楊明杰， 曾　誠， 李立鈞， 潘　杰， 郭　松， 譚　軍

(同濟大學附屬東方醫(yī)院脊柱外科，上?！?00120)

目前，腰椎融合術仍為治療腰椎退變性疾病的最常用術式[1]，臨床上達到的共識是盡可能保留后方的張力結構，減小附加創(chuàng)傷，可以保證術后短期的穩(wěn)定性以及長期的融合率。本研究設計的椎間孔外腰椎椎體間融合術(extraforaminal lumbar interbody fusion, ELIF)，術中只切除增生內聚的上關節(jié)突，而保留下關節(jié)突及其后方附著軟組織，較之傳統(tǒng)的經椎間孔椎體間融合術(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF)更加完整地保留后方結構，提高腰椎術后即刻穩(wěn)定性[2-4]。本研究建立了正常L3～L5的三維有限元模型，并在此基礎上建立了采用不同內固定融合方式的有限元模型，測量前屈、后伸、左右側屈及左右旋轉各工況下模型的穩(wěn)定性、椎弓根螺釘連接棒上的應力及各種固定融合方式對于鄰近節(jié)段的影響，為臨床應用提供理論力學依據。本研究比較ELIF手術與傳統(tǒng)經典TLIF手術在各種內固定條件下的腰椎運動節(jié)段的穩(wěn)定性。

1　資料與方法

1.1　建立三維有限元模型

健康成年男性志愿者1例(26歲，身高172cm，體質量67kg)，既往無腰椎疾病史，拍攝腰椎X線片排除腰椎病變。用64排螺旋CT機從L3上終板至L5下終板進行連續(xù)掃描，層厚3mm，以通用DICOM 3.0格式讀入醫(yī)學有限元建模軟件Simpleware 2.0，建立L3～L5的三維幾何模型。利用有限元軟件Hypermesh，采用合適的單元類型和材料性質，對模型進行有限元網格劃分，將各部位材料的彈性模量、泊松比等材料系數及特征值輸入模型[5-9]，見表1，完成人正常L3～L5節(jié)段有限元模型(INT)的建立，見圖1。

表1　有限元模型各部分材料力學參數

1.2　建立不同融合內固定模型

將IGES格式的椎弓根螺釘系統(tǒng)與椎間融合器(DePuy spine,美國強生公司)圖像文件導入Hyperm-esh，根據以下要求分別對ELIF組與TLIF組進行有限元網格劃分。兩組螺釘彈性模量為110000MPa，泊松比為0.3。椎間融合器為子彈頭型融合器，尺寸為9mm×11mm×27mm，彈性模量為3700MPa，泊松比為0.25。螺釘直徑6.0mm，長45mm。ELIF組融合器與矢狀面成80°，從右側斜行置入椎間隙內。TLIF組融合器與矢狀面成45°，從右側斜行置入椎間隙內。利用三維重建軟件分別建立正常標本對照組(C組)，單邊固定ELIF(E1組)，單邊固定TLIF(T1組)，雙邊固定ELIF(E2組)，雙邊固定TLIF(T2組)，單邊固定ELIF+對側經椎板關節(jié)突螺釘內固定(E3組)，單邊固定TLIF+對側經椎板關節(jié)突螺釘內固定(T3組)。試驗模型的設計完全按臨床手術方法： E1，去除L5上關節(jié)突，切除L4～L5間隙全部髓核及右后2/3纖維環(huán)，保留后方的棘上韌帶、棘間韌帶、棘突及左側結構，于L4、L5右側椎弓根各置入1枚螺釘(螺釘的入點選擇上關節(jié)突與橫突轉折部中點，角度約與矢狀面呈45°)；T1，去除L4下關節(jié)突及L5上關節(jié)突，切除L4～L5間隙全部髓核及右后2/3纖維環(huán)，保留后方的棘上韌帶、棘間韌帶、棘突及左側結構，于L4、L5右側椎弓根各置入1枚螺釘(螺釘的入點選擇人字嵴的頂點，角度約與矢狀面呈30°)；T2減壓范圍同T1，于L4、L5雙側椎弓根各置入2枚螺釘(置釘方法同T1)；E2為雙邊固定ELIF；E3減壓范圍同E1，于L4、L5右側椎弓根各置入1枚螺釘，并經椎板置入對側關節(jié)突螺釘；T3為單邊固定TLIF并經椎板置入對側關節(jié)突螺釘，見圖2和圖3。

