陳小龍 海涌 關(guān)立 劉玉增

慢性下腰痛是骨科常見(jiàn)病，其主要病因是腰椎間盤(pán)退變。臨床常用的治療方法是稱(chēng)為“金標(biāo)準(zhǔn)”的腰椎融合術(shù)，但融合后的腰椎喪失了活動(dòng)度，不能達(dá)到正常腰椎的功能，相鄰節(jié)段退變是其常見(jiàn)的并發(fā)癥之一，發(fā)生率達(dá)34%[1]。而腰椎間盤(pán)置換術(shù)是將病變的椎間盤(pán)切除，代之以人工椎間盤(pán)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是術(shù)后能保留椎間活動(dòng)度，短期隨訪顯示能減少甚至消除相鄰節(jié)段退變的發(fā)生[2]。人工椎間盤(pán)置換在去除引起下腰痛的椎間盤(pán)的同時(shí)，也保留和恢復(fù)了椎間盤(pán)的正常解剖結(jié)構(gòu)和功能，從理論上來(lái)說(shuō)是更好的治療方法。大量關(guān)于腰椎人工椎間盤(pán)的臨床試驗(yàn)研究[3-6]和生物力學(xué)及有限元分析實(shí)驗(yàn)[7-9]證實(shí)了人工椎間盤(pán)技術(shù)的發(fā)展前景。

1973 年 Belytschko 等[10]將有限元分析法首次應(yīng)用于脊柱生物力學(xué)研究。近 20 余年有限元法在腰椎人工椎間盤(pán)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用日益廣泛與深入，大量研究顯示椎間盤(pán)假體臨床效果良好，但有關(guān)人工椎間盤(pán)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用仍有待改進(jìn)[11-13]。三維有限元法通過(guò)模擬人工椎間盤(pán)假體在體狀態(tài)及單純實(shí)物實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)力學(xué)特性，從而反映人工椎間盤(pán)在生理及病理過(guò)程中的力學(xué)變化?，F(xiàn)就近年來(lái)有限元法研究腰椎人工椎間盤(pán)力學(xué)性質(zhì)的新進(jìn)展及其臨床意義綜述如下。

一、有限元法的基本原理

有限元法又稱(chēng)有限元素法 ( finite element method，F(xiàn)EM )，是數(shù)值計(jì)算中的一種離散化方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的發(fā)展和應(yīng)用。其基本原理是將一個(gè)由無(wú)限個(gè)質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成并且有限個(gè)自由度的連續(xù)體劃分成有限個(gè)小單元體所組成的集合體。單元之間以節(jié)點(diǎn)相連。單元之間的相互作用力通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞，稱(chēng)節(jié)點(diǎn)力。每個(gè)單元的物質(zhì)特性及節(jié)點(diǎn)載荷、邊界條件明確后，通過(guò)節(jié)點(diǎn)、位移與節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系式計(jì)算出每個(gè)單元的剛度矩陣。若干個(gè)單元的剛度矩陣集合成構(gòu)件的總剛度矩陣，并通過(guò)數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來(lái)[14]。由于脊柱在解剖結(jié)構(gòu)、材料性能及負(fù)荷分布等方面的復(fù)雜性，以往的實(shí)驗(yàn)方法如電測(cè)法、光彈法等，難以獲得全域性信息；而采用有限元法，在脊柱外科生物力學(xué)研究中具有實(shí)驗(yàn)方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：( 1 ) 它可根據(jù)需要產(chǎn)生無(wú)數(shù)個(gè)各種各樣的標(biāo)本，同一個(gè)標(biāo)本在虛擬計(jì)算中可進(jìn)行無(wú)數(shù)次加載或組合而不會(huì)被損壞，標(biāo)本也可以進(jìn)行修正以模擬任何病理狀態(tài)；( 2 ) 可以很逼真地建立具有生物力學(xué)材料特性的三維結(jié)構(gòu)模型；模型化也可以提供實(shí)驗(yàn)不能得到的正常生理信息，例如椎間盤(pán)和椎骨的應(yīng)力分布；( 3 ) 得到的結(jié)果不受實(shí)驗(yàn)條件影響；( 4 ) 可用數(shù)學(xué)形式對(duì)試件的各種性能、條件進(jìn)行概括，可重復(fù)計(jì)算，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，可通過(guò)改變其中任一參數(shù)以觀察其對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響，從而解釋脊柱在生理及病理過(guò)程中的力學(xué)變化。

