蔣帥 劉洋 陳元元 馮勇 袁文

0 引言

腰椎是人體連接上下肢的主要承力組織，也是脊椎蛻變的高發(fā)段。研究顯示，自30歲起人體的腰椎與椎間盤開始退變，超過1/2的成年人存在不同程度的腰痛癥狀。研究腰椎在不同負荷情況下的力學特征，了解椎間盤蛻變的發(fā)病過程或比較不同治療方案對椎間盤退變性疾病的治療效果等是腰椎生物力學的研究熱點[1]。

受限于腰椎的特殊生理結構，研究腰椎生物力學的方法很有限，目前通用的3種方法是制備動物模型、采用尸體試驗及基于有限元法的計算機模擬。動物模型研究的缺陷在于動物與人存在種屬的差異，因此動物研究的數據對人體腰椎研究的參考價值有限；尸體試驗研究的費用較高，加之人體組織結構內部應力難以檢測，因此如何充分挖掘尸體的研究價值仍是個業(yè)界難題。與前兩種方法相比，采用計算機模擬的有限元法(feinite element analysis, FEA)不僅可以收集組織結構內部的應力及位移，還具有時間短、可重復性高及無創(chuàng)等優(yōu)點，越來越廣泛地應用到腰椎生物力學研究領域。

對于椎間盤退變性疾病的治療主要在于恢復后柱功能的腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)，保留退變節(jié)段的正常運動可顯著改善腰椎的運動與復核傳導，避免椎間不穩(wěn)損傷及相鄰節(jié)段退變。隨著各種內固定技術的發(fā)展，最早出現的堅強腰椎內固定系統(tǒng)一度成為治療椎間盤退變性疾病的金標準，盡管該系統(tǒng)可解決退變運動節(jié)段的不穩(wěn)定性，消除了疼痛，但經過長期的隨訪結果顯示，治療后的放射學結果及臨床效果常常不令人滿意，患者滿意率可低達16%，原因在于堅強腰椎內固定系統(tǒng)治療的鄰近節(jié)段的退變加速或內固定失敗。與堅強腰椎內固定系統(tǒng)相比，新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)可重建腰椎退變節(jié)段的穩(wěn)定性，動態(tài)穩(wěn)定改善脊柱節(jié)段的運動與負荷傳導，限制脊柱過度活動，保留固定節(jié)段部分活動，避免鄰近節(jié)段的退變。但對于堅強腰椎內固定系統(tǒng)及新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)在治療椎間盤退變性疾病的療效比較一直存在爭議，如Schulte等[2]研究認為新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)限制了屈伸與側放彎曲運動，Cakir 等[3]認為新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)對腰椎的運動范圍沒影響，但Beastall等[4]研究認為堅強腰椎內固定系統(tǒng)對腰椎的運動范圍沒影響，但新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)存在影響。因此如何評價椎間盤退變性疾病的兩種治療方案具有實際的臨床意義。

有限元模型對理解脊柱及其組成部分做出重要貢獻，有限元模型不但可用于揭示脊柱在健康、疾病以及破壞情況下的生物力學功能及行為，它同樣還能為脊柱內植物的設計和應用提供支持。目前已經有很多關于有限元模型的研究，用于解決治療下腰痛的脊柱內植物的設計問題[5-6]。本研究建立了正常腰椎三維有限元模型，分別對堅強腰椎內固定系統(tǒng)及新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)進行模擬計算分析，為評估和比較堅強腰椎內固定系統(tǒng)及新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)在治療椎間盤退變性疾病提供參考。

1 研究方法

1.1 實驗對象

選擇1位無腰椎畸形、無腰椎疾病及無外傷史的健康男性成年志愿者為研究對象，年齡35歲，身高172 cm，體質量65 kg。采用64排CT薄層掃描腰1椎體到股骨中段。

1.2 軟件環(huán)境

Mimics10.0(醫(yī)學有限元建模)：CT-STL三角網格模型；Geomagic9.0(逆向工程)：STL三角網格模型-實體模型；Hypermesh11.0(有限元前處理)：有限元分析前處理(網格劃分、材料賦值、接觸定義、載荷設定等)；Abaqus6.10(大型有限元分析軟件)：有限元分析及后處理軟件。

1.3 硬件環(huán)境

CT機：日本東芝Aquilion64螺旋CT機；主機：HP Z800高級計算工作站；主處理器：雙4核Intel XeonW56202.4G/8M CPU；物理內存：24G 1333ECC DDR2；儲存設備：900G raid1 15000轉SAS硬盤；圖形處理顯卡：NVIDIA Quadro 4000 專業(yè)圖形卡；計算機操作系統(tǒng)：64位windows 7 計算環(huán)境。

