楊永宏，鄭杰，樓肅亮，張冬生

（解放軍第117醫(yī)院骨一科，浙江 杭州 310013）

退變性腰椎側(cè)彎是目前臨床骨科較為常見的脊柱退變性疾病，發(fā)病多見于50歲以上人群，有些患者因同時存在全身其他疾患，手術僅將緩解癥狀作為目的，從而選擇了創(chuàng)傷相對較小的單節(jié)段或雙節(jié)段減壓植骨內(nèi)固定術，然而術后鄰近節(jié)段是否會發(fā)生退變、退變程度及對側(cè)彎發(fā)展的影響等卻不得而知，本文即利用有限元分析的方法對單節(jié)段和雙節(jié)段內(nèi)固定+椎間融合術治療退變性腰椎側(cè)彎術后鄰近節(jié)段的生物力學變化進行研究。

1 資料與方法

1.1 一般資料 一例退變性腰椎側(cè)彎患者，女性，55歲，主訴“腰痛伴間歇性跛行半年余”，腰椎正側(cè)位片提示側(cè)彎冠狀面Cobb角10.8°，腰椎MRI提示：L4-5椎間盤突出、椎管狹窄，L3-4椎間盤突出，L1-2-3、L5-S1椎間盤退變。

圖1 a X線片正位提示側(cè)彎冠狀面Cobb角10.8°

圖1 b X線片側(cè)位提示L4椎體向前滑移，腰椎前凸角24.4°

圖1 c MRI提示L4椎體向前滑移，L4-5椎間盤突出、椎管狹窄，L3-4椎間盤突出，L1-2-3、L5-S1椎間盤退變

1.2 治療方法

1.2.1 三維有限元模型的建立 通過SOMATOM SENSATION 16螺旋 CT機對患者的T12、完整腰椎L1-L5、S1上段脊柱進行掃描，層厚0.75 mm，獲取連續(xù)胸腰椎各層的二維CT圖像383張，圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式刻錄存盤，導入 E-feature Biomedical Modeler軟件，重建出T12-S1段高精度的三維實體模型，并直接將實體模型自動轉(zhuǎn)換生成有限元網(wǎng)格模型，根據(jù)退變性腰椎側(cè)彎的病理特點賦予模型特定的材料屬性[1，2]，建立三維有限元模型（圖2）。模型總計157635個單元，197374個節(jié)點。

1.2.2 固定融合術的模型設計及釘棒系統(tǒng)的模擬

根據(jù)患者的臨床表現(xiàn)及影像學特點設計固定融合術式，具體為：

單節(jié)段固定融合術：去除L4棘突、全椎板、部分關節(jié)突，行L4椎體提拉復位，L4-5椎間融合＋4枚椎弓根螺釘固定；

雙節(jié)段固定融合術：去除 L3、4棘突、全椎板、部分關節(jié)突，行L4椎體提拉復位，L3-4-5椎間融合＋L3-5節(jié)6枚椎弓根螺釘固定。

在E-feature Biomedical Modeler中建立椎弓根螺釘和連接棒的幾何模型，然后生成四面體單元，螺釘?shù)闹睆綖?.5 mm，連接棒的直徑為 6.5 mm。螺釘、連接棒采用各向同性鈦質(zhì)，彈性模量100000 MPa，，泊松比，0.3。螺釘與骨界面采用面－面接觸擬，摩擦系統(tǒng)為0.8[3]。根據(jù)臨床椎弓根螺釘置入方法（關節(jié)突外緣垂線與橫突中點水平線的交點為進釘點）置入螺釘，如圖3所示。

圖2 T12-S1段完整的退變性腰椎側(cè)彎三維有限元模型

圖3 單、雙節(jié)段椎管減壓＋椎間植骨融合＋椎弓根螺釘內(nèi)固定術的有限元模型

1.2.3 模型的邊界條件與加載 約束S1椎體和棘突底面上所有節(jié)點平移和轉(zhuǎn)動共六個自由度，將各方向完全約束固定。分前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)6種情況分別以節(jié)點載荷的形式分10個子步加載力矩載荷10 N.m。

1.3 統(tǒng)計學分析 各項數(shù)據(jù)通過SPSS 17.0統(tǒng)計軟件，進行定量資料的t檢驗進行分析。

2 結果

2.1 術后模型在各種工況下的脊柱活動度

單節(jié)段固定組前屈時的活動度達到 47.7°，是術前模型（35.49°）的 1.34倍，比正常腰椎前屈 45°還大，但總的脊柱活動度與術前模型比較無統(tǒng)計學差異。雙節(jié)段固定組的活動范圍較術前模型及單節(jié)段固定組均有所減小，且兩兩比較具有統(tǒng)計學差異。