早在 1956 年 Van Steen brugghe[15]就提出了人工椎間盤(pán)的概念并注冊(cè)了專(zhuān)利，但在 17 年后才由 Urbaniak 等[16]報(bào)告了第 1 例植入黑猩猩體內(nèi)的椎間盤(pán)假體。從那時(shí)起，許多椎間盤(pán)假體的概念被不斷提出并申請(qǐng)專(zhuān)利，人工椎間盤(pán)保留椎間高度及椎體活動(dòng)度等優(yōu)勢(shì)受到廣泛的關(guān)注，其技術(shù)被廣泛運(yùn)用。臨床隨訪證實(shí)效果明顯[17-18]，但是隨訪時(shí)間的延長(zhǎng)，顯示其存在假體陷入椎體、環(huán)狀骨化、假體脫位等并發(fā)癥[19]，人工椎間盤(pán)的設(shè)計(jì)和植入技術(shù)面臨挑戰(zhàn)。隨著三維有限元法在脊柱生物力學(xué)方面的應(yīng)用，腰椎人工椎間盤(pán)技術(shù)在植入部位、假體型號(hào)選擇等相關(guān)技術(shù)難題有了新的解決辦法。

二、腰椎人工椎間盤(pán)有限元模型的建模方法

1. 常用的有限元分析軟件：目前國(guó)內(nèi)常用的有限元軟件有 ANSYS、MARC、ABAQUS、MSCNASTRAN、ALGOR等，每個(gè)軟件的算法基本相同，但各有優(yōu)點(diǎn)。ANSYS 軟件是美國(guó) ANSYS 公司開(kāi)發(fā)的大型通用有限元分析軟件，它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，能進(jìn)行建模、求解和后處理等靜力學(xué)分析[20]；MARC 軟件是處理高度組合非線性結(jié)構(gòu)等問(wèn)題的高級(jí)有限元軟件，尤其在模擬橡膠等高分子材料時(shí)，可以取得較好的結(jié)果[21]，ABAQUS 軟件偏重對(duì)非線性材料力學(xué)問(wèn)題的求解[22]。MSCNASTRAN 模塊齊全，功能也較強(qiáng)大。

2. 腰椎人工椎間盤(pán)有限元模型的構(gòu)建：脊柱有限元模型構(gòu)建需要兩方面數(shù)據(jù)：( 1 ) 椎體真實(shí)的幾何學(xué)形態(tài)，通常從腰椎 CT 掃描圖形獲得，也可以從實(shí)體測(cè)得；( 2 )椎體骨組織和連接椎體軟組織的材料物理特性。從獲取物體空間數(shù)據(jù)的手段上來(lái)說(shuō)，可以有幾種方法：( 1 ) 幾何建模：根據(jù)物體的幾何形狀及尺寸構(gòu)建模型，方法簡(jiǎn)單快捷，對(duì)于表達(dá)復(fù)雜及細(xì)微的結(jié)構(gòu)不足；( 2 ) 三維建模法：對(duì)腰椎人工椎間盤(pán)模型進(jìn)行掃描等方法進(jìn)行測(cè)量，獲取三維數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中建成三維模型；( 3 ) 圖像建模：這是目前最為常用的方法。用 Digital Imaging and Commun-ications in Medicine 軟件，即 DICOM 為存儲(chǔ)格式的圖像處理軟件，直接讀入 CT 機(jī)輸出的數(shù)據(jù)文件，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，而且還可以改善 CT 圖像質(zhì)量。DICOM 文件提供了非常精細(xì)的組織密度信息。近年來(lái)有學(xué)者結(jié)合CT 三維影像重建技術(shù)和三維有限元分析技術(shù)，通過(guò) CT三維影像重建技術(shù)直接建立腰椎人工椎間盤(pán)三維有限元模型[3-6,11-13]。

