临床生物力学下腰椎融合术后路单、双侧椎弓根固定的有限元比较研究

建立正常人L4~5节段椎间盘切除后单/双侧椎弓根螺钉固定椎间融合的有限元模型，对两者在不同运动载荷下的稳定性和应力分布进行比较研究。

下腰椎融合术后路单、双侧椎弓根固定的有限元比较研究

王鹏， 王健， 胡勇， 陈海峰， 焦培峰， 张美超

【作者介绍】

1.南通大学附属建湖县人民医院脊柱外科，江苏建湖224700；

2.南方医科大学人体解剖学教研室 广东省医学生物力学重点实验室, 广州510515

【摘要】目的 建立正常人L4~5节段椎间盘切除后单/双侧椎弓根螺钉固定椎间融合的有限元模型，对两者在不同运动载荷下的稳定性和应力分布进行比较研究。方法 通过正常人L4~5节段CT扫描获取断层图像，然后利用mimics 软件重建人体L4~5三维模型，再通过Ansys 软件前处理功能建立有限元模型，并在此基础上分别建立椎间盘切除后单侧（A）、双侧（B）椎弓根螺钉固定+椎间Cage 融合模型，对两组模型分别施加5 N?m的前屈、后伸、左/右屈曲和左/右旋转载荷，比较分析椎体及植入物在不同工况下的位移及应力峰值。结果 各种工况下，A组在固定侧侧屈时椎体间位移及椎弓根螺钉应力峰值最大，在后伸时椎体应力峰值最大。B组在后伸时椎体间位移峰值最大，在旋转时螺钉及椎体应力峰值最大。在后伸和固定侧侧屈工况下A组椎体间位移峰值、螺钉及椎体应力峰值较B组相差最大。结论与双侧固定相比，单侧固定融合术后在固定侧侧屈及后伸工况下发生不稳及螺钉松动、断钉的潜在风险最大。单侧固定融合术后的病人在椎间骨融合前应特别减少后伸及固定侧侧屈动作，以降低风险。

【关键词】腰椎； 双侧固定； 单侧固定； 应力； 有限元模型

【中图分类号】R681.5

【文献标识码】A

【DOI】
10.13418/j.issn.1001-165x.2016.03.020

腰椎退行性疾病是脊柱外科的常见病、多发病，退变最终导致生物力学环境的紊乱，引起神经压迫而诱发各种临床症状，常见有腰椎间盘突出症、椎管狭窄症等。治疗方法多种多样，近年来腰椎融合手术的应用呈增加趋势^[1]，腰椎后路椎间融合术（posteriorlumbar interbody fusion, PLIF）具有减压充分，椎间高度恢复好、稳定性高等优点，且符合正常人体的生物力学特点，得到了广泛的应用^[2]。椎弓根螺钉通过椎体三柱固定，提供了即刻的稳定，提高了融合率和融合速度^[3,4]。随访研究^[5]显示融合固定手术需暴露两侧椎板和小关节，软组织损伤大，神经损伤的并发症较多。随后不少学者应用TLIF(transforminal lumbarinterbody)技术，同样取得了较好的疗效，减少了神经损伤的发生机率。长期随访发现双侧椎弓根螺钉坚强固定后节段刚度增加引起邻近节段退变加速，针对这一问题，一些学者开始探索单侧固定的可能。临床研究显示单侧固定融合手术具有手术时间短，费用低，创伤小的优势，且保留了对侧软组织的完整性，有利于恢复腰椎局部的生物力学^[6]。目前临床上单侧固定融合手术仍未获普遍接受，对其生物力学特点及手术适应症存在质疑。本研究通过建立单、双侧椎弓根螺钉固定椎间融合术的三维有限元模型，分析两者的生物力学特点，为临床提供一定的参考依据。