內固定材料：新型鈦合金材料[微創(chuàng)醫(yī)療器械(上海)有限公司]，SINO堅強固定系統(tǒng)(山東威高公司)。

1.4 實驗步驟

1.4.1 正常腰椎三維非線性有限元模型

將64排CT薄層掃描腰1椎體到股骨中段的圖像以通用DICOM3.0格式導出，導入到Mimics10.0(醫(yī)學有限元建模)，轉換成STL格式數據，通過Geomagic9.0逆向工程軟件進行三維幾何重建。運用Hypermesh11.0(醫(yī)學有限元前處理)進行有限元實體模型的網格劃分，連接韌帶。對椎體松質骨、皮質骨、椎間盤及各條韌帶的材料屬性進行賦值，對有限元模型進行邊界設定并加載。

運用Abaqus6.10(大型有限元分析軟件)計算分析，驗證其有效性，得到正常腰椎三維非線性有限元模型。該模型包含腰3—腰5椎體、骶骨、椎間關節(jié)、腰3/腰4、腰4/腰5、腰5/骶1椎間盤，橫突間韌帶(transverse ligament, TL)、后縱韌帶(posterior longitudinal ligament, PLL)、前縱韌帶(anterior longitudinal ligament, ALL)、黃韌帶(ligamentum flavum, LF)、棘突間韌帶(interspinous ligament, ISL)、棘上韌帶(suprapinal strain ligament, SSL)在內的所有韌帶，椎體、終板和間盤相互之間通過網格的共節(jié)點連接，采用2節(jié)點Truss單元模擬韌帶連接，采用非線性面面通用接觸關系模擬小關節(jié)的相互作用。建立的三維非線性有限元模型與正常腰椎解剖結構相同，韌帶及關節(jié)突關節(jié)連接一致，功能上與張加芳等[7]及Cai等[8]的研究中腰椎活動度相當，機械強度上與Kim等[9]在實驗中所得到的腰椎尸體彎曲剛度相當，證實本有限元模型建立成功，可以進一步用作生物力學研究的計算機模擬基礎模型。

1.4.2 腰椎不穩(wěn)損傷三維有限元模型

腰椎不穩(wěn)損傷是腰椎退變疾病中的重要疾病之一，是指腰椎體位正常負荷下，難以保持互相之間的正常位置關系而發(fā)生的病理變化。與正常腰椎相比，如腰4和腰5存在腰椎不穩(wěn)損傷時，腰4和腰5節(jié)段在前屈、后伸、左右側彎及左右軸向旋轉的活動范圍均明顯增大。

應用Hypermesh11.0(有限元前處理)軟件對制作好的正常腰椎三維非線性有限元模型進行操作，對腰椎模型切除腰4和腰5之間的雙側小關節(jié)、腰4下部椎板、腰4/腰5間棘上韌帶、棘間韌帶、黃韌帶及后縱韌帶，制成脊柱失穩(wěn)模型。

1.4.3 新型腰椎動態(tài)內固定系統(tǒng)及堅強腰椎內固定系統(tǒng)三維有限元模型

堅強腰椎內固定系統(tǒng)在于取出病變節(jié)段的異?；顒樱踩雰裙潭ㄆ餍?連接棒)以矯正脊柱畸形，重建脊柱穩(wěn)定性。新型腰椎動態(tài)內固定系統(tǒng)作為非融合技術，由鈦合金椎弓根螺釘、合成聚酯套管及PET繩索組成，設計理念在于加強固定節(jié)段的穩(wěn)定性，改變腰椎運動節(jié)段承載符合的方式，保留脊柱的互動性。本課題設計的腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的CAD模型以IGES格式導入Hypermesh11.0(有限元前處理)，對其進行網格化分，應用六面體網格(圖1)對其進行材料屬性賦值，新型腰椎動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)采用的是超彈性低模量的醫(yī)用鈦合金型材，彈性模量110 GPa。在腰4和腰5上關節(jié)突外緣下方，距離小關節(jié)中心外緣3 mm處為進釘點，向內10°，平行終板方向虛擬植入長度45 mm的U形鈦合金椎弓根螺釘數字化模型，并與動態(tài)棒進行虛擬裝配，將下位椎體的下表面進行位移約束，各個方向保持靜止，在上位椎體的上表面中心節(jié)點施加垂直項下的力，施力范圍為10～200 N，鈦合金型材系統(tǒng)應為50～400 N。同樣的方法可建立堅強腰椎內固定系統(tǒng)的三維有限元模型，植入長度45 mm的堅強內固定數字化模型(圖2)。

