劉藝，陳金傳，程辰，李虎，呂游，儲朝明，孫鵬浩

(1 連云港市第一人民醫(yī)院，江蘇連云港222000；2 連云港市中醫(yī)院；3 徐州醫(yī)科大學研究生學院)

腰椎不穩(wěn)癥是指由于各種因素引起腰椎運動節(jié)段剛度下降，導致正常生理負荷下腰椎活動范圍超過正常，引起脊柱進行性畸形、神經(jīng)損害等改變，以退行性腰椎不穩(wěn)癥最為多見[1]。隨著脊柱椎間融合器(Cage)和內(nèi)固定材料的日益成熟，后路減壓內(nèi)固定融合術(shù)已成為治療退行性腰椎不穩(wěn)癥的主要方法[2]。然而傳統(tǒng)開放手術(shù)需廣泛剝離椎旁肌肉及周圍組織，易導致術(shù)后腰背肌力量減弱，引發(fā)頑固性疼痛。近幾年，微創(chuàng)理念逐漸深入脊柱外科，經(jīng)皮椎弓根螺釘固定融合術(shù)已逐步受到業(yè)內(nèi)學者青睞。由于常規(guī)雙側(cè)經(jīng)皮椎弓根螺釘固定融合術(shù)存在手術(shù)時間長、費用昂貴、固定過于堅強等缺陷，單側(cè)經(jīng)皮椎弓根螺釘固定融合術(shù)開始被應(yīng)用于臨床。李瑞龍等[3]認為，單側(cè)經(jīng)皮椎弓根螺釘固定融合術(shù)治療胸腰椎骨折可快速矯正后凸畸形，改善神經(jīng)功能，但缺乏相應(yīng)的生物力學研究。有限元分析是把物體整個結(jié)構(gòu)看作有限個單元依靠不同的節(jié)點相互連接而成的幾何實體，每個小單元的力學特性的總體效果可反映出結(jié)構(gòu)的整體力學性能，是一種以能量原理為理論依據(jù)、借助位移法的解題思路、采用矩陣代數(shù)表達方式的研究方法。本研究旨在利用有限元分析方法創(chuàng)建L3～S1椎體節(jié)段模型，分別模擬單側(cè)和雙側(cè)經(jīng)皮椎弓根螺釘固定融合術(shù)，通過比較不同載荷下兩種術(shù)式相鄰節(jié)段椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎弓根螺釘、Cage的應(yīng)力峰值及L4椎體位移情況，探討兩種術(shù)式對固定節(jié)段的穩(wěn)定性及對相鄰節(jié)段的影響，進而為臨床治療退行性腰椎不穩(wěn)癥術(shù)式的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 L3～S1椎體三維有限元模型的建立 選取健康成年男性志愿者1例(27歲，身高172 cm，體質(zhì)量65 kg)，既往無腰椎外傷及腰腿痛病史。采用64排螺旋CT機(美國GE公司)從L3椎體上緣至S1椎體下緣逐層連續(xù)掃描，層厚0.625 mm，將掃描獲得的數(shù)據(jù)以DICOM格式導入有限元分析軟件Mimics 13.0軟件(比利時Materialise公司)，建立L3～S1椎體三維有限元模型，見圖1。

圖1 L3～S1椎體三維有限元模型

1.2 L4～L5椎體單側(cè)及雙側(cè)經(jīng)皮椎弓根螺釘固定融合術(shù)固定模型的建立及網(wǎng)格優(yōu)化 將AutoCAD2007軟件繪制好且存儲為STL格式的4枚椎弓根螺釘(6 mm×55 mm)、2根連接棒(6 mm×50 mm)及1枚Cage(10 mm×15 mm×22 mm)數(shù)據(jù)導入Mimics 13.0軟件，通過旋轉(zhuǎn)、平移，模擬L4～L5椎體單側(cè)(左側(cè))及雙側(cè)經(jīng)皮椎弓根螺釘固定融合術(shù)，建立單側(cè)固定模型M1和雙側(cè)固定模型M2。利用Mimics 13.0軟件中的FEA模塊，對每個模型的各個部分進行面網(wǎng)格的優(yōu)化，然后對模型的各個部分進行非流行裝配合使它們之間有共同的界面，進而結(jié)合面網(wǎng)格的邊長使模型生成體網(wǎng)格。其中M1包括L3～S1椎體、2個椎間盤、2枚椎弓根螺釘、1枚Cage和1根連接棒，共609567個結(jié)點、416092個單元；M2包括L3～S1椎體、2個椎間盤、4枚椎弓根螺釘、1枚Cage和2根連接棒，共627844個結(jié)點、425456個單元。