圖1　正常腰椎L3～L5三維有限元建模Fig.1　3D-finite element models of normal lumbar

圖2　ELIF的三維有限元建模Fig.2　3D-finite element model of ELIFA： 單邊固定， B： 雙邊固定， C： 單邊+關節(jié)突螺釘固定

圖3　TLIF三維有限元建模Fig.3　3D-finite element model of TLIFA： 單邊固定， B： 雙邊固定， C： 單邊+關節(jié)突螺釘固定

1.3　加載和記錄方法

將L5椎體的下表面全固定，在L3椎體上表面施加面載荷，壓力方向垂直向下，均勻分布在整個L3椎體的上終板。對模型所施加的載荷為400N，運動附加力為6N·m。進入Abaqus 6.10，在腰椎前屈、后伸、左右側屈及左右旋轉六種工況下進行計算。主要觀察指標有： (1) L4～L5活動范圍(range of motion, ROM)，用節(jié)段角位移表示，測量L4、L5上表面最前點、最后點、最左點、最右點共4點的空間位置坐標連接成線，各線間夾角代表相鄰兩椎體上表面間的夾角，加載前后夾角差值的絕對值即為L4～L5節(jié)段角位移。(2) 以應力云圖的形式表示各工況下椎弓根螺釘連接棒及上位椎間盤的應力。(3) 記錄L3～L4活動范圍，用L3～L4節(jié)段角位移表示。

1.4　統(tǒng)計學方法

2　結　　果

2.1　模型有效性驗證

整個L3～L5三維非線性有限元模型包括皮質骨殼、松質骨核心、后部結構(包括關節(jié)突關節(jié))、椎間盤(基質、膠原纖維和髓核)和7種韌帶，共14種材料。模型總共含124528個單元、49235個節(jié)點。定義好模型的約束和載荷條件后，在腰椎前屈、后伸、左右側屈及左右旋轉六種工況下，計算L4～L5節(jié)段角位移。結果表明正常腰椎有限元模型在不同工況下L4～L5節(jié)段角位移與Vadapalli等[10]、陳志明等[11]的有限元研究結果基本一致，見圖4。認為本模型在一定條件下有效，可以應用于臨床和試驗研究。

圖4　本實驗所用模型與正常模型的比較Fig.4　Comparison of different models

2.2　L4～L5活動范圍

單側椎弓根螺釘固定時E1組與T1組活動度均較正常模型C組明顯減小。當E1組與T1組相比時，E1組各工況下的活動度小于T1組，尤以左側屈及右旋時明顯。這可能是由于在E1組中，減壓側保留的部分上關節(jié)突能夠與下關節(jié)突相關節(jié)，限制了腰椎的左側屈及右旋，使得穩(wěn)定性有所提高，另外在E1組中，螺釘的外傾更大，也有助于穩(wěn)定性的提高。當E1組與T2組相比時，E1組活動度明顯高于T2組，這表明即使ELIF單邊固定較傳統(tǒng)TLIF單邊固定穩(wěn)定性明顯提高，但是仍無法達到經典TLIF雙邊固定的穩(wěn)定性。在E1組基礎上輔以對側經椎板關節(jié)突螺釘固定的E3組各工況下的活動度，較E1組的活動度明顯減小，并且在試驗載荷范圍內與T2相比未見明顯差異，見表2。

表2　各模型在不同工況下L4～L5節(jié)段角位移

2.3　L3～L4活動范圍

4試驗組L3～L4節(jié)段的活動度與正常對照組相比無明顯差異，這表明無論采用椎弓根螺釘固定或椎弓根螺釘固定輔以對側經椎板關節(jié)突螺釘固定，均不會對鄰近椎體間的活動造成明顯影響，見表3。