三、有限元法在腰椎人工椎間盤(pán)中的應(yīng)用

長(zhǎng)期隨訪結(jié)果顯示融合腰椎的鄰近節(jié)段椎間盤(pán)也發(fā)生退變，近年來(lái)臨床開(kāi)始運(yùn)用人工椎間盤(pán)置換替代椎間融合，但人工椎間盤(pán)作用是否能替代椎間融合手術(shù)，還需要大量的臨床隨訪和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證，其中生物力學(xué)研究對(duì)人工椎間盤(pán)置換術(shù)具有重要意義，其不僅能幫助假體的研制，同時(shí)能檢測(cè)椎間盤(pán)置換后，假體對(duì)脊柱功能單位的影響。目前，生物力學(xué)方面研究主要集中在測(cè)試假體對(duì)手術(shù)節(jié)段的活動(dòng)度及壓力的影響，研究方法主要包括實(shí)驗(yàn)測(cè)試和有限元分析。Rohlmann 等[23]建立了 L1～5的三維非線性有限元模型，在 L3～4間隙整合入 Prodisc2 人工椎間盤(pán)三維有限元模型。結(jié)果顯示人工椎間盤(pán)的植入位置及其高度能明顯影響椎間活動(dòng)度，保存兩側(cè)的間盤(pán)組織能使人工椎間盤(pán)取得與正常間盤(pán)相似的椎間活動(dòng)度，重建前縱韌帶可以幫助恢復(fù)脊柱生物力學(xué)穩(wěn)定性。Le Huec 等[24]結(jié)合標(biāo)本實(shí)驗(yàn)和建立 L1～S1的長(zhǎng)節(jié)段三維有限元模型，并將模擬成L4～5整合 Maverick 人工椎間盤(pán)假體，結(jié)果顯示合適的假體和正確的植入位置將影響植入節(jié)段小關(guān)節(jié)和相鄰節(jié)段小關(guān)節(jié)的受力情況。Grauer 等[25]建立 L3～S1的三維非線性有限元模型，并將其模擬成 L4～5整合人工椎間盤(pán) L5～S1整合椎間融合內(nèi)固定模型和兩間隙都整合人工椎間盤(pán)模型，來(lái)比較二者生物力學(xué)上的不同。結(jié)果顯示，雙人工椎間盤(pán)有比較大的活動(dòng)度。兩組模型中，L3～4水平的活動(dòng)度變化基本上在同一個(gè)水平上，不同之處在于在雙人工間盤(pán)中活動(dòng)度是下降的，而在融合加人工間盤(pán)中是上升的，這種變化可能產(chǎn)生的影響仍須在臨床和實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步研究。