1.3 模型賦材質(zhì) 在Mimics軟件中利用FEA模塊的material功能，根據(jù)骨骼結(jié)構(gòu)的CT值應(yīng)用相關(guān)經(jīng)驗公式分級定義脊柱骨性結(jié)構(gòu)的彈性模量和泊松比，將最大級別的彈性模量定義為12 000 Mpa以表示皮質(zhì)骨，所有骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的泊松比全部定義為0.29。椎間盤、椎弓根螺釘和Cage的賦材質(zhì)及添加韌帶(棘間韌帶、棘上韌帶、黃韌帶、橫突間韌帶、前縱韌帶、后縱韌帶)在Ansys軟件中完成。模型各結(jié)構(gòu)材料屬性見表1。

表1 椎體三維有限元模型各結(jié)構(gòu)的材料屬性

1.4 不同載荷下相鄰節(jié)段椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎弓根螺釘、Cage的應(yīng)力峰值及L4椎體位移檢測 將S1椎體下表面固定，向L3椎體上表面施加負荷，壓力方向垂直向下，大小相當于成人體質(zhì)量的2/3(50 kg，取500 N)，均勻分布在整個L3椎體上終板；同時在L3椎體上表面施加15 N·m的前屈、后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)力矩，模擬腰椎前屈、后伸、側(cè)屈和旋轉(zhuǎn)等生理活動，測量垂直、垂直+屈曲、垂直+背伸、垂直+左側(cè)屈、垂直+右側(cè)屈、垂直+左旋轉(zhuǎn)、垂直+右旋轉(zhuǎn)等7種力矩載荷下相鄰節(jié)段(L3/L4、L5/S1)椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎弓根螺釘、Cage的應(yīng)力峰值及L4椎體位移。

2 結(jié)果

2.1 不同載荷下相鄰節(jié)段椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值比較 如表2所示，與M1相比，M2不同載荷下相鄰節(jié)段(L3/L4、L5/S1)椎間盤應(yīng)力峰值、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值均升高(P均<0.05)。

表2 不同載荷下相鄰節(jié)段椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值比較

注：與M1相比，△P<0.05。

2.2 不同載荷下椎弓根螺釘、Cage應(yīng)力峰值比較 如表3所示，不同載荷下M1、M2椎弓根螺釘應(yīng)力峰值、Cage應(yīng)力峰值無顯著性差異(P均>0.05)。

表3 不同載荷下椎弓根螺釘、Cage應(yīng)力峰值比較

2.3 不同載荷下L4椎體位移比較 如表4所示，不同載荷下M1、M2 L4椎體位移無顯著性差異(P均>0.05)。

表4 不同載荷下L4椎體位移比較(mm)

3 討論

隨著社會老齡化趨勢日益嚴重，臨床上退行性腰椎不穩(wěn)癥所致腰痛患者不斷增多，重建脊柱矢狀面平衡及恢復脊柱穩(wěn)定性是目前基本治療原則，但常規(guī)腰椎后路減壓植骨融合內(nèi)固定術(shù)有手術(shù)創(chuàng)傷大、出血多、椎旁肌肉韌帶復合體剝離廣泛、術(shù)后臥床時間長及鄰近節(jié)段退變加速等缺陷。近幾年，微創(chuàng)手術(shù)逐漸成為脊柱外科發(fā)展的重要趨勢。Park等[4]比較了微創(chuàng)經(jīng)通道和傳統(tǒng)開放的腰椎后路融合術(shù)的術(shù)后影像資料，發(fā)現(xiàn)椎間隙的撐開和椎體高度的保持上差異無統(tǒng)計學意義，且微創(chuàng)手術(shù)患者術(shù)后恢復快，可早期下床活動。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，本研究模擬的經(jīng)皮椎弓根螺釘固定融合術(shù)具有手術(shù)切口小、出血少、腰骶肌肉剝離范圍小、術(shù)后恢復快等優(yōu)點，符合現(xiàn)代脊柱微創(chuàng)發(fā)展的理念，且單側(cè)入路減少了椎旁肌肉軟組織的損傷，保留了非手術(shù)側(cè)的穩(wěn)定性。