表1 單－雙節(jié)段固定融合術后及術前模型的脊柱活動度比較統(tǒng)計表

2.2 固定相鄰節(jié)段活動度變化值與模型最大活動范圍的比值

即用固定相鄰節(jié)段的活動度變化值除以模型的最大活動度。比如在L4-L5上進行椎弓根螺釘內(nèi)固定，則用（L3的活動度－L4的活動度）除以模型的最大活動度，以觀察固定相鄰節(jié)段的相對活動度變化程度，比值越大，說明相鄰節(jié)段活動度越大?？梢钥闯鰞煞N內(nèi)固定融合術均可增加固定鄰近節(jié)段的活動度，以單節(jié)段固定融合組明顯，但兩組比較無統(tǒng)計學差異。

表2 單－雙節(jié)段固定融合術后固定相鄰節(jié)段活動度變化值與模型最大活動范圍的比值

2.3 術后模型在各種工況下相鄰節(jié)段椎間盤的應力分布

可以看出兩種方法固定術后鄰近節(jié)段椎間盤應力均有所集中，以鄰近上節(jié)段明顯，且單節(jié)段固定組大于雙節(jié)段固定組，兩者比較有統(tǒng)計學差異；而兩者對相鄰下節(jié)段椎間盤應力變化無統(tǒng)計學差異。旋轉(zhuǎn)運動時對鄰近上節(jié)段椎間盤應力影響較大，后伸運動時對鄰近下節(jié)段椎間盤應力影響較大。

表3 單－雙節(jié)段固定融合術后固定相鄰上節(jié)段椎間盤應力比較統(tǒng)計表（MPa）

表4 單－雙節(jié)段固定融合術后固定相鄰下節(jié)段椎間盤應力比較統(tǒng)計表（MPa）

2.4 術后模型在各種工況下相鄰節(jié)段關節(jié)突關節(jié)軟骨的應力分布

可以看出兩種方法固定術后對固定相鄰下節(jié)段關節(jié)突關節(jié)軟骨的應力影響較大，對相鄰上節(jié)段影響相對較小，但單－雙節(jié)段固定融合術對關節(jié)突關節(jié)軟骨的影響無統(tǒng)計學差異。旋轉(zhuǎn)運動時對鄰近上節(jié)段關節(jié)突關節(jié)軟骨應力影響較大，旋轉(zhuǎn)、側(cè)彎運動時對鄰近下節(jié)段關節(jié)突關節(jié)軟骨應力影響相對較大。

表5 單－雙節(jié)段固定融合術后固定相鄰上節(jié)段關節(jié)突關節(jié)軟骨的應力比較統(tǒng)計表（MPa）

表6 單－雙節(jié)段固定融合術后固定相鄰下節(jié)段關節(jié)突關節(jié)軟骨的應力比較統(tǒng)計表（MPa）

3 討論

退變性腰椎側(cè)彎是脊柱發(fā)育完成到成年以后由于退變而導致的新的側(cè)彎，對于其手術治療目前國內(nèi)外仍無統(tǒng)一、固定的標準，對于手術入路、固定、融合節(jié)段等均存在很多爭議[4]。因其發(fā)病人群多為高齡，且有許多患者的癥狀是由于腰椎間盤突出或腰椎管狹窄[5，6]所致，故退變性腰椎側(cè)彎的手術以緩解腰腿痛作為主要目的[7，8，9]，而創(chuàng)傷較小的短節(jié)段內(nèi)固定融合術（本文以單，雙節(jié)段固定融合術作為研究對象），僅對椎間盤突出或椎管狹窄的節(jié)段進行了1～2個椎間隙減壓、固定，因為手術解除了神經(jīng)根的壓迫，近期效果比較明顯，但通過本研究來看，術后固定鄰近節(jié)段的生物力學也同時發(fā)生了重大變化，對鄰近節(jié)段的力學研究可進一步了解術后退變性側(cè)彎的進展及預后，以評判短節(jié)段固定融合術是否適合退變性腰椎側(cè)彎的治療。

