《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Biomechanical advantages of double-trajectory screws technique combined with multiple-rod constructs in lumbar pedicle subtraction osteotomy: a finite element analysis study
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摘要
引言：尽管多棒构型（Multi-RCs）已被证明可降低椎弓根截骨术（PSO）后棒断裂（RF）的风险，但其在螺钉相关并发症方面的改善有限。双轨迹技术（结合传统轨迹（TT）和皮质骨轨迹（CBT）螺钉）已被证明可增强螺钉固定。因此，将双轨迹技术与Multi
摘要
引言：尽管多棒构型（Multi-RCs）已被证明可降低椎弓根截骨术（PSO）后棒断裂（RF）的风险，但其在螺钉相关并发症方面的改善有限。双轨迹技术（结合传统轨迹（TT）和皮质骨轨迹（CBT）螺钉）已被证明可增强螺钉固定。因此，将双轨迹技术与Multi-RCs联合使用有望增强棒和螺钉的固定强度。本研究旨在评估一种结合双轨迹螺钉与多棒的新型构型在腰椎PSO中的生物力学性能。方法：对已验证的L1-5非线性有限元（FE）模型进行修改，以模拟L3处25°的PSO。在正常和骨质疏松条件下分析了三种构型：(a) 2R-TT（每侧一根棒配TT螺钉）；(b) 4R-TT（每侧一根棒配TT螺钉，并辅以侧方卫星棒）；(c) 4R-TT/CBT（每侧一根棒配TT螺钉和一根棒配CBT螺钉）。施加400 N和7.5 Nm的载荷，方向不同，L5固定。测量结果包括活动度（ROM）以及棒和螺钉上的最大von Mises应力。结果：4R-TT/CBT构型在所有方向上的ROM最小，与2R-TT相比减少17.3%–26.4%，与4R-TT相比减少10.9%–16.8%。该构型还显示出棒上的von Mises应力最低，尤其在屈曲时，与2R-TT相比减少20.5%–21.4%，与4R-TT相比减少20.9%–21.4%。考虑螺钉上的最大von Mises应力，该构型表现出最低值，并与2R-TT和4R-TT构型相比分别显著减少8.9%–22.8%和19.5%–29.8%。结论：与2R-TT和4R-TT构型相比，4R-TT/CBT构型在腰椎PSO中提供了优越的生物力学性能，增强了构型刚度，并显著降低了棒和螺钉上的应力。然而，这是一项具有固有简化性的FE研究。因此，未来应通过尸体或临床研究进一步证实这些发现。
论文解读文章
**研究背景**
腰椎椎弓根截骨术（pedicle subtraction osteotomy, PSO）是一种通过后路实现矢状面矫正的常用技术，可在不延长前柱的情况下达到25°–35°的矫正，用于治疗固定矢状面失衡，包括医源性脊柱畸形、成人脊柱畸形和强直性脊柱炎后凸畸形。尽管PSO能显著改善影像学和临床结果，但由于术后棒应变增加，棒断裂（rod fracture, RF）的发生率仍较高（9%–36.4%），可导致疼痛、神经功能损害和矫正丢失，常需翻修手术。为降低RF率，多种多棒构型（multiple-rod constructs, Multi-RCs）被开发，包括卫星棒和辅助棒，临床研究证实其可显著减少RF。然而，Multi-RCs虽能缓解棒应变，却无法减轻螺钉应变，导致螺钉拔出、断裂和松动等并发症，尤其在骨质疏松患者中更为突出。为增强螺钉固定强度，皮质骨轨迹（cortical bone trajectory, CBT）螺钉技术被提出，其与传统轨迹（traditional trajectory, TT）螺钉相比具有更高的插入扭矩、拔出强度和疲劳强度。双轨迹技术（double-trajectory technique）将TT螺钉和CBT螺钉置于同一椎弓根内，已被证明可增强螺钉固定强度，减少螺钉相关并发症并提高融合率。理论上，将双轨迹技术与Multi-RCs联合有望同时增强棒和螺钉的固定强度，从而降低机械并发症发生率。然而，目前缺乏对该构型在PSO模型中的生物力学评估。因此，研究人员开展此有限元（finite element, FE）分析，比较双轨迹螺钉联合多棒构型与其他传统固定构型在正常和骨质疏松条件下的力学性能。论文发表在《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》。