1 材料与方法

本研究的正常人体腰椎三维有限元模型来自南方医科大学医学生物力学重点实验室^[7,8]，建立过程简述如下：

1.1 CT 扫描数据

选取某正常男性为志愿者（健康受试者，32 岁，身高174 cm，体重73 kg），既往无腰椎疾病史，扫描前作腰椎X线及CT 排除腰椎疾患。通过薄层CT 扫描，保存断层扫描图像。

1.2 正常人体L4~5节段三维模型重建

将正常人体CT 扫描数据以Dicom 格式导入Mimics10.1 软件（比利时Materialise 公司），选择L4~5区域进行灰度阈值调整、区域分割后，重建正常人体L4~5节段骨性结构三维模型（图1）。

1.3 后路固定钉及CAGE重建

后路固定钉及CAGE 重建也是基于三维CT 扫描数据完成，以CAGE为例，如(图2)所示。

1.4 L4~5节段与固定器械装配

以STL 格式将L4-5节段骨性结构模型和后路固定钉棒系统及CAGE 导入Freeform 软件(美国Phantom公司)，以临床操作为参照，将以上脊柱融合固定器械装配于L4- 5 节段模型上，然后以IGES 格式导出（图3）。

1.5 L4~5后路固定并CAGE融合有限元几何模型生成

在Freeform 软件中对各模型铺面处理后，以IGES 文件导入有限元软件Ansys 中，通过几何处理和拓扑操作，完善椎间盘结构，生成L4~5 后路固定并CAGE 融合有限元几何模型（图4）。在生成过程中，L4~5 节段与钉之间定义为结合关系，锁定钉与棒之间定义为锁定关系，模拟无松动情况下固定；CAGE 与椎体终板之间定义为无摩擦接触关系，融合器斜向45°放入椎间隙，距椎体后缘3mm，与椎体上下终板直接接触，模拟手术初期植骨未融合情况，手术减压范围为腰4 右半椎板、全部下关节突及腰5 上关节突内侧部分，切除L4~5 全部髓核组织及后外1/3 纤维环，螺钉进针点为“人字嵴”顶点，钉杆角100°。L4~5 后路固定模型又分为双侧固定（B 组）和单侧固定（A 组）两种，其中后者是在前者的基础上去掉一侧（左侧）钉棒形成。

1.6 有限元网格划分

在有限元分析软件Ansys 中，采用十结点solid92单元对骨性结构进行网格划分。在网格模型基础上，完善椎间盘纤维韧带和其它韧带组织，并建立小关节接触关系。其中双侧固定模型共计有四面体单元452141 个、节点数86342 个；单侧固定模型共计有四面体单元437365 个，节点数83195 个。单侧固定和双侧固定模型如图5 所示, 各结构部分材料性质及单元风格信息见(表1)。

1.7 载荷及边界条件

固定L5 椎体下面，即下终板面上各节点在X,Y,X轴上的自由度设置为零。参考相关文献^[9]，对椎体施加5 N· m 纯扭矩，模拟椎体前屈、后伸、左屈、右屈、左旋和右旋6 种运动状态。

2 结果

以单侧固定模型前屈加载为例，模型各结构应力分析结果如图6所示：分别提取两组模型在不同状态下的整体结构最大位移值和椎弓根螺钉、椎体的最大应力值，结果见(表2~5)。通过Excel 软件对以上结果进行对比分析，结果如(图7)所示。由以上分析可见：

(1) 各种工况下，A组模型椎体间位移峰值、螺钉应力峰值右侧屈最大、后伸其次，L4、L5椎体钉道应力峰值后伸最大、右侧屈其次；

(2) 各种工况下，B 组模型椎体间位移峰值后伸最大、左旋其次，螺钉应力峰值、L4椎体钉道应力峰值右旋最大、左旋其次，L5椎体钉道应力峰值左旋最大、右旋其次；

(3)在右侧屈工况下，A组模型位移峰值较B 组增加827.78%，螺钉应力峰值较B 组增加229.5%，L5 椎体应力峰值较B组增加268.3%，增幅最大。后伸工况下，A 组模型L4 椎体应力峰值较B 组增加298.6%，增幅最大；

