《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Direction-dependent biomechanical effects of transverse process hooks versus pedicle screws at the uppermost instrumented vertebra in adult spinal deformity: a finite element analysis
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近端交界性并发症通常由上端固定椎（UIV）处的突然力学转换所驱动。本研究采用患者特异性有限元分析，比较横突钩与椎弓根螺钉在UIV处的生物力学效应，并特别考察钩的方向如何影响前后负荷分担。研究人员利用一名60岁女性患者的数据，建立了经过验证的非线性三维T7–L2
近端交界性并发症通常由上端固定椎（UIV）处的突然力学转换所驱动。本研究采用患者特异性有限元分析，比较横突钩与椎弓根螺钉在UIV处的生物力学效应，并特别考察钩的方向如何影响前后负荷分担。研究人员利用一名60岁女性患者的数据，建立了经过验证的非线性三维T7–L2脊柱模型。在T9处评估了三种UIV结构：双侧椎弓根螺钉（BPS）以及向下朝向和向上朝向的横突钩（TPH）构型。在500-N跟随载荷和8-Nm弯曲力矩下，研究人员分析了关节突关节负荷（FJL）、活动范围（ROM）、椎间盘内压（IDP）和机械失效风险。在屈曲时，与BPS模型相比，向下朝向和向上朝向TPH模型中UIV+1/UIV水平的FJL分别下降了6.2%和19.6%。在伸展时，与BPS模型相比，向上朝向TPH模型的FJL下降了4.2%，而向下朝向TPH模型则增加了32.4%。两种TPH模型均比双侧椎弓根螺钉模型保留了更大的UIV活动范围，其中向上朝向构型达到最高屈曲ROM（2.1°），向下朝向构型达到最高伸展ROM（3.2°）。在BPS模型中，UIV螺钉拔出风险在屈曲时为136%。相比之下，向下朝向和向上朝向TPH模型的横突断裂风险显著较低（分别为50%和42%）。与BPS模型相比，钩结构增加了UIV-1水平的螺钉拔出风险。在UIV处使用TPH可通过保留节段运动并减少相邻水平的后部负荷，促进生物力学上的“软着陆”。这些效应具有方向依赖性，其中向上朝向TPH构型在屈曲时可能具有保留节段运动的更大优势。由于存在向UIV-1水平传递应力的可能性，手术策略应根据个体骨质量进行定制。
成人脊柱畸形（ASD）长节段融合术可恢复矢状面序列并缓解症状，但融合节段与活动节段之间的刚度骤变常导致近端交界性后凸（PJK）和近端交界性失败（PJF）。上端固定椎（UIV）处过高的机械应力集中是螺钉松动、UIV骨折等器械失败的主要因素。为降低这些力学并发症，临床上提出“软着陆”概念，即在UIV使用横突钩（TPH）替代刚性椎弓根螺钉，以保留邻近节段活动并降低PJK/PJF风险。尽管临床证据支持TPH的有效性，但其负荷分配机制尚不完全清楚。既往有限元研究多聚焦活动范围或螺钉周围局部应力，缺少对椎间盘等前柱结构与关节突关节等后柱结构之间负荷分担的定量分析，且钩朝向对屈伸运动的影响研究有限。因此，研究人员利用患者特异性有限元模型比较TPH与椎弓根螺钉在UIV的力学效应，并重点评估钩朝向对前后负荷分担和运动学的影响。
研究人员基于一名60岁女性ASD患者（接受T9–S1畸形固定）的术前CT影像，构建并验证了非线性三维T7–L2脊柱有限元模型，模型中明确重建关节突关节软骨与关节间隙。在T9设置三种UIV构型：双侧椎弓根螺钉（BPS）、向下朝向TPH和向上朝向TPH，远端固定至L2。在500-N跟随载荷和8-Nm屈伸纯力矩下，定量分析关节突关节负荷（FJL）、活动范围（ROM）、椎间盘内压（IDP）和机械失效风险。结果显示，TPH在UIV处可保留节段运动并减少邻近节段后柱负荷，但效应呈方向依赖性，且存在向UIV-1水平转移应力的“权衡”。
