基於 CT 影像進行短和長後路脊椎器械和固定的有限元素分析

概述

最近，微創手術 (MIS) 和器械開發（包括侵入性較小的螺釘和桿）改善了椎體骨折後路脊椎固定手術的效果。

在本研究中，Simpleware 軟體用於根據醫學影像和實際螺絲數據創建 3D 有限元脊椎模型。以四種病理模型分析比較病理狀況下脊椎屈伸對器械和固定長度的影響。透過比較後路脊椎融合的固定長度，該計畫旨在幫助確定最佳固定長度。

亮點

Synopsys Simpleware 軟體中的 FE 模型用於測試不同的斷裂模型
根據醫學影像和實際螺絲數據產生的 3D 模型
FEA 用於模擬不同模型組合
見解有助於評估後路脊椎固定方法

案例介紹

使用短節段固定治療椎體骨折有各種潛在的好處和併發症。雖然較短的固定侵入性較小，並且可以獲得更好的結果，但較長的固定可能更有利於脊柱前凸矯正和保留節段前凸，而固定長度可能會受到後路固定後鄰近節段疾病（ASD）、器械故障的影響（鬆動）和手術侵入性考量。在這種情況下，具有堅固椎骨的年輕患者術後併發症的風險低於主要由骨質疏鬆症和潛在疾病引起的骨折患者。

外科醫生通常會選擇不同的固定長度以及開放式或經皮手術，評估是否需要骨移植、額外的前路融合或使用鉤子和膠帶，雖然 MIS 是理想的選擇，但有必要準確地可視化骨質疏鬆症和瀰漫性特發性骨骼肥厚 (DISH) 的固定長度，以了解不同臨床問題的影響，有限元 (FE) 分析比較病理模型中後路脊椎融合的固定長度，有助於確定選的固定長度。

在這項研究中，根據醫學影像和實際螺絲數據創建了 3D 有限元模型，以檢查骨折模型、骨質疏鬆骨折模型、DISH 骨折模型和 DISH 骨質疏鬆骨折模型，比較病理條件下脊椎屈伸對患者的影響儀器和固定長度。此外，這是第一個使用實際螺絲數據和長脊柱長度來考慮病理和不同固定長度對術前計劃的影響的研究。

(A) 對每個椎間盤進行繪圖，(B) 創建脊椎模型 (C) 從 T8 到骶骨，區分每個椎體、前縱韌帶、椎間盤、後縱韌帶和黃韌帶（圖片來源：西田等人/ CC BY 4.0）。

從脊椎 CT 影像進行 3D 模型構建

從一名 50 歲的成年女性身上獲得了從胸椎到骨盆的脊椎 CT 影像，然後將影像資料匯入 Simpleware 軟體進行脊椎分割，將椎體映射為鬆質體和皮質體，同時也繪製椎間盤，由於小關節尺寸較小，分割皮質骨和鬆質骨變得更加困難，需要在 CT 掃描上進行手動操作。

3D 脊椎模型是透過繪製從第 8 胸椎到第 5 腰椎區域的所有椎骨和椎間盤來建構的，並在各個層級創建小關節空間，以便每個椎骨獨立運動，模型中加入了 ALL、後縱韌帶 (PLL) 和黃韌帶，有限元網格是使用 Simpleware 軟體產生的，包含 1,049,711 個單元和 2019,357 個節點，所有元素都被認為是線彈性材料，並為脊椎的每個組件添加了適當的材料屬性。

(A)骨折模型假設在 T12中心，用楔形模型在 T12 和 ALL 處進行切割。(B)在螺絲模型中，螺絲頭的桿連接為移除並將直徑為 5.5 mm 的桿連接到頭部。(C)以將螺絲固定在每個椎骨中（圖片由 Nishida 等人/CC BY 4.0 提供）。

由於胸腰椎骨折是最常見的骨折類型，因此對 Simpleware 有限元模型進行修改以進行切割，假設模擬的剪切力施加於椎體的內壁，對於骨質疏鬆骨折模型，將皮質骨和鬆質骨的材料特性乘以0.7，以青壯年平均骨礦物質密度低於 70% 來指示骨質疏鬆。相較之下，在 DISH 骨折模型中，ALL 的楊氏模量改為皮質骨的楊氏模量，而 DISH-骨質疏鬆模型的材料特性是透過設定皮質骨的數據乘以 0.7 來創建的。

