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在中国伴随着人口老龄化，骨质疏松患者越来越多。脊柱疾病患者常常合并骨质疏松，手术治疗需要神经减压、椎间融合和脊柱内固定。坚强内固定是实现成功融合、脊柱稳定的保障。多项研究已经证明，椎弓根螺钉稳定性取决于脊柱的骨质质量，因此脊柱骨质疏松的患者螺钉稳定性降低，更容易出现内固定的失败。而复杂严重骨质疏松的手术(严重骨质疏松、螺钉松动及内固定失败的翻修等)给医生带来了很大的困难和挑战。目前，主要方法是使用骨水泥加强螺钉固定，但是难以解决上述复杂问题。
为此，本课题的研究目的是探讨基于骨水泥螺钉的脊柱立体框架式结构的稳定理论，并围绕其生物力学稳定性、骨水泥的合理安全剂量等进行多手段的综合评价，并结合临床病例研究为严重骨质疏松和严重畸形手术提供临床解决方案。
实验一骨质疏松状态下骨水泥螺钉稳定原理的有限元分析
目的通过建立骨水泥螺钉-骨水泥-松质骨模型，对不同骨密度条件下骨水泥螺钉进行有限元研究来全面探讨骨水泥螺钉的稳定原理。
方法原始松质骨模型通过Mimics软件进行切割及光滑处理，导入有限元前处理软件ANSYS中。根据螺钉的实际尺寸，通过三维软件SolidWorks建立螺钉的原始模型，导入到ANSYS中和松质骨进行装配。通过骨水泥螺钉模型及松质骨模型和骨水泥计算半径，通过ANSYS软件进行向松质骨内加注骨水泥。完成整体“骨水泥螺钉-骨水泥-松质骨”模型建模。然后进行模型的验证。验证成功后，将ANSYS处理好的“骨水泥螺钉-骨水泥-松质骨”模型导入到Abaqus软件中进行模型加载和模型计算。
结果骨质疏松组：无骨水泥(10.453N)1.0ml(17.909N)、1.5ml(23.946N)、2.0ml(28.700N)、2.5ml(34.320N)、3.0ml(36.454N)；骨量减少组:无骨水泥(26.600N)、1.0ml(40.745N)、1.5ml(50.789N)、2.0ml(65.790N)、2.5ml(68.876N)、3.0ml(79.020N)；正常骨质组:无骨水泥(33.093N)、1.0ml(52.018N)、1.5ml(71.746N)、2.0ml(85.277N)、2.5ml(100.070N)、3.0ml(108.374N)。
结论骨水泥的注入后粘接了钉道周围的松质骨，形成骨水泥和松质骨的复合结构，使更大范围的松质骨参与到螺钉稳定的过程中，从而提高钉道骨质对螺钉的把持力。在严重骨质疏松的情况下骨水泥注入量为2.5ml-3.0ml时，所形成的钉-骨水泥-骨的复合体达到螺钉固定稳定的最佳状态。
实验二基于骨水泥螺钉立体框架结构的生物力学实验研究
目的通过生物力学测试，分析和评价基于骨水泥螺钉强化的立体框架结构的稳定性。
方法选用平均年龄在72岁的完整的人体脊柱标本(T12-L5)7具，双能X线吸收法检测7具人体脊柱标本的骨密度，均为骨质疏松。
1．将3具人体脊柱标本分离成18个椎体用于单个螺钉的生物力学测试，随机选取9个椎体两侧植入骨水泥螺钉并在2枚螺钉前端形成骨水泥桥接(单椎体A组)，另9个椎体两侧植入骨水泥螺钉，2枚螺钉前端不形成桥接(单椎体B组)。
2．4具人体脊柱标本用于立体框架整体稳定性的生物力学测试，首先对4具标本进行截骨，然后随机选取2具脊柱标本，椎体两侧分别植入骨水泥螺钉并在2枚螺钉前端形成骨水泥桥接，建立立体框架结构(多椎体A组)；另2具脊柱标本椎体两侧分别植入骨水泥螺钉，2枚螺钉前端不建立桥接(多椎体B组)。所有椎体均灌注2.5mlPMMA进行强化。