主要技术方法包括：使用ABAQUS建立患者特异性非线性T7–L2有限元模型，其材料属性参照已发表文献，植入物为钛合金（Ti-6Al-4V）；通过布尔减运算模拟椎弓根螺钉置入，并按临床操作模拟T12–L2一级截骨；边界与加载条件为L2下终板完全约束、500-N跟随载荷和8-Nm屈伸力矩；关节突关节与钩-横突界面均设为无摩擦有限滑动接触，骨-螺钉及螺钉-棒界面设为绑定约束；失效风险评估采用峰值von Mises应力（PVMS）与相应骨屈服应力之比，分别针对螺钉拔出（松质骨屈服应力2 MPa）、横突断裂（皮质骨屈服应力80 MPa）和椎体骨折（皮质骨屈服应力80 MPa）。
研究结果如下：
关节突关节负荷：在屈曲时，与BPS模型相比，向下朝向和向上朝向TPH模型在UIV+1/UIV水平的FJL分别降低6.2%和19.6%。在伸展时，向上朝向TPH模型FJL降低4.2%，而向下朝向TPH模型FJL增加32.4%。此外，伸展时仅在向下朝向TPH模型观察到UIV/UIV-1水平FJL为16.6N，其余模型在该水平负荷可忽略。这表明TPH能减少邻近节段的后柱负荷，但效果与钩朝向和载荷方向有关。
活动范围：在UIV/UIV-1水平，两种TPH模型均较BPS模型保留更高的ROM。向上朝向TPH模型在屈曲时ROM最高（2.1°），向下朝向TPH模型在伸展时ROM最高（3.2°）。这说明TPH可降低UIV节段的过度刚度，实现更接近生理状态的节段活动保留。
螺钉拔出与横突断裂风险：屈曲时，BPS模型在UIV水平的螺钉拔出风险指数为136%，而向下朝向和向上朝向TPH模型的横突断裂风险仅为50%和42%。但TPH模型在UIV-1水平的螺钉拔出风险（86%和92%）高于BPS模型（81%）。伸展时，向下朝向TPH模型在横突处应力最小，但UIV-1水平风险指数为131%，与BPS模型（142%）相近。这提示TPH将主要失效风险从UIV的螺钉-骨界面转移至UIV-1水平，且转移程度受钩朝向影响。
椎间盘内压：屈曲时，两种TPH模型在UIV/UIV-1水平的IDP较BPS模型分别增加7.0%和11.3%，而近端邻近节段IDP相似。伸展时，BPS和向上朝向TPH模型表现为低IDP（0.57 MPa和0.74 MPa），向下朝向TPH模型则出现明显升高的IDP（1.85 MPa），与近端高负荷水平（1.75–1.81 MPa）相当。这表明钩的不同朝向会改变前柱与后柱之间的负荷分配。
椎体失效风险：屈曲时各模型在UIV及近端邻近节段前部椎体表面的失效风险无显著差异，风险指数维持在19%–23%之间。
讨论与结论：本研究发现，TPH并非简单的静态固定锚点，而是根据钩朝向选择性地允许特定方向运动并参与负荷分担。向上朝向TPH在屈曲时通过钩-横突界面的结构啮合实现负荷分担，减少邻近节段FJL，同时保留UIV/UIV-1活动范围；向下朝向TPH在伸展时因失去与横突的结构啮合，导致负荷重新分配至椎间盘和关节突关节，引起FJL和IDP升高。此外，TPH将部分应力传递至UIV-1水平，但其绝对风险水平在向上朝向构型中仍低于BPS模型的UIV风险。对于骨质量较差的患者，横突皮质骨可能比松质骨保留更好，因此TPH在预防UIV结构失败方面具有一定优势。研究局限性包括单患者模型、PVMS不能直接预测临床骨折、未包含胸廓以及二维影像验证误差等。结论可概括为：通过显式模拟关节突关节，该模型成功量化了各器械类型下的FJL变化和ROM特征；用TPH替代UIV椎弓根螺钉可实现生物力学“软着陆”，保留节段运动并减少邻近节段FJL。尽管向下朝向TPH为传统偏好选择，向上朝向TPH在优化屈曲负荷分担方面可能更具生物力学优势。由于TPH不可避免地会将部分机械应力转移至UIV/UIV-1水平，不应对所有患者采用统一手术策略；需综合考虑个体骨质量、预期负荷需求及不同钩朝向的力学特点，制定个体化方案。
