摘要：目的應(yīng)用三維有限元模型對全椎板切除術(shù)后回植鈦板固定進(jìn)行生物力學(xué)性能分析。方法選取一個有代表性的健康成年志愿者（男，35歲），采用General Electrics 64層螺旋CT對已經(jīng)選定的對象進(jìn)行螺旋掃描及斷層圖像處理，用CT圖像和Mimics軟件建立T12-L4椎體三維模型，模擬L1，L2，L3逐節(jié)椎板切除，并分別模擬椎板回植，鈦板內(nèi)固定治療方法，將三種模型導(dǎo)入到有限元分析軟件Abaqus，施加約束和載荷分別加載260N壓力和10NM扭矩，模擬三種模型在不同工況下的椎體位移和應(yīng)力傳導(dǎo)情況，以及鈦板的應(yīng)力分布情況。結(jié)果1、椎板切除后的椎體整體剛度最小，位移最大；正常椎體的剛度最大，位移最?。蛔刁w回植后剛度處于他們之間，其中椎板切除后對于前屈、后伸以及旋轉(zhuǎn)動作的影響較大。2、椎板切除后，椎體應(yīng)力增加；回植鈦板后椎體應(yīng)力減少，而鈦板偏椎體處的部分比偏椎板的部分應(yīng)力要大。結(jié)論從生物力學(xué)研究角度來看，雖然椎板回植鈦板固定可以降低全椎板切除術(shù)后的不穩(wěn)，但是同樣無法恢復(fù)到術(shù)前的穩(wěn)定性；鈦板的應(yīng)力也集中在關(guān)節(jié)突部位。因此有待于進(jìn)一步對鈦板進(jìn)行改進(jìn)，從而形成堅(jiān)固有效的內(nèi)固定。

關(guān)鍵詞：腰椎；椎板切除；椎板回植：鈦板固定；有限元目前，對于椎管內(nèi)腫瘤，完整切除腫瘤，恢復(fù)脊柱的穩(wěn)定性已經(jīng)成為脊柱脊髓外科治療的兩項(xiàng)基本原則[1-2]。國內(nèi)外對腰椎椎管內(nèi)腫瘤多采用全椎板切除及固定治療，雖然對于腫瘤的切除較完整，但是術(shù)后腰椎的活動度降低，腰椎功能明顯下降[3]。因此有學(xué)者提出了包括鈦鋼板固定在內(nèi)的椎板成形術(shù)，即能完整摘除腫瘤，又保留了脊柱的穩(wěn)定性和椎管的完整性，同時避免了醫(yī)源性椎管狹窄癥的發(fā)生[4-5]。然而國內(nèi)外均缺少腰椎椎板切除后復(fù)位鈦鋼板內(nèi)固定對脊柱穩(wěn)定性影響的生物力學(xué)研究。本文為此通過有限元分析進(jìn)行生物力學(xué)系統(tǒng)研究，為臨床手術(shù)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1資料與方法

1.1一般資料①根據(jù)國人解剖學(xué)數(shù)值選取一個有代表性的健康成年男性志愿者，35歲，身高175cm，體重73kg；②General Electrics 64層螺旋CT機(jī)；③計(jì)算機(jī)工作站；④圖像處理軟件Mimics10.0(Materialise's interactive medicalimage control system 10.0)；⑤有限元分析軟件MSC.PATRAN 2005、ABAQUS。

1.2方法與步驟

1.2.1建立T12-L4椎體三維模型包括螺旋CT掃描、CT圖像處理及保存和胸腰段三維圖像的重建。正常脊柱胸腰段三維有限元模型已經(jīng)建立起來。完整的脊柱胸腰段三維有限元模型包括共424244個四面體單元，6212個六面體單元，658個桿單元，總計(jì)共95191個結(jié)點(diǎn)。

1.2.2椎板切除及回植鈦板固定的幾何模型和有限元模型的建立在正常椎體模型的基礎(chǔ)上模擬臨床手術(shù)情況，分別建立L1-L2-L3椎板切除和回植鈦板固定的椎體實(shí)體模型，并在此基礎(chǔ)上建立有限元模型.