表3　各模型在不同工況下L3～L4節(jié)段角位移

2.4　ELIF及TLIF有限元模型椎弓根螺釘連接棒及椎間融合器的應力分析

ELIF組及TLIF組連接棒上的最大應力集中部位在釘帽結合處，而且近端應力大于遠端；單側椎弓根螺釘固定時各工況下的連接棒應力大于雙側椎弓根螺釘固定，見圖5。比較E1組與T1組連接棒應力時，E1組應力小于T1組，尤以右側屈時明顯，見圖6。這是因為在ELIF組中所保留的下關節(jié)突能夠分擔連接棒上的部分應力，所以，理論上看ELIF組斷棒的概率較TLIF組偏低。在單側椎弓根螺釘固定的基礎上輔以對側經椎板關節(jié)突螺釘，連接棒的應力較單側固定時減小。腰椎模型前屈后伸時，上位椎間盤纖維環(huán)的最大應力出現在其前部；左側彎時，最大應力出現在其左半部分；右側彎時，最大應力出現在其右半部分；椎弓根螺釘固定組與完整組并無明顯差異。當比較ELIF與TLIF的融合器所受的應力時，兩組在各工況下無明顯差異，因融合器的作用在于前柱支撐，后柱結構的保留對其應力影響不大，見圖7。

圖5　單邊固定ELIF(A)及雙邊固定ELIF(B)之連接棒的應力比較Fig.5　Comparison of load share in rod between unilateral(A) and bilateral ELIF(B)

圖6　單邊固定ELIF(A)與單邊固定TLIF(B)的連接棒的應力比較Fig.6　Comparison of load share in rod between unilateral ELIF(A) and TLIF(B)

圖7　單邊固定ELIF(A)與單邊固定TLIF(B)的融合器的應力比較Fig.7　Comparison of load share in cage between unilateral ELIF(A) and TLIF(B)