**主要关键技术方法**
研究人员基于一名60岁女性志愿者（无脊柱疾病）的CT扫描数据，构建了L1-5非线性三维有限元（FE）模型。材料参数来源于文献，骨质疏松模型通过降低松质骨和皮质骨弹性模量模拟。模型验证通过与尸体数据比较节段活动度（ROM）完成。随后，在L3处模拟25°PSO，并建立三种固定构型：2R-TT（每侧一根棒配TT螺钉）；4R-TT（每侧一根棒配TT螺钉，外侧加卫星棒，通过横杆连接）；4R-TT/CBT（每侧一根棒配TT螺钉和一根棒配CBT螺钉）。施加400 N压缩预载荷和7.5 Nm纯力矩，测量L1-5整体ROM及棒和螺钉上的最大von Mises应力。
**研究结果**
- **Range of motion（ROM）**
在正常模型中，4R-TT/CBT构型在所有方向（屈曲、伸展、左侧弯、左轴旋转）的ROM最小。与2R-TT相比，屈曲减少24.0%，伸展减少18.7%，左侧弯减少22.4%，左轴旋转减少21.7%；与4R-TT相比，分别减少15.5%、11.7%、14.3%和14.3%。在骨质疏松条件下，所有构型ROM增加1%–23.0%，但4R-TT/CBT仍保持最小ROM，且构型间差异进一步扩大（9.1%–25.0%）。这表明4R-TT/CBT构型提供最刚硬的固定强度，尤其在骨质疏松时。
- **von Mises stress on the rods**
在正常模型中，所有构型棒上的最大von Mises应力出现在屈曲时。4R-TT/CBT构型在四个加载方向上的棒应力均最低，与2R-TT相比减少0.2%–21.0%，与4R-TT相比减少0.2%–21.4%。4R-TT构型在屈曲和左轴旋转时棒应力低于2R-TT，但在伸展和左侧弯时反而更高（分别增加7.5%和9.7%），这与卫星棒连接处应力集中有关。4R-TT/CBT构型由于卫星棒直接连接CBT螺钉，避免了棒连接器，应力分布更均匀。在骨质疏松模型中，棒应力增加2.2%–6.4%，但应力分布模式相似。
- **von Mises stress on the screws**
正常模型中，所有构型螺钉上的最大von Mises应力出现在左轴旋转时。4R-TT构型螺钉应力最高（在四个方向均高于其他构型），而4R-TT/CBT构型螺钉应力最低，与2R-TT相比减少8.9%–22.8%，与4R-TT相比减少19.5%–29.8%。所有构型的最大螺钉应力均位于L5椎弓根螺钉（最远端螺钉）。在骨质疏松模型中，螺钉应力增加1.9%–6.8%，但位置模式相似。这表明4R-TT/CBT构型通过每节椎体四枚螺钉分担载荷，有效降低了每枚螺钉的应力。
**讨论与结论**
讨论部分指出，PSO后机械并发症（RF、螺钉松动、拔出和断裂）发生率较高。Multi-RCs可降低RF率，但无法减轻螺钉应变，而双轨迹技术可增强螺钉固定。本研究首次通过FE分析比较了双轨迹螺钉联合多棒构型（4R-TT/CBT）与传统构型（2R-TT和4R-TT）的生物力学性能。结果证实，4R-TT/CBT构型在正常和骨质疏松条件下均表现出最小的ROM和最低的棒、螺钉应力，提示其可降低RF和螺钉相关失败的风险。该构型通过卫星棒直接连接CBT螺钉，避免了棒连接器处的应力集中，同时四枚螺钉分担载荷，使应力分布更均匀。研究局限性包括模型简化（韧带线性化、忽略肌肉效应）、静态载荷、界面绑定接触、假设术后即刻融合、未考虑椎间融合器和骨盆螺钉等。未来需结合多尺度建模、动态实验验证及融合器和骨盆螺钉的影响。
结论部分翻译：该FE研究评估了双轨迹技术与Multi-RCs联合的新型固定构型（4R-TT/CBT）在正常和骨质疏松条件下腰椎PSO模型中的生物力学性能。与2R-TT和4R-TT构型相比，4R-TT/CBT构型在正常和骨质疏松模型中均表现出优越的机械稳定性，所有加载方向上的ROM最小，且棒和螺钉上的von Mises应力显著降低，提示RF和螺钉相关失败的概率降低。这些发现凸显了4R-TT/CBT在减少机械并发症方面的临床潜力，尤其适用于需要PSO和长节段融合的骨质疏松患者。本研究为首次提供支持双轨迹技术与Multi-RCs联合用于腰椎PSO和长节段融合患者的生物力学证据。未来研究应整合多尺度建模、动态实验验证以及融合器和骨盆螺钉的影响，以桥接生物力学预测与手术优化。
