双线动态稳定系统在腰椎生物力学中的性能评估：有限元分析研究

《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》：Evaluating the performance of a novel double-threaded dynamic stabilization system: a finite element study

本研究针对传统单线动态稳定系统在长期应用中存在的机械失效风险，通过有限元分析评估了新型双线双垫圈动态稳定系统的生物力学性能。结果表明，双线系统可提升L4-5节段稳定性约22%，同时将相邻节段活动度维持在生理范围内，为腰椎退行性疾病提供了更可靠的动态稳定解决方案。

　　

在脊柱外科领域，动态稳定系统作为刚性固定的替代方案近年来备受关注。传统融合手术虽然能提供即时稳定性，却可能引发相邻节段退变(ASD)等并发症。特别是单线设计的动态稳定系统在长期使用中可能出现机械失效风险，这对需要长节段固定的复杂脊柱疾病患者尤为突出。为此，土耳其科奇大学医院的研究团队在《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》发表了一项创新研究，通过有限元分析(FEA)方法评估了一种新型双线动态稳定系统的生物力学性能。

研究团队首先建立了L1-S1腰椎节段的有限元模型，该模型基于健康成年男性的CT数据开发，并经过严格的验证流程。模型包含皮质骨、松质骨、后部结构以及椎间盘等精细解剖结构。椎间盘采用超弹性本构模型模拟，纤维环增强层以±25°角度排列，髓核设定为接近不可压缩材料。五种主要韧带（前纵韧带ALL、后纵韧带PLL、黄韧带LF、关节囊韧带CL、棘间韧带ISL）均采用仅受拉元素模拟。

研究人员对比了两种动态稳定系统：传统单线系统（单个PET线和PCU垫圈）和新型双线系统（双PET线和双PCU垫圈）。两种系统均安装在L4-L5节段，每根线施加300N的预张力。加载条件包括7.5Nm纯力矩和400N跟随载荷，模拟生理状态下的脊柱运动。

范围运动结果

双线系统在L4-5节段表现出更强的稳定性控制能力。在屈曲、伸展、侧弯和旋转等所有运动方向上，双线系统均能有效限制节段活动度(ROM)。与传统单线系统相比，双线系统将L4-5节段的活动度进一步降低了22%，而相邻节段（L1-2、L2-3、L3-4、L5-S1）的活动度变化保持在生理范围内，未出现明显的代偿性增加。

植入物应力分析

双线系统的应力分布表现出独特的负载分担特性。椎弓根螺钉的冯·米塞斯应力在双线系统中有所增加，但仍在安全阈值内。具体而言，螺钉最大应力在伸展方向增加66.54%，在左侧轴向旋转增加40.53%。PET线的应力分析显示，后侧线承担了主要载荷，表明双线设计实现了有效的负载分配。

PCU垫圈的应力分布同样显示出双线系统的优势。双垫圈配置中，第二个垫圈承受较高应力，在伸展时应力增加161.84%。这种应力分布模式表明双线系统通过冗余设计提高了结构的可靠性，即使单个组件出现故障，系统仍能保持功能。

椎间盘组织响应

值得注意的是，双线系统对椎间盘组织的应力影响较小。L3-4和L5-S1节段的纤维环和髓核的冯·米塞斯应力变化不显著，表明双线系统在提供稳定性的同时，不会对相邻节段椎间盘产生不利的生物力学影响。

讨论与意义

本研究通过详细的有限元分析证实，双线动态稳定系统在生物力学性能上优于传统单线系统。其主要优势体现在三个方面：首先，双线设计提供了机械冗余，降低了单个组件失效导致的系统整体故障风险；其次，优化的负载分担机制减少了应力集中，可能延长植入物使用寿命；最后，系统在提供足够稳定性的同时，保持了相邻节段的生理运动，有助于预防相邻节段退变。

从临床角度看，这一创新设计特别适用于需要长节段固定的复杂脊柱畸形病例。传统的单线系统在这些情况下容易出现机械失效，而双线系统通过冗余设计提高了可靠性。此外，对于骨质条件较差或存在骨质疏松风险的患者，双线系统可能提供更可靠的中长期稳定效果。

研究也存在一定局限性。模型未考虑患者特异性解剖变异、骨密度差异以及疲劳载荷的影响。未来研究需要结合患者特异性建模、疲劳测试和临床随访数据，进一步验证双线系统的长期性能和临床效果。

这项由Mehmet Yigit Akgun领导的研究为脊柱动态稳定技术提供了重要的理论依据。双线设计不仅解决了现有系统的耐久性局限，还为个性化脊柱稳定方案的发展指明了方向。随着进一步的研究和临床验证，这种创新设计有望为脊柱疾病患者提供更安全、更持久的治疗选择。