3　討　　論

腰椎退變性疾病主要表現為腰椎間盤突出癥、腰椎管狹窄癥，該病已成為腰腿痛的最常見原因[12-14]。研究[1]表明，腰椎融合術已成為保守治療無效的腰椎病的重要治療手段。腰椎融合術包括減壓、固定、融合三大內容。減壓是解除患者癥狀的關鍵步驟；固定以提供術后的即刻穩(wěn)定性，便于早期活動，避免臥床并發(fā)癥；而融合則是長期效果的保障。腰椎管狹窄癥包含了中央椎管狹窄和側方椎管狹窄兩種類型，對于側方椎管狹窄，椎間隙高度降低、椎間盤突出特別是上關節(jié)突的相對內聚、增生肥大是最主要的原因。相對于PLIF手術，TLIF手術對側方椎管的減壓具有更好的針對性，但是為了達到手術目的首先切除了與病變無關的下關節(jié)突。因為下關節(jié)突在大多數情形下不涉及椎管，不參與椎間孔區(qū)域結構構成，切除下關節(jié)突的惟一目的是為切除上關節(jié)突創(chuàng)造視野和空間條件，所以切除入路必經的下關節(jié)突屬于無效創(chuàng)傷[15-16]，破壞了脊柱穩(wěn)定性。因此，常規(guī)TLIF手術均需要輔以后方雙側椎弓根螺釘固定，以提高術后即刻穩(wěn)定性。然而，雙側椎弓根螺釘固定使得手術時間及出血增加，神經損傷風險增加，手術費用加大。近年來，TLIF單邊固定成為研究熱點[10,17-19]，但是在該技術中，Sluckv等[20]的生物力學研究表明，單側椎弓根螺釘的固定強度僅有雙側椎弓根螺釘固定時的一半；而且由于其固有的不對稱，使得抗旋轉力較差，容易出現應力集中；另外，單側內固定有造成側凸及內固定失效的風險[21]。在保證手術療效的基礎上，本著更加微創(chuàng)、更加穩(wěn)定的原則，本研究設計了ELIF手術，其手術理念即是在TLIF入路的基礎上繼續(xù)向外側延伸，將下關節(jié)突旋出視野，完全暴露上關節(jié)突，就可以在不切除下關節(jié)突的基礎上切除上關節(jié)突，對側方椎管進行有效的減壓，進而實現椎間融合。ELIF手術較TLIF手術的優(yōu)點在于： 最大程度保留了后方結構、下關節(jié)突及其背側關節(jié)囊以及附著的韌帶、肌肉組織，對保證脊柱術后即刻穩(wěn)定性優(yōu)勢明顯。此外，ELIF的手術入路決定了術中植入椎間融合器的外傾角度較傳統(tǒng)入路加大(例如本模型的椎間融合器的植入角度為80°，能夠有效避免TLIF手術植入單側椎間融合器不對稱的問題[22]，提高穩(wěn)定性，防止沉降；同時由于手術入路偏外，椎弓根螺釘的入點可以較常規(guī)TLIF更加偏外，加大螺釘的外傾角度，增加穩(wěn)定性。為明確以上穩(wěn)定性的增加能否使得ELIF手術單邊固定成為可能，本試驗構建了不同內固定條件下的有限元模型，并將經典TLIF雙邊固定模型的穩(wěn)定性作為參照。該模型數據分析表明，ELIF單邊固定后，各工況下的穩(wěn)定性均優(yōu)于TLIF單邊固定，其中尤以左側屈及右旋時明顯；但明顯弱于TLIF雙邊固定模型。這點提示，ELIF單邊固定后即使其穩(wěn)定性較TLIF單邊固定有所提高，但仍無法達到雙側固定時的穩(wěn)定性。因此，不論TLIF與ELIF均存在單邊固定失穩(wěn)的可能。此時，當在ELIF單邊固定的基礎上，輔以對側經椎板關節(jié)突螺釘時，其活動度均較ELIF單邊固定時明顯減小，與經典TLIF雙邊固定模型相比活動度無明顯差異。該結果提示ELIF單邊固定加用對側經椎板關節(jié)突螺釘可以明顯提高穩(wěn)定性，而且其穩(wěn)定性與雙側椎弓根螺釘固定相當，因此該技術滿足融合手術所需的穩(wěn)定性要求。近年來，為避免常規(guī)腰椎融合術(PLIF與TLIF)的創(chuàng)傷較大的弊端，融合方法的改進頗多，如ALIF和XLIF分別采用前方入路和側方入路[23-24]，完全保留了后方結構，具有明顯微創(chuàng)優(yōu)勢；但是該兩種手術目前只能對后方椎管及神經根管進行間接減壓，手術適應證相對較窄。而ELIF較ALIF和XLIF，則可以進行更有效的直接減壓操作，且手術范圍局限在脊柱外科醫(yī)生熟悉的后方入路，避免了經前路手術及側路手術的并發(fā)癥，增加手術的安全性、可靠性。此外，ELIF單邊固定輔以對側經椎板關節(jié)突螺釘，僅需單側切開皮膚，既能完成減壓，融合過程又可以固定對側關節(jié)突，提高術后即刻穩(wěn)定性，手術創(chuàng)傷更小，出血更少，美容效果更佳。因此，該手術能夠成為一種更加有效的微創(chuàng)腰椎融合術。然而，ELIF也有其一定的局限性： 由于其暴露范圍小，術中切除的骨性結構較少。減壓的范圍較傳統(tǒng)術式(TLIF和PLIF)相對較小。隨著手術技巧的提高，其減壓范圍可以達到椎管中線。另外，對于L5～S1側方椎管狹窄，由于髂骨的遮擋，使得手術操作難以完成。

Park等[25]關于腰椎鄰近節(jié)段退變(adjacent segment degeneration, ASD)的研究認為，內固定可能是ASD早期發(fā)展的危險因素。但本研究通過分析不同手術組L3～L4椎間盤的活動度和纖維環(huán)的最大應力，發(fā)現各內固定組并沒有增加L3～L4的活動度及椎間盤的應力。Adams等[26]研究表明，退變的椎間盤，其應力分布高度不規(guī)則，纖維環(huán)特別是后外側部位應力明顯升高。退變椎間盤即使較小的活動度變化也可能導致明顯的應力升高，加速其退變。然而，對于健康沒有退變的椎間盤，其分布應力是基本均勻的，活動度的變化不會導致應力的明顯升高，因此，本試驗未出現固定后L3～L4椎間盤應力的增加。

本研究存在的不足： (1) 是對模型進行部分簡化和材料特性的理想化，雖然這些簡化都是在合理的前提下進行的，但是不可避免對模型的計算結果產生一定影響，所得的結果并不是精確的數值，而是代表一種趨勢。(2) 未建立包括椎旁肌肉在內的全腰椎模型，僅選取了其中2個腰椎的運動節(jié)段，不能完全模擬ELIF與TLIF的軟組織環(huán)境。(3) 受條件所限，研究僅停留在三維幾何模型分析，對尸體標本的生物力學研究將在后期開展。