骨质疏松患者骨水泥强化内固定系统的生物力学特征

聂文忠; 蒋光普; 韩笑; 徐威

摘要：背景:进行椎间融合手术患者伴有骨质疏松症的比例较高,骨质疏松症会对钉棒系统固定效果造成不良影响,如螺钉松动率上升、椎间融合手术失败等,骨水泥钉道强化手术有力改善了这一问题.目的:通过有限元方法比较低骨密度情况下不同骨水泥钉道强化固定后腰椎的生物力学变化.方法:依据提取CT图像建立L4-5椎体功能单元人体有限元模型,设置所有椎体骨材料为骨质疏松状态,分别建立无骨水泥钉道强化、全部骨水泥钉道强化、L4椎体骨水泥钉道强化、单侧骨水泥钉道强化、交叉骨水泥钉道强化模型,L5节段下表面固定,L4节段上表面施加500 N的垂直向下的载荷及7.5 N·m的力矩,检测钉棒系统、椎体钉道及骨水泥团的von-Mises应力.结果与结论:①相较于无骨水泥钉道固定组,骨水泥强化各组对于钉棒系统的von-Mises应力影响十分微小;②骨水泥强化各组钉道von-Mises应力在整体上小于无骨水泥钉道固定组,其中较为显著的为全部骨水泥钉道强化组;与全部骨水泥强化组效果相近的是交叉骨水泥强化组,单侧骨水泥固定组钉道von-Mises应力下降幅度次于交叉骨水泥固定组,L4椎体骨水泥钉道强化组对于钉道von-Mises应力的下降效果不明显,且在侧弯与旋转时钉道von-Mises应力超过无骨水泥钉道固定组;③各种运动状态下,全部骨水泥钉道强化组骨水泥von-Mises应力为最小值,单侧骨水泥钉道强化组与交叉骨水泥钉道强化组骨水泥von-Mises应力略微大于全部骨水泥强化组;④结果显示,骨水泥钉道强化技术有效降低了钉棒固定系统对椎体钉道产生的应力集中效应,优化了内固定系统的应力分布,降低了螺钉相对于椎体松动的风险;不同的骨水泥钉道强化方式效果不同,但整体趋势为钉道应力的降低,其中最为有效的固定方式为全部骨水泥钉道强化与交叉骨水泥钉道强化.