Lund 等[26]及 Dooris 等[27]分別以脊柱短節(jié)段模型進(jìn)行了研究，其得出的結(jié)論中，對(duì)臨床較有意義的一點(diǎn)：術(shù)中人工椎間盤(pán)于椎間盤(pán)的位置放置可調(diào)節(jié)該段脊柱的屈伸程度及脊柱后柱部分所承擔(dān)的載荷，所以術(shù)中應(yīng)該綜合考慮這些因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的術(shù)后效果。Cunningham 等[28]應(yīng)用負(fù)荷控制法，對(duì)離體脊柱標(biāo)本進(jìn)行三維受力分析，測(cè)定椎間盤(pán)置換術(shù)后的手術(shù)節(jié)段椎間活動(dòng)度及腰椎活動(dòng)中心軸，結(jié)果表明椎間盤(pán)置換術(shù)后，手術(shù)節(jié)段能達(dá)到正常椎間盤(pán)的活動(dòng)度，腰椎活動(dòng)軸與正常腰椎基本保持一致；并對(duì)腰椎間盤(pán)置換的患者進(jìn)行臨床隨訪，結(jié)果證明腰椎間盤(pán)置換術(shù)能恢復(fù)正常脊柱活動(dòng)度[29]。有學(xué)者對(duì)正常人和腰椎間盤(pán)置換術(shù)的患者進(jìn)行研究，應(yīng)用動(dòng)態(tài)放射學(xué)檢查，發(fā)現(xiàn)腰椎椎間盤(pán)置換術(shù)后，其腰椎活動(dòng)度明顯增大[30]。Goel等[31]應(yīng)用離體標(biāo)本力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合有限元分析的方法，測(cè)試手術(shù)節(jié)段椎間活動(dòng)度、小關(guān)節(jié)壓力、相鄰節(jié)段椎間活動(dòng)度、椎間隙壓力、小關(guān)節(jié)壓力等，結(jié)果顯示椎間盤(pán)置換術(shù)后，手術(shù)節(jié)段活動(dòng)良好，小關(guān)節(jié)壓力與正常組相比明顯降低，提示人工椎間盤(pán)置換術(shù)能恢復(fù)脊柱正常生理功能，以上實(shí)驗(yàn)是在預(yù)負(fù)荷為零狀態(tài)下測(cè)定的。人體在生理狀態(tài)下，脊柱具有一定的預(yù)負(fù)荷，有學(xué)者對(duì)椎間盤(pán)置換術(shù)后在生理狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn) Charite SB III 假體能很好地保留椎間活動(dòng)度[32]。Rundell 等[33]根據(jù)生物力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)，建立了 L3～4有限元模型，并應(yīng)用有限元方法，對(duì)腰椎間盤(pán)置換術(shù)進(jìn)行了力學(xué)分析，但該研究未測(cè)試相鄰節(jié)段小關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化。

以上工作均是在椎間盤(pán)假體位置正常狀態(tài)下進(jìn)行的研究，而假體位置偏移對(duì)脊柱功能有何影響方面的研究報(bào)道較少。有學(xué)者對(duì) Charite 假體在不同的位置固定進(jìn)行了力學(xué)分析[34]，研究結(jié)果表明假體不同位置的固定對(duì)手術(shù)節(jié)段小關(guān)節(jié)的應(yīng)力改變不大，但并未研究相鄰節(jié)段椎間隙內(nèi)壓力、小關(guān)節(jié)內(nèi)壓力的變化，且其研究是在手術(shù)節(jié)段活動(dòng)度相同的狀況下進(jìn)行的，而有研究表明活動(dòng)度與脊柱的功能有密切的相關(guān)性，手術(shù)節(jié)段的活動(dòng)度相同，小關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化可能不大，假體位置異?？蓪?dǎo)致手術(shù)節(jié)段活動(dòng)度改變，因此將椎間活動(dòng)度作為定值，其研究存在著不足。