1.2.3賦予各結(jié)構(gòu)材料學(xué)參數(shù)：其中各部位的彈性模量及泊松比選擇文獻(xiàn)公認(rèn)的資料。

1.2.4模型的約束和加載計(jì)算采取固定L4腰椎底面所有結(jié)點(diǎn)平移自由度，終板和椎體骨之間采用tie約束，保證椎體骨和終板不分離，椎體骨的力通過終板和椎間盤傳遞，在T12胸椎上表面施加均勻分布的垂直向下的人體上身重力，約260N，模擬人體中立位時的工況，并在中立位的基礎(chǔ)上，施加10Nm的力矩，模擬椎體前屈、后伸、左彎、右旋運(yùn)動，分析胸腰段椎骨骼的位移和應(yīng)力傳導(dǎo)情況。

2結(jié)果

本文根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果首先提取了正常、L1-L2-L3椎板切除、椎板回植鈦板固定術(shù)后的胸腰段中立位、前屈、后伸、左彎、右旋的位移數(shù)據(jù)，作為術(shù)后椎體穩(wěn)定性的對比分析，位移越小，表明術(shù)后椎體的剛度越大。另外對于各種固定器械及椎體的受力分布及最大應(yīng)力同樣做對比分析，比較各種固定方式的應(yīng)力傳導(dǎo)和應(yīng)力遮擋情況，為臨床手術(shù)固定后效果的評定提供參考。

2.1椎體的位移分析不同固定方式的椎體位移分布見圖1，圖中椎體的顏色對用圖左上側(cè)的數(shù)值，顏色越偏向紅色一方，說明此處位移越大，相反，椎體顏色越偏向藍(lán)色一側(cè)，說明此處位移越小。各種固定方式的最大位移值見表1。

2.2統(tǒng)計(jì)分析方法獲取位移圖中位移較大區(qū)域即紅色區(qū)域中的10個單元的位移值，求其平均值，從結(jié)果可知，椎板切除后的椎體整體剛度最小，正常椎體的剛度最大，椎體回植后剛度處于他們之間，其中椎板切除后對于前屈、后伸以及旋轉(zhuǎn)動作的影響較大。

2.3應(yīng)力分析 對椎板切除及回植固定后的椎體進(jìn)行分析見圖2，圖3，圖中椎體的顏色對用圖左上側(cè)的數(shù)值，顏色越偏向紅色一方，說明此處應(yīng)力值越大，相反，椎體顏色越偏向藍(lán)色一側(cè)，說明此處應(yīng)力越小。

對椎體和鈦板的應(yīng)力進(jìn)行分析，因椎體骨偏脆性材料，故采用工程常用的最大主應(yīng)力進(jìn)行分析，而鈦板為韌性材料，故采用Mises應(yīng)力進(jìn)行分析。從結(jié)果中可知，回植后椎體應(yīng)力增加，而鈦板偏關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)處的部分比偏椎板的部分應(yīng)力要大。

3討論

椎管內(nèi)腫瘤約占神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的10%~15%。脊柱脊髓外科手術(shù)治療不僅僅需要完整切除腫瘤，還要恢復(fù)脊柱的穩(wěn)定性。為了充分暴露并達(dá)到腫瘤的完整切除，手術(shù)通常需要切除全椎板，切除韌帶，棘上韌帶及棘間韌帶，咬除兩側(cè)的椎板，有時還需要咬除部分關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，因此傳統(tǒng)脊髓腫瘤切除后，必然留下較大的骨性結(jié)構(gòu)的缺損。

由于腰椎在三維空間活動中，會產(chǎn)生相應(yīng)節(jié)段的應(yīng)變，位移，轉(zhuǎn)角或扭角。如果后部結(jié)構(gòu)破壞較多，勢必導(dǎo)致相應(yīng)節(jié)段力學(xué)指標(biāo)的變化，增大了腰椎移位，使脊柱處于失穩(wěn)狀態(tài)。由于腰椎后部結(jié)構(gòu)的切除，使得腰椎前部結(jié)構(gòu)只能繞髓核而運(yùn)動，就象球軸承關(guān)節(jié)一樣發(fā)生隨意的傾斜，扭轉(zhuǎn)，椎體平滑剪切等，更進(jìn)一步造成腰椎的不穩(wěn)定，引發(fā)腰椎滑脫。因此大量破壞脊柱的后路結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致脊柱出現(xiàn)過度或異常運(yùn)動，術(shù)后脊柱穩(wěn)定性將明顯下降。

但就臨床而言，行椎板切除是從后方顯露硬膜囊，切除椎管內(nèi)腫瘤的必要條件。有報(bào)道椎板切除后脊柱不穩(wěn)定的發(fā)生率成人20%，兒童更是高達(dá)45%。手術(shù)后遠(yuǎn)期的“鵝頸畸形”，腰椎滑脫等更將導(dǎo)致脊髓神經(jīng)的功能障礙。因此如何保持脊柱生物力學(xué)的穩(wěn)定性，已經(jīng)成為神經(jīng)外科和骨科醫(yī)生關(guān)注的焦點(diǎn)。