本文通過單－雙節(jié)段內(nèi)固定融合術后脊柱活動度、椎間盤壓力、鄰近關節(jié)突軟骨壓力的有限元分析可以看出，固定融合術后鄰近節(jié)段的活動度有代償性增大，且相鄰節(jié)段椎間盤及關節(jié)突關節(jié)的應力均有所增高，從而可加重鄰近節(jié)段椎間盤及關節(jié)突關節(jié)的退變。對于固定融合的相鄰上節(jié)段或下節(jié)段哪里更容易發(fā)生退變，不同的學者研究得出不同的結論。有學者認為上方鄰近節(jié)段常比下方鄰近節(jié)段更易發(fā)生退變[10]，上方相鄰節(jié)段的發(fā)生率為25.5%，下方相鄰節(jié)段僅為2.6%[11]；Yashuior[12]的研究則表明，在下方相鄰節(jié)段受到的壓力更為集中，更容易出現(xiàn)退變。從本文的研究來看，退變性腰椎側(cè)彎行單－雙節(jié)段內(nèi)固定融合術后均可造成固定相鄰上下節(jié)段的椎間盤應力增加，但對固定相鄰上節(jié)段椎間盤的影響大于下方，且旋轉(zhuǎn)運動時對鄰近上節(jié)段椎間盤應力影響較大，后伸運動時對鄰近下節(jié)段椎間盤應力影響較大；而對固定相鄰節(jié)段關節(jié)突關節(jié)軟骨的應力則以固定相鄰下節(jié)段較為明顯，且以旋轉(zhuǎn)、側(cè)彎運動時表現(xiàn)明顯，而旋轉(zhuǎn)運動時對鄰近上節(jié)段關節(jié)突關節(jié)軟骨應力影響較大。有研究認為，由于短節(jié)段固定融合術對側(cè)彎的矯形效果有限，術后由于側(cè)彎的存在，鄰近節(jié)段不對稱的應力集中，可導致正位椎間角的進行性增大[13]，從而產(chǎn)生多米諾效應，更加重鄰近節(jié)段椎間盤及關節(jié)突關節(jié)的退變，形成惡性循環(huán)導致側(cè)彎的發(fā)展；且短節(jié)段固定術式多為解除椎間盤突出或椎管狹窄節(jié)段的神經(jīng)壓迫，固定多位于側(cè)彎的頂椎附近，對側(cè)彎的進展無明顯阻滯作用，因此為了防止短節(jié)段固定融合術后退變性側(cè)彎的進展，最好減少脊柱的旋轉(zhuǎn)運動，以減少旋轉(zhuǎn)應力帶來的鄰近節(jié)段椎間盤及關節(jié)突關節(jié)的退變加重。

對于鄰近節(jié)段退變與融合節(jié)段相關性的問題，普遍認為融合節(jié)段越長，相鄰運動節(jié)段應力越集中，越容易出現(xiàn)退變。然而從本文的研究來看，就固定融合術后脊柱的活動情況來看，雙節(jié)段固定融合組的活動范圍較術前模型及單節(jié)段固定組均有所減小，說明的確隨著固定節(jié)段的增多，脊柱的活動范圍有所減小，但從固定相鄰節(jié)段活動度變化值與模型最大活動范圍的比值來看，單節(jié)段固定融合組的比值卻高于雙節(jié)段固定融合組，單節(jié)段固定組前屈時的活動度達到 47.7°，比正常腰椎前屈45°還大，說明了單節(jié)段固定融合組更能增加鄰近節(jié)段的活動范圍。另外從固定融合節(jié)段對鄰近節(jié)段椎間盤應力的影響來看，單節(jié)段固定融合組對固定鄰近上節(jié)段椎間盤應力的影響也大于雙節(jié)段固定組，但對關節(jié)突關節(jié)軟骨的影響單－雙節(jié)段固定融合組無明顯差異。因此來看，單節(jié)段固定融合似乎比雙節(jié)段固定融合更能促進退變性腰椎側(cè)彎固定鄰近節(jié)段的退變發(fā)生，但隨著固定節(jié)段的增多，其發(fā)生規(guī)律是否發(fā)生變化仍需進一步探討和研究。

總之，以單，雙節(jié)段固定融合術為代表的短節(jié)段固定融合術治療退變性腰椎側(cè)彎，短期可帶來良好的手術效果，但由于術后增加了鄰近節(jié)段活動度、鄰近節(jié)段椎間盤及關節(jié)突關節(jié)的應力集中，可造成鄰近節(jié)段的退變加重，有可能導致側(cè)彎的進一步發(fā)展，然而側(cè)彎發(fā)展與臨床癥狀及需要再次手術干預的比率等仍需要進一步的臨床研究。

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