(4) 两组模型在后伸、侧屈及旋转工况下椎体的应力分布均集中于钉道附近，即钉道应力集中；而前屈工况下椎体应力则集中于前柱，由椎体及椎间融合器承受大部分应力。

3 讨论

自单侧固定融合手术应用于临床后，研究发现其较双侧固定具有较多优势，Park 等[10]指出单侧减压固定椎间融合术后即刻稳定性比正常标本明显增加，同时又避免了双侧坚强固定的远期潜在危险。腰背肌的完整性及神经支配是防止术后发生腰背衰弱综合征和脊柱不稳的重要措施，手术暴露范围小，术后形成的疤痕小，减少了医源性椎管狭窄的发生率^[11~15]。Potter 等^[16]有限元研究显示腰椎融合的单侧固定减压较双侧好。Tuttle 等^[17]研究显示单侧椎弓根螺钉固定椎间融合术获得了良好的疗效。双侧固定需双侧暴露，对单侧症状的患者而言，无症状侧的显露、置钉是对患者的不必要损伤。单侧固定手术虽有较多优势但仍未广泛应用于临床，许多学者对其生物力学特性及适应症存在质疑。

钉棒系统提供稳定是通过螺钉的把持力实现，螺钉的把持力与螺钉、椎体的接触面积，接触面的骨密度正相关。接触面积大小取决于螺钉的直径及置钉深度，接触面的骨密度取决于原有基础骨密度及其继发性变化。同等情况下，当应力超出骨质的正常承受范围后，压应力越大则骨质吸收越快，继而出现骨量减少甚至骨质疏松，导致螺钉松动，如果原本存在骨质疏松，此发展趋势将明显加快。本研究中，单侧固定融合术后椎体钉道应力在后伸与固定侧侧屈工况下较双侧固定增加最多，说明潜在螺钉松动的可能性最大；椎弓根螺钉应力在固定侧侧屈与后伸工况下较双侧固定增加最多，说明潜在疲劳断钉的可能性最大；椎体间位移在固定侧侧屈与后伸工况下较双侧固定增加最多，椎体间位移直接反应节段稳定性，位移大则稳定性差，说明潜在不稳的可能性最大。研究结果显示所有生物力学指标单侧固定组均不同程度高于双侧固定组，单侧固定融合的手术适应症需严格把握，我们建议适用于单节段腰椎间盘单侧突出同时无明显不稳且无明显骨质疏松的病例，术前有明显腰椎不稳、多个节段突出、突出较大需行全椎板切除、双侧均有神经压迫症状、骨质疏松，病人依从性差等不宜作单侧固定。手术中尽量采用相对直径较大的椎弓根螺钉，保证置钉深度，尽量减少对正常结构的破坏尤其未固定侧的稳定结构。手术后需正确的康复功能锻炼指导，病人术后应减少后伸、旋转、侧屈等动作，特别应减少后伸及固定侧侧屈动作，直至椎体间达到骨性融合，可适当延长卧床时间或佩戴保护性支具。双侧固定融合术后的病人在达到椎间骨融合前应减少后伸及旋转运动。

融合器的松动、移位，椎间融合失败需要进行二期手术，否则将导致椎弓根螺钉断裂，对预后有非常重要的影响。单侧固定及双侧固定后融合器承受的压力不同对融合器的松动、下沉发生率及融合率的影响有无明显差异有待进一步研究证实。

人体力学性质复杂，有限元法目前尚未达到与人体完全仿真的程度，离体实验与生理情况下存在差异，难以实现精确的模拟。实验所获结果并不是精确的数值，而是代表一种趋势。人体本身是有组织活性的生命体，处于不断改变的状态，有限元只能反映机体某一时刻的力学特性，不能反应整个过程，有待于以后有更好的实验方法去弥补其缺陷。

【参考文献：略】

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本文刊载于《中国临床解剖学杂志》2016年第34卷第3期，系本平台首发，版权为原作者所有，转载请标明出处。

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来源：医学空间