四、有限元法在人工椎間盤(pán)應(yīng)用中存在的問(wèn)題和對(duì)其未來(lái)的展望

較常見(jiàn)的腰椎力學(xué)性質(zhì)研究方法有動(dòng)物模型、物理模型和尸體模型，以及最新發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)有限元分析模型。每種都存在自身的優(yōu)越性及一定局限性：動(dòng)物模型可以監(jiān)測(cè)生理反應(yīng)，但由于動(dòng)物不是直立行走，其腰椎結(jié)構(gòu)功能與人類(lèi)的不同，因此結(jié)果不可能完全解答人類(lèi)脊柱的特有的問(wèn)題；物理模型由于缺乏幾何和材料特性的生物逼真度，其應(yīng)用非常有限；尸體模型在幾何結(jié)構(gòu)和材料特性方面具有優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果對(duì)生物力學(xué)方面的可利用價(jià)值最高。外科手術(shù)也可以用這些模型來(lái)評(píng)價(jià)，但其缺乏生物力學(xué)的變化，并且實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高，取材困難，可重復(fù)性較低等，使其應(yīng)用受到限制。有限元模型可進(jìn)行脊柱動(dòng)力學(xué) ( 載荷下的脊柱運(yùn)動(dòng) )、運(yùn)動(dòng)學(xué) ( 椎體間運(yùn)動(dòng) ) 和脊椎及椎間盤(pán)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變等各種研究，具備以下優(yōu)勢(shì)：可以研究椎體內(nèi)部的應(yīng)力，對(duì)探索骨適應(yīng)性變化和骨質(zhì)疏松的成因有很大意義；可以模擬活體發(fā)生的真實(shí)現(xiàn)象 ( 骨和軟組織的適應(yīng)性變化，融合對(duì)鄰近節(jié)段的影響 )；可以模擬肌肉和韌帶對(duì)脊柱力學(xué)的影響；對(duì)損傷、退變、腫瘤等多種疾病進(jìn)行模擬；促進(jìn)脊柱手術(shù)的設(shè)計(jì)方案不斷的改進(jìn)和提高；有助于新的脊柱器械的評(píng)價(jià)。

但是有限元模型也有其局限性，比如模型的構(gòu)建，不同模型間模型外形和材質(zhì)的定義不同，有限元模型存在許多簡(jiǎn)化和假設(shè)，在設(shè)置一個(gè)腰椎人工椎間盤(pán)有限元模型時(shí)腰椎和人工椎間盤(pán)假體的幾何形態(tài)首先被簡(jiǎn)化，以簡(jiǎn)單的構(gòu)件來(lái)近似真實(shí)的幾何形狀，椎體的精確形狀和相鄰椎體的空間關(guān)系對(duì)預(yù)測(cè)接觸應(yīng)力有關(guān)鍵的作用，但這些形狀和空間是從有限的標(biāo)本中獲得的近似值或者是從有限的 CT斷層片測(cè)得，有限元模型必須對(duì)復(fù)雜成分的材料的力學(xué)性能作簡(jiǎn)化假設(shè)。除此外還有負(fù)荷加載不同等。同時(shí)為了驗(yàn)證模型的有效性，通常從文獻(xiàn)中查找合適的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停延?jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，吻合度好的說(shuō)明模型有效性佳，最終數(shù)學(xué)模型能解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但作獨(dú)立的預(yù)測(cè)作用有限。雖然理論上有限元法適用于任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但在腰椎人工椎間盤(pán)生物力學(xué)研究中仍有許多問(wèn)題待解決。

人們對(duì)組織力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)及有限元分析軟件在國(guó)內(nèi)外不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，不但促進(jìn)了有限元技術(shù)的發(fā)展，而且推動(dòng)著腰椎人工椎間盤(pán)生物力學(xué)向更深入發(fā)展。目前，腰椎人工椎間盤(pán)有限元模型尚有一定的局限性，需要與一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較、驗(yàn)證。與體外實(shí)驗(yàn)相比而言，有限元分析有本身的優(yōu)缺點(diǎn)，體外實(shí)驗(yàn)對(duì)一些周?chē)浗M織的力量模擬存在一定的困難，同時(shí)大多數(shù)的對(duì)應(yīng)力的估計(jì)只是通過(guò)骨表面的應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)，而無(wú)法對(duì)骨內(nèi)部的應(yīng)力進(jìn)行估算，這些問(wèn)題利用有限元分析能得到一定的彌補(bǔ)，因此，只有將有限元分析和體外實(shí)驗(yàn)兩者有效的結(jié)合起來(lái)，才能彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)將優(yōu)點(diǎn)更凸顯，這樣的研究工作才更有意義。

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