，它降低了连杆的应力集中和骨折椎体的应力屏蔽。

原始出处：

Huarong, Chen;  Yu, Kang;  Yiguo, Yan;Biomechanical analysis of the tandem spinal external fixation in a multiple-level noncontiguous lumbar fractures model: a finite element analysis.Front Bioeng Biotechnol 2024;12(0):1395197