3．行X线检查和CT扫描明确实验组和对照组模型建立。对单个椎体骨水泥螺钉进行最大轴向拔出力测试，对立体框架脊柱标本进行循环载荷测试，分别记录单个螺钉的最大轴向拔出力和立体框架的循环载荷数据及循环载荷后X线片检查。
结果X线检测显示：单椎体A组建立桥接，单椎体B组未建立桥接；多椎体组A组建立桥接，立体框架组B组未建立桥接。CT三维重建显示：所有组骨水泥均分布于椎体内。单个椎体骨水泥螺钉大轴向拔出力：A组(1395.693±85.775)N，B组(889.620±63.500)N，P＜0.05，有统计学差异。多椎体组脊柱标本循环载荷测试：A组通过测试前后对比发现，螺钉无松动，B组通过测试前后对比，部分螺钉松动。
结论单椎体骨水泥螺钉前端建立桥接后形成的三角结构螺钉的稳定性显著增强，多椎体组建立立体框架结构后稳定性显著提高，为临床提升严重骨质疏松脊柱疾病患者内固定的稳定性和可靠性提供了一种新的方法。
实验三立体框架理论的临床应用研究
目的根据立体框架理论治疗复杂严重骨质疏松疾病，评价临床疗效，总结阶段性结果，为临床的广泛应用提供更进一步的理论和临床依据。
方法通过纳入37例复杂骨质疏松病例，①胸腰椎术后内固定松动9例；②胸腰椎椎体骨折21例；③腰椎退变性侧弯畸形7例。手术建立立体框架固定病变节段脊柱，通过术前及术后随访的影像学资料分析、临床疗效评价、内固定系统评价、植骨融合的评价来分析立体框架结构的治疗效果。
结果术后随访时间3-22个月，37例患者均未见螺钉松动、拔出、断裂的情况发生，连接棒及横连接亦无松动、脱出。术后及随访X线平片正侧位示内固定位置良好。患者在术后末次随访中VAS评分较术前，P＜0.05有明显的统计学差异。
结论临床应用立体框架理论治疗复杂骨质疏松疾病病例证实，立体框架式固定具有稳定性和可靠性。
通过有限元分析、生物力学测试和临床研究，在治疗复杂性骨质疏松的脊柱疾病时，基于骨水泥强化的立体框架式脊柱内固定结构稳定性更好，临床上应用安全可靠。
为此，本课题的研究目的是探讨基于骨水泥螺钉的脊柱立体框架式结构的稳定理论，并围绕其生物力学稳定性、骨水泥的合理安全剂量等进行多手段的综合评价，并结合临床病例研究为严重骨质疏松和严重畸形手术提供临床解决方案。
实验一骨质疏松状态下骨水泥螺钉稳定原理的有限元分析
目的通过建立骨水泥螺钉-骨水泥-松质骨模型，对不同骨密度条件下骨水泥螺钉进行有限元研究来全面探讨骨水泥螺钉的稳定原理。
方法原始松质骨模型通过Mimics软件进行切割及光滑处理，导入有限元前处理软件ANSYS中。根据螺钉的实际尺寸，通过三维软件SolidWorks建立螺钉的原始模型，导入到ANSYS中和松质骨进行装配。通过骨水泥螺钉模型及松质骨模型和骨水泥计算半径，通过ANSYS软件进行向松质骨内加注骨水泥。完成整体“骨水泥螺钉-骨水泥-松质骨”模型建模。然后进行模型的验证。验证成功后，将ANSYS处理好的“骨水泥螺钉-骨水泥-松质骨”模型导入到Abaqus软件中进行模型加载和模型计算。
结果骨质疏松组：无骨水泥(10.453N)1.0ml(17.909N)、1.5ml(23.946N)、2.0ml(28.700N)、2.5ml(34.320N)、3.0ml(36.454N)；骨量减少组:无骨水泥(26.600N)、1.0ml(40.745N)、1.5ml(50.789N)、2.0ml(65.790N)、2.5ml(68.876N)、3.0ml(79.020N)；正常骨质组:无骨水泥(33.093N)、1.0ml(52.018N)、1.5ml(71.746N)、2.0ml(85.277N)、2.5ml(100.070N)、3.0ml(108.374N)。
