黄海珊 马航展 李波

    随着我国老龄化加剧，老年退变性脊柱疾病发生率逐年上升，该类疾病手术治疗时，采用经后路椎弓根螺钉内固定最为常见[1-3]。但老年患者常伴有骨质疏松，容易导致椎弓根螺钉把持力下降，最终导致椎弓根螺钉不稳、松动、拔出等，影响手术效果[4-5]。因此，如何有效地提高骨质疏松条件下椎弓根钉内固定系统的稳定性已经成为脊柱外科领域的一大挑战及研究热点。本研究采用课题组自主研发的带凹槽实心新型钉道强化椎弓根螺钉(专利号：201620893585)，通过建立模拟螺钉-骨抗拔出力实验有限元模型，模拟螺钉的轴向拔出实验及位移情况，评估四种螺钉生物力学特点，得出研究结果，为后期螺钉-骨相互作用等离体生物力学研究以及临床实践研究提供更好的研究基础。

    1 材料与方法

    1.1 三维模型的建立 选取一名65岁骨质疏松志愿者(经测T值≤-2.5)，经体格检查和摄X线片检查脊柱、四肢，排除骨折、畸形、肿瘤等骨骼异常，排除外伤、遗传、家族史，并且获得医院伦理委员会同意，签署知情同意书。进行腰椎64排螺旋CT(PHILIPS)轴向连续断层扫描，扫描条件：电压120 kV，电流300 mA，骨组织窗扫描，层距0.75 mm，取得DICOM格式图像，将图像数据导入Mimics17.0软件(Materialise)，根据骨轮廓曲线选取合适的骨质阈值，生成原始蒙罩图像，用区域增长、分割或擦除功能，建立腰4椎体三维模型。并利用CAD软件进行4种不同螺钉植入物的配准以及表面平滑，分别以stl格式输出，并导入软件Geomagic Studio2013中建立几何模型的空间拓扑信息，通过创建脊柱特征边界来定义模型边界条件、分割数据、构造栅格网、曲面拟合，将合成的非均匀有理B样条(NURBS)曲线构建曲面片，最终得到腰椎包含骨皮质和松质骨的三维实体模型及螺钉模型。以上所有螺钉均采用6.5 mm×45 mm规格的钛合金螺钉。

    1.2 设定载荷、网格划分 将Mimics 软件制作的椎体及钉道三维模型导入有限元分析软件Abaqus 2016有限元分析软件处理，赋予四面体实体网格。椎体网格大小为1.5 mm，局部0.5 mm，骨水泥为1 mm，螺钉为0.5 mm，网格类型为C3D4。网格节点数量为60 918，单元数量为311 713。

    1.3 相关材料参数 本研究中的所有材料假设为均质、各向同性的线弹性材料，根据大多数研究者公认的并经过验证的数据进行赋值[6-7]，见表1。 ......