有些學(xué)者考慮通過堅(jiān)強(qiáng)的后路內(nèi)固定，甚至前后聯(lián)合固定達(dá)到穩(wěn)定脊柱，保護(hù)神經(jīng)的目的。但是內(nèi)固定后固定節(jié)段活動度下降，脊柱退變增加，后期并發(fā)癥也較多。因此為了即維持脊柱的穩(wěn)定性，又保證脊柱的正?；顒佣龋鶕?jù)Denis的脊柱三柱理論概念，目前國內(nèi)外均主張?jiān)谇谐[瘤的同時，必須還納取下的椎板并進(jìn)行恰當(dāng)?shù)闹补莾?nèi)固定。

McCormick PC等研究認(rèn)為頸椎椎板切除術(shù)后椎板復(fù)位，用鈦板鈦釘固定的椎板成形術(shù)能有效增強(qiáng)脊柱的穩(wěn)定性。由于關(guān)節(jié)、韌帶能很好的保留，椎板又復(fù)位，所以脊柱的穩(wěn)定性得到維持，對后期脊柱的穩(wěn)定性和脊柱功能保留較好。因此在頸椎椎管成形的手術(shù)中，國內(nèi)外研究者較多采用鈦板鈦釘固定的椎板成形術(shù)，而且術(shù)后效果滿意。

對于腰椎椎管內(nèi)腫瘤國內(nèi)外多采用后路全椎板切除，然而術(shù)后出現(xiàn)椎管內(nèi)疤痕增生對神經(jīng)形成的再壓迫，并造成了二次手術(shù)的困難；術(shù)后出現(xiàn)脊柱不穩(wěn)，脊柱畸形等并發(fā)癥。因此為了預(yù)防這些并發(fā)癥的發(fā)生，各種椎管成形術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。尤其是其中受頸椎椎板成形術(shù)的啟發(fā)利用鈦板鈦釘固定椎板的椎板回植成形術(shù)得到了初步的應(yīng)用，并且臨床隨訪發(fā)現(xiàn)該術(shù)式既保留了脊柱原有的后路結(jié)構(gòu)和椎管的完整性，又避免了因疤痕增生而導(dǎo)致的醫(yī)源性椎管狹窄癥的發(fā)生，同時又能防止脊柱不穩(wěn)和脊柱畸形的發(fā)生。

然而目前國內(nèi)外研究者僅是通過臨床的隨訪來證實(shí)該術(shù)式的優(yōu)點(diǎn)，但卻缺乏相應(yīng)的生物力學(xué)測試。

本生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著全椎板的逐節(jié)切除，椎板切除越多，最大位移就越大，椎體所受最大主應(yīng)力也越大，勢必引起腰椎失穩(wěn)。同時實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，采用椎板回植，鈦鋼板固定能使椎體位移，所受最大主應(yīng)力部分恢復(fù)到正常標(biāo)本生物力學(xué)性能水平，而且鈦板回植后發(fā)現(xiàn)鈦板偏關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)處的部分比偏椎板的部分應(yīng)力要大。實(shí)驗(yàn)證明，該椎板回植鈦板固定有助于提高脊柱的穩(wěn)定性，有助于提高脊柱抗壓，抗彎，抗剪和抗旋轉(zhuǎn)能力，有助于臨床癥狀的改善和脊柱功能的恢復(fù)。

但本研究仍有待于進(jìn)一步的理論分析，尤其是鈦板形態(tài)的再設(shè)計(jì)，有利于應(yīng)力的進(jìn)一步分散，避免內(nèi)固定的斷裂失效。

參考文獻(xiàn)：

[1]Love JG:Laminectomy for the removal of spinal cord tumors[J].J Neurosurg，1966，25:116–121.

[2]Wiedemayer H，Sandalcioglu IE，Aalders M，et al.Reconstruction of the laminar roof with miniplates for a posterior approach in intraspinal surgery: technical considerations and critical evaluation of follow-up results[J].Spine，2004，29:E333–E342.

[3]McGirt MJ，Garcés-Ambrossi GL，Parker SL，et al.Short-term progressive spinal deformity following laminoplasty versus laminectomy for resection of intradural spinal tumors:analysis of 238 patients[J].Neurosurgery，2010，66(5):1005-1012.

[4]Hirabayashi K，Watanabe K，Wakano K，et al.Expansive open-door laminoplastyfor cervical spinal stenotic myelopathy[J].Spine ，1983，8:693–699.

[5]Kawai S，Sunago K，Doi K，et al.Cervical laminoplasty (Hattori's method).Procedure and follow-up results[J].Spine，1988，13:1245–1250.編輯/王敏