结论骨水泥的注入后粘接了钉道周围的松质骨，形成骨水泥和松质骨的复合结构，使更大范围的松质骨参与到螺钉稳定的过程中，从而提高钉道骨质对螺钉的把持力。在严重骨质疏松的情况下骨水泥注入量为2.5ml-3.0ml时，所形成的钉-骨水泥-骨的复合体达到螺钉固定稳定的最佳状态。
实验二基于骨水泥螺钉立体框架结构的生物力学实验研究
目的通过生物力学测试，分析和评价基于骨水泥螺钉强化的立体框架结构的稳定性。
方法选用平均年龄在72岁的完整的人体脊柱标本(T12-L5)7具，双能X线吸收法检测7具人体脊柱标本的骨密度，均为骨质疏松。
1．将3具人体脊柱标本分离成18个椎体用于单个螺钉的生物力学测试，随机选取9个椎体两侧植入骨水泥螺钉并在2枚螺钉前端形成骨水泥桥接(单椎体A组)，另9个椎体两侧植入骨水泥螺钉，2枚螺钉前端不形成桥接(单椎体B组)。
2．4具人体脊柱标本用于立体框架整体稳定性的生物力学测试，首先对4具标本进行截骨，然后随机选取2具脊柱标本，椎体两侧分别植入骨水泥螺钉并在2枚螺钉前端形成骨水泥桥接，建立立体框架结构(多椎体A组)；另2具脊柱标本椎体两侧分别植入骨水泥螺钉，2枚螺钉前端不建立桥接(多椎体B组)。所有椎体均灌注2.5mlPMMA进行强化。
3．行X线检查和CT扫描明确实验组和对照组模型建立。对单个椎体骨水泥螺钉进行最大轴向拔出力测试，对立体框架脊柱标本进行循环载荷测试，分别记录单个螺钉的最大轴向拔出力和立体框架的循环载荷数据及循环载荷后X线片检查。
结果X线检测显示：单椎体A组建立桥接，单椎体B组未建立桥接；多椎体组A组建立桥接，立体框架组B组未建立桥接。CT三维重建显示：所有组骨水泥均分布于椎体内。单个椎体骨水泥螺钉大轴向拔出力：A组(1395.693±85.775)N，B组(889.620±63.500)N，P＜0.05，有统计学差异。多椎体组脊柱标本循环载荷测试：A组通过测试前后对比发现，螺钉无松动，B组通过测试前后对比，部分螺钉松动。
结论单椎体骨水泥螺钉前端建立桥接后形成的三角结构螺钉的稳定性显著增强，多椎体组建立立体框架结构后稳定性显著提高，为临床提升严重骨质疏松脊柱疾病患者内固定的稳定性和可靠性提供了一种新的方法。
实验三立体框架理论的临床应用研究
目的根据立体框架理论治疗复杂严重骨质疏松疾病，评价临床疗效，总结阶段性结果，为临床的广泛应用提供更进一步的理论和临床依据。
方法通过纳入37例复杂骨质疏松病例，①胸腰椎术后内固定松动9例；②胸腰椎椎体骨折21例；③腰椎退变性侧弯畸形7例。手术建立立体框架固定病变节段脊柱，通过术前及术后随访的影像学资料分析、临床疗效评价、内固定系统评价、植骨融合的评价来分析立体框架结构的治疗效果。
结果术后随访时间3-22个月，37例患者均未见螺钉松动、拔出、断裂的情况发生，连接棒及横连接亦无松动、脱出。术后及随访X线平片正侧位示内固定位置良好。患者在术后末次随访中VAS评分较术前，P＜0.05有明显的统计学差异。
结论临床应用立体框架理论治疗复杂骨质疏松疾病病例证实，立体框架式固定具有稳定性和可靠性。
通过有限元分析、生物力学测试和临床研究，在治疗复杂性骨质疏松的脊柱疾病时，基于骨水泥强化的立体框架式脊柱内固定结构稳定性更好，临床上应用安全可靠。