圖1 腰椎后路內固定系統(tǒng)六面體網格

圖2 腰椎三維有限元模型

1.4.4 新型腰椎動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)及堅強腰椎內固定系統(tǒng)三維有限元的計算分析

運用Abaqus6.10對建立好的安裝腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的有限元模型和腰椎后路堅強內固定的有限元模型計算分析，分析其在前屈、后伸、左側彎、右側彎、左側扭轉、右側扭轉時的活動度和各部分受力情況。

2 結果

2.1 后伸活動度比較

安裝腰椎后路堅強內固定后，腰4/腰5節(jié)段活動度由4.29°減小到1.11°，腰3/腰4及腰5/骶1節(jié)段活動度由4.39°、4.37°分別增大到4.65°、6.54°。安裝新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)后，腰4/腰5節(jié)段活動度減小到1.61°，較堅強內固定略高，腰3/腰4及腰5/骶1節(jié)段活動度增大到4.47°、6.25°，較堅強內固定略低，見圖3。

圖3 后伸活動度比較

2.2 前屈活動度比較

安裝腰椎后路堅強內固定后，腰4/腰5節(jié)段前屈活動度由2.90°減小到0.91°，腰3/腰4及腰5/骶1節(jié)段活動度由2.73°、3.81°分別增大到3.68°、5.21°。安裝新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)后，腰4/腰5節(jié)段活動度減小到了1.28°，較堅強內固定略高，腰3/腰4及腰5/骶1節(jié)段活動度增大到3.43°、4.86°，較堅強內固定略低，見圖4。

2.3 側彎活動度比較

安裝腰椎后路堅強內固定后，腰4/腰5節(jié)段側彎活動度由3.82°減小到0.40°，腰3/4、腰5/骶1節(jié)段活動度由3.26°、3.41°分別增大到5.77°、5.27°。安裝新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)后，腰4/腰5節(jié)段側彎活動度減小到了1.76°，較堅強內固定略高，腰3/腰4及腰5/骶1節(jié)段活動度增大到4.86°、4.59°，較堅強內固定略低，見圖5。

圖5 側彎活動度比較

2.4 扭轉活動度比較

安裝腰椎后路堅強內固定后，腰4/腰5節(jié)段扭轉活動度由2.38°減小到0.63°，腰3/腰4、腰5/骶1節(jié)段活動度由2.35°、2.25°分別增大到3.18°及3.19°，安裝新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)后，腰4/腰5節(jié)段側彎活動度減小到1.14°，較堅強內固定略高，腰3/腰4及腰5/骶1節(jié)段活動度增大到2.92°和3.00°，較堅強內固定略低，見圖6。

圖6 扭轉活動度比較

2.5 椎間盤最大Mises應力比較

腰4/腰5節(jié)段應用堅強固定和動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的椎間盤Mises最大應力均明顯減小，腰椎后路堅強內固定減小程度大，提示更多應力通過固定物傳遞；鄰近節(jié)段的椎間盤最大應力均增大，腰椎后路堅強內固定增大明顯，提示腰椎后路堅強內固定系統(tǒng)的相鄰節(jié)段椎間盤承受的應力較大，退變的趨勢較小，見圖7～圖10。

圖7 后伸時椎間盤最大Mises應力比較

圖8 前屈時椎間盤最大Mises應力比較

3 討論

椎間盤退變伴不穩(wěn)由Knutsson[10]于1944年首先提出，他描述了X線下椎間盤退變伴隨異常的屈伸滑動，動態(tài)X線下矢狀面滑移超過3 mm即存在節(jié)段不穩(wěn)。Kirkaldy-Willis等[11]于1982年描述了腰椎退變過程以及盤源性疼痛的病理改變，脊柱退變性不穩(wěn)最初起于椎間盤退變，包括椎間盤脫水、纖維環(huán)張力減小。隨后椎間盤高度降低，繼之出現椎間關節(jié)肥大和黃韌帶肥厚，最后出現椎管狹窄和退變性椎體滑脫，這會引起下腰痛的發(fā)生，一定程度影響患者的工作和生活。