有限元法是數(shù)值計算中的一種離散化方法，是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學和彈性力學等領(lǐng)域中的應(yīng)用。Belytchko等[5]在1973年首次將有限元法應(yīng)用于脊柱生物力學研究；Bay等[6]利用有限元法測量了椎體中的應(yīng)力分布，建模形象生動、精確度高；Chosa等[7]運用有限元法可重復性好和可比性強的特點，對比分析L3～L5節(jié)段后外側(cè)融合術(shù)和后路椎間融合術(shù)的應(yīng)力特點。有限元法不僅能逼真的模仿椎骨、椎間盤，還能將周圍的肌肉、韌帶加入模型，為建立保留肌肉韌帶復合體的經(jīng)皮椎弓根內(nèi)固定模型創(chuàng)造了條件。本研究根據(jù)正常成年人L3～S1椎體CT掃描數(shù)據(jù)，建成了L4～L5節(jié)段椎體單側(cè)和雙側(cè)椎間Cage融合內(nèi)固定的三維有限元模型，使其具有以下特點：①假定L4～L5節(jié)段椎間不穩(wěn)，這樣的骨骼密度與周圍軟組織層次分明，提取方便，層厚設(shè)定為0.625 mm，使信息丟失更小。②建模網(wǎng)格優(yōu)化時，建成M1共609 567個結(jié)點、416 092個單元，M2共627 844個結(jié)點、425 456個單元，比既往文獻報道[8]的腰椎不同融合術(shù)式有限元模型網(wǎng)格劃分更細，結(jié)點、單元更多，計算結(jié)果更準確。③建模中完整添加各節(jié)段周圍韌帶，并賦予其原有生物材料特性，可更真實的模擬L4～L5椎節(jié)段經(jīng)皮椎弓根螺釘內(nèi)固定術(shù)。

在融合椎間節(jié)段的上下相鄰節(jié)段出現(xiàn)的退變稱為鄰近節(jié)段退變[11]。本研究結(jié)果顯示，與M1相比，M2不同載荷下相鄰節(jié)段椎間盤、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值均升高，可見單側(cè)固定更能緩解鄰近節(jié)段的應(yīng)力。多數(shù)學者[12]認為，脊柱內(nèi)固定術(shù)后鄰近節(jié)段代償性活動度增加是導致鄰近節(jié)段退變的主要原因。因此，我們認為單側(cè)固定強度較小，使鄰近節(jié)段代償活動減小，鄰近節(jié)段退變風險也相應(yīng)減小。Shono等[13]也指出，過度堅強的內(nèi)固定可加速鄰近節(jié)段的退變，適當?shù)目刂苾?nèi)固定強度可降低應(yīng)力遮擋效應(yīng)，有利于椎間植骨區(qū)融合。

在椎弓根螺釘應(yīng)力方面，本實驗?zāi)M鈦合金的內(nèi)固定系統(tǒng)，有較好的釘-骨界面，并且彈性模量和泊松比接近人體骨骼的屬性，減少了螺釘?shù)呐まD(zhuǎn)應(yīng)力，增強了螺釘?shù)墓潭◤姸龋軌驕p少螺釘?shù)恼蹟嗦?。我們還發(fā)現(xiàn)，在不同載荷下，單側(cè)經(jīng)皮椎弓根螺釘應(yīng)力值與雙側(cè)比較無明顯差異，表明M1與M2一樣為脊柱重建穩(wěn)定性提供足夠的強度。陳志朋等[10]認為單側(cè)椎弓根釘固定雖比雙側(cè)強度和剛度較小，但已超過正常的腰椎，足以達到椎間融合所需的力學環(huán)境。在椎間Cage應(yīng)力方面，雖然在不同載荷下，M1 Cage應(yīng)力較M2更高，但差異無統(tǒng)計學意義，術(shù)中沒有因為單雙側(cè)固定的不同給椎間Cage帶來很大的差別，因此單側(cè)固定并不影響椎間Cage的應(yīng)力分布。

本研究還通過測量模型的位移來評價不同載荷下脊柱融合節(jié)段的穩(wěn)定性，即測定不同載荷下L4椎體的位移。研究結(jié)果顯示，不同載荷下M1、M2 L4椎體位移情況無顯著性差異，說明無論單側(cè)固定還是雙側(cè)固定，均能為融合提供相同的初始穩(wěn)定性，這與Chen等[14]在體外的生物力學試驗結(jié)果一致。

綜上所述，單側(cè)經(jīng)皮椎弓根螺釘固定融合術(shù)治療退行性腰椎不穩(wěn)癥能夠跟雙側(cè)固定一樣給脊柱融合提供相同的初始穩(wěn)定性，且避免對椎旁肌肉、軟組織的損傷，減少內(nèi)固定物的應(yīng)力遮擋、減少對鄰近節(jié)段退變的影響。因此，我們認為單側(cè)經(jīng)皮椎弓根螺釘固定融合術(shù)理論上是微創(chuàng)經(jīng)椎間孔腰椎間融合固定的較好技術(shù)。但本實驗因為建模技術(shù)不熟練、內(nèi)固定材料與實物的差距等原因，可能會使結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差，有待改進及重復驗證。同時，本實驗為模擬性手術(shù)，需要臨床及標本生物力學的進一步驗證。