陳政宇 李學(xué)林 晏怡果

0 引言

腰椎椎間融合術(shù)(lumbar interbody fusion，LIF)是脊柱外科常見的手術(shù)之一?，F(xiàn)如今多采用多孔鈦?zhàn)甸g融合器作為手術(shù)材料，該材料既有一定的機(jī)械剛度，又對腰椎的負(fù)荷較小[1-2]。但無論融合器材料如何更新變化，因手術(shù)入路方式的不同，還是會對術(shù)后結(jié)果有一定影響。臨床上常用以下4種術(shù)式的LIF：前路腰椎間融合術(shù)(anterior lumbar interbody fusion ，ALIF)、后路腰椎間融合術(shù)(posterior lumbar interbody fusion ，PLIF)、直接外側(cè)腰椎間融合術(shù)(direct lateral lumbar interbody fusion ，DLIF)和經(jīng)椎間孔入路腰椎間融合術(shù)(transforaminal lumbar interbody fusion ，TLIF)。對于不同入路的LIF，融合器植入的方式以及周圍組織的處理也不相同，最終治療效果也存在一定差異。已有的研究對于不同入路的手術(shù)分析不夠全面，大多的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)僅有兩種入路對比，欠缺完整性[3-4]。立足于此，本文通過有限元模型的建立，對比不同入路椎間融合術(shù)中腰椎融合器的生物力學(xué)性能，旨在對其進(jìn)行生物力學(xué)性能評估對比，為臨床提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 幾何模型構(gòu)建

(1) 器材模型：本次研究的融合器均選用多孔鈦合金材質(zhì)采用3D打印技術(shù)制作，設(shè)備為EOSINT M280(EOS GmbH公司，德國)。根據(jù)4種不同入路制作椎間融合器模型，包括ALIF椎間融合器、PLIF椎間融合器、TLIF椎間融合器以及DLIF椎間融合器。

(2) 三維幾何模型：腰椎有限元模型的建立圖像均由同一名健康女性所提供(體質(zhì)量53 kg，身高162 cm)，將所得CT圖像導(dǎo)入到Mimics10軟件中進(jìn)行幾何模型的建立。有限元的分析以及計(jì)算主要通過ABAQUS6軟件進(jìn)行。椎體應(yīng)包括皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和腰椎后部結(jié)構(gòu)，皮質(zhì)骨厚度1.0 mm，終板厚度為0.5 mm。椎間盤結(jié)構(gòu)應(yīng)包括纖維環(huán)和髓核。韌帶包括前縱韌帶(ALL)、后縱韌帶(PLL)、黃韌帶(LF)、棘間韌帶(ISL)、棘上韌帶(SSL)、橫突間韌帶(ITL)和關(guān)節(jié)囊(膠囊)韌帶(CL)。

(3) 三維有限元模型：建立在三維幾何模型的基礎(chǔ)上，通過三維幾何模型、椎間融合器模型、相對應(yīng)椎體三者之間的整合，形成ALIF-cage模型、PLIF-cage模型、TLIF-cage模型和DLIF-cage模型[5-7]。

ALIF-cage模型：將預(yù)先打印好的ALIF椎間融合器從前路植入L3～4椎間隙，用椎弓根釘固定，切除ALL、前方纖維環(huán)和髓核。

PLIF-cage模型：將預(yù)先打印的PLIF椎間融合器從后路植入L3-4椎間隙，同時也使用椎弓根釘進(jìn)行雙側(cè)固定，手術(shù)經(jīng)后部開窗，切除部位包括部分ISL、LF、髓核以及后方纖維環(huán)。

TLIF-cage模型：將預(yù)先打印好的TLIF椎間融合器從椎間孔將融合器植入到L3～4椎間隙里，同時也使用椎弓根釘進(jìn)行雙側(cè)固定，切除部位包括部分上關(guān)節(jié)突、髓核以及側(cè)后方纖維環(huán)。

DLIF-cage模型：將預(yù)先打印好的DLIF椎間融合器從側(cè)向?qū)⑷诤掀髦踩氲絃3～4椎間隙里，同時也使用椎弓根釘進(jìn)行雙側(cè)固定。

以上所有模型經(jīng)驗(yàn)證后均可行，椎體以及椎弓根直接設(shè)定為綁定結(jié)構(gòu)，同時接觸面模擬為無摩擦力表面(圖1)[8-9]。未行任何椎間融合術(shù)的作為原始模型。

圖1 不同入路的椎間融合術(shù)模型

有限元模型的整體網(wǎng)格尺寸選擇1.0mm。有限元仿真采用的計(jì)算機(jī)為戴爾工作站，配置為24核處理器、64GB內(nèi)存，完整模型在前屈工況時的運(yùn)行時間為5 136 s。完整腰椎有限元模型、骨性結(jié)構(gòu)及終板假設(shè)為各向同性的彈性材料，用彈性模量和泊松比兩個參數(shù)描述。椎間盤纖維環(huán)基質(zhì)和髓核屬于幾乎不可壓縮的超彈性材料，其泊松比接近于0.5，超彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系通常在拉伸、壓縮和剪切變形中明顯不同。

1.2 方法

建立約束方程和耦合方程，不僅需要約束L3-4的X、Y兩個方向自由度，而且還需約束L5及以下所有節(jié)點(diǎn)的全自由度。前期工作完成后將500 N的模擬重力加壓在L3表面，力矩為10 N·m，運(yùn)用MPC184單元耦合L3椎體上表面所有節(jié)點(diǎn)于中性點(diǎn)，根據(jù)右手定則，在該中性點(diǎn)上施加±7.5 N·m扭矩，分別模擬腰椎的6種生理活動，分別為前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)。

1.3 觀察指標(biāo)

觀察比較4種不同入路下椎間融合術(shù)在以下6種情況下的生物力學(xué)性能改變情況：前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎、左旋轉(zhuǎn)以及右旋轉(zhuǎn)。將所得的數(shù)據(jù)再通過有限元分析進(jìn)行處理后，得到輸出活動度(range of motion,ROM)、終板應(yīng)力、融合器應(yīng)力以及小關(guān)節(jié)應(yīng)力。在獲得4項(xiàng)數(shù)據(jù)后再與原始對照組模型進(jìn)行預(yù)測結(jié)果對比歸納。通過軟件進(jìn)行相關(guān)分析，并將結(jié)果按照可視化的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，同時再將不同情況下所得的生物力學(xué)數(shù)據(jù)用Von Mises應(yīng)力線進(jìn)行表示[10]。

2 結(jié)果

2.1 輸出ROM情況比較

不同入路輸出ROM的比較結(jié)果見圖2。結(jié)果顯示，6種模擬情況下，ALIF和DLIF的輸出ROM小于PLIF和TLIF。4種不同術(shù)式中，ALIF的ROM值最小，DLIF次之。PLIF和TLIF兩種模型的ROM值無顯著性差異，說明兩種模型對腰椎穩(wěn)定性的影響相似。

4種入路依次是DLIF、ALIF、PLIF、TLIF

2.2 終板應(yīng)力情況比較

不同入路終板應(yīng)力的比較結(jié)果見圖3。結(jié)果顯示，DLIF模型、ALIF模型、TLIF三種模型對于終板應(yīng)力的影響較小，而PLIF的終板應(yīng)力在原始模型的基礎(chǔ)上增加1倍以上。

第一路為原始模型,其他4種入路依次是DLIF、ALIF、PLIF、TLIF

2.3 融合器應(yīng)力情況比較

不同入路融合器應(yīng)力的比較結(jié)果見圖4。結(jié)果顯示，在6種不同生理活動情況下，ALIF以及DLIF模型的融合器應(yīng)力較PLIF以及TLIF模型的融合器應(yīng)力小。4種入路的手術(shù)模型中，ALIF的融合器應(yīng)力最小，其次為DLIF模型。DLIF模型與ALIF模型比較，其6種不同生理活動情況下的變化量為1.25%、6.25%、33.91%、35.34%、6.10%以及10.11%，差異較小。

4種入路依次是DLIF、ALIF、PLIF、TLIF

2