20世紀，椎間盤相關性疼痛的手術治療開始于椎間盤切除和減壓，但是并沒有取得良好的臨床效果[12]。與單純減壓相比，減壓加后外側或椎間融合明顯提高患者治療效果。隨后出現了內固定系統(tǒng)，并被廣泛用于融合，其中剛性椎弓根螺釘內固定系統(tǒng)的出現，更是大大提高了融合的成功率。在過去的50年里，堅強內固定和融合成為外科治療退變性腰椎間盤疾病的主流，達成了融合治療共識。但系統(tǒng)性Meta分析研究評價顯示，腰椎融合的滿意率低至16%。堅強內固定系統(tǒng)導致鄰近節(jié)段應力增加，誘導鄰近節(jié)段退變。鑒于堅強內固定物加融合存在缺陷，人們研究如何避免堅強內固定對穩(wěn)定節(jié)段和鄰近節(jié)段的反面作用，在不影響穩(wěn)定性的情況下載荷分擔和可控的活動[13]。大量臨床研究認為腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)可通過維持活動度，控制椎間異?；顒?，使通過脊柱運動單元上下結構的重力傳遞更加接近生理性載荷傳遞，達到消除疼痛的目的[14]。

本研究參考相關文獻[15-16]采用有限元分析并設計了新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)，對于內固定橋接腰4/腰5節(jié)段,應用新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)和堅強內固定系統(tǒng)后，與正常腰椎節(jié)段相比，兩套系統(tǒng)腰椎的屈伸、側屈、軸向旋轉方向上的活動度均明顯減小，但堅強內固定系統(tǒng)的活動度減小更明顯，新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的活動度更接近于正常腰椎節(jié)段，同時兩套系統(tǒng)的腰4/腰5椎間盤最大應力均減小，但堅強內固定系統(tǒng)的活動度減小更明顯。新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)活動度更接近于正常腰椎節(jié)段，原因在于動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)通過壓縮力對抗和彈性張力來分擔脊柱各節(jié)段的負荷，保留被限制節(jié)段屈伸范圍的同時不會增加纖維環(huán)后方與小關節(jié)的應力。對于鄰近節(jié)段腰3/腰4、腰5/骶椎1，兩套系統(tǒng)在屈伸、側屈、軸向旋轉方向上的活動度均有所增大，但堅強內固定系統(tǒng)的活動度增加更明顯，新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)鄰近節(jié)段活動度更接近于正常腰椎節(jié)段。

由此可見，新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)在屈伸、側屈、軸向旋轉方向明顯降低了間盤內壓力的變化，較合理地承載了間盤載荷。另外，腰椎退行性疾病的常見病變節(jié)段也是腰5/骶椎1，給予堅強內固定治療，少數患者術后可發(fā)生內固定移位或脫落，可能與堅強內固定造成的活動度顯著增大相關，由此進一步驗證了新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)具有力學性能優(yōu)勢。兩套系統(tǒng)的鄰近節(jié)段椎間盤最大應力均增大，但堅強內固定系統(tǒng)增大更明顯，新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)更接近于正常腰椎節(jié)段；兩套系統(tǒng)的鄰近節(jié)段的小關節(jié)應力峰值增大，新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)小關節(jié)應力增大較小，更接近正常腰椎模型?？梢姡c堅強內固定系統(tǒng)相比，新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)可以較理想地恢復失穩(wěn)節(jié)段在各個方向活動范圍，使之符合腰椎正常生理活動特性，實現較好的動態(tài)固定效果。本研究結果與文獻報道類似[17]。

目前的腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)存在松動、植入物疲勞失敗、椎間盤突出復發(fā)、腰椎不穩(wěn)、不能延緩鄰近節(jié)段退變及很高的再手術率等各種問題[18]，主要原因在于后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的抗疲勞性能差，難以有效分擔載荷及手術適應證過寬等。同時本文也存在以下不足。

(1)盡管有限元模型是基于醫(yī)學數據基礎上發(fā)展起來，且近年來不斷更新迅速，但與人體模型的差異還較大，軟件自身的短板致使結果可靠性仍有待大量臨床案例考證。

(2)套管的長度與置入節(jié)段的運動相關，較長的套管可促進固定節(jié)段的運動范圍與三維運動螺旋軸接近正常水平，但套管長度受限于最大允許值，本研究沒有探討不同套管長度的比較研究。

4 結論

新型腰椎后路動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)對比堅強內固定系統(tǒng)能夠使失穩(wěn)節(jié)段的活動更加接近于正常，減小鄰近節(jié)段的活動度增加，減小鄰近節(jié)段椎間盤及小關節(jié)壓力，說明新型腰椎動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)達到設計要求。