為了在 Simpleware 軟體中建立後路器械模型，螺絲的 STL 檔案 (ARMADA) 由 NuVasive, Inc.（美國聖地牙哥）捐贈，透過測量受試者的椎體，將螺絲直徑和長度設定為實際插入方向，然後為每個不同長度的骨折模型建立後固定模型進行模擬，椎間盤/韌帶、椎體/椎間盤、螺釘/桿和器械/椎體的表面透過 Simpleware 軟體中的「TIE」約束公式連接。

為每個骨折模型建構後固定模型：(A)上方 1塊椎骨至下方 1塊(A1B1)，(B)上方 2 塊椎骨至下方 2 塊 (A2B2)，(C)上方 3 塊椎骨至下方 3 塊 (A3B3)（圖片由 Nishida 等人/CC BY 4.0 提供）。

脊椎的有限元分析結果

所有小關節都是獨立構造的，並且表面摩擦力設定為 0，以考慮接觸情況下的關節液，在 Patran 和 MARC（MSC Software，Newport Beach，CA，USA）中設定負載應用程式並執行模擬，總共評估了 32 種不同的壓縮組合，並記錄了每種組合的椎體、椎間盤、螺釘和桿的最大 von Mises 應力值。

研究結果涉及不同模型中椎間盤和螺釘在屈曲/伸展固定時的應力值的圖形比較，從這些數據中，可以深入了解四種模型的不同應力水平，以及條件和螺絲固定長度的影響，對於所有固定模型，隨著螺釘固定長度的增加，骨折平面的應力下降，螺釘固定長度之間的椎體和椎間盤上的應力也下降，然而，在所有模型中，螺釘頭端和尾端椎體上的應力均增加，特別是尾端，在骨折模型和骨質疏鬆性骨折模型中，對於固定長度，螺釘尾端椎骨上的應力高於 DISH 骨折模型和 DISH 骨質疏鬆性骨折模型。

此外，骨折模型和骨質疏鬆骨折模型中螺釘所受的應力高於 DISH 骨折模型和 DISH-骨質疏鬆性骨折模型，且螺釘頭端和尾端的應力在某些情況下有所增加，在 DISH 骨折模型和 DISH 骨質疏鬆骨折模型中，尾端繼續表現出高應力值，但螺釘上的應力通常隨著固定長度的增加而減少，相較之下，尾側和骨折部位的應力並沒有明顯變化，對於骨折模型和骨質疏鬆骨折模型，螺釘應力有的減小，有的增大；在某些值下，桿中的應力也低於其他

L5 的尾側表面在 x、y 和 z 方向上受到約束，並且在 T8 的顱面上的兩個前點以及兩個上關節突的前點上製作了梁元件。 (A) 屈曲/中立/伸展。 (B) 螺絲/桿的應力圖，(C) 作為範例，骨折脊椎和 3A3B 的應力圖（圖片由 Nishida 等人/CC BY 4.0 提供）。

結論

由於沒有普遍接受的治療方案，胸腰椎爆裂性骨折的治療存在爭議，理想的手術結果是促進早期活動，以降低與不動和臥床相關的併發症的風險，並減少臥床休息，因此早期手術通常會取得更好的結果，使用椎弓根螺釘進行短融合也有正面的結果，而根據患者的情況，短節段或長節段固定也有不同的結果。

使用基於 3D 影像的模型的實際螺絲數據使研究人員能夠考慮病理學和不同固定長度的影響，包括骨質疏鬆症和 DISH 模型骨折水平的應力與骨折模型相比並沒有高很多。然而，在臨床環境中，骨質疏鬆症會導致骨密度降低，因此可能更容易塌陷。長時間固定後，所有模型中骨折椎骨的應力均有所下降，這解釋了某些病理學的具體益處。

獲得了有關應力位置和影響的其他資訊，但存在公認的局限性，包括只有一種骨折形態以及一種固定和對準類型。然而，該研究對於探索椎體骨折、脊椎病理學和固定長度如何改變椎骨和器械上的應力（即使存在相同的骨折形態）也很有價值，每個固定範圍都會降低骨折椎骨處的應力，但會影響器械和插入螺釘的椎骨；固定的效果取決於病理情況，即固定長度應根據患者的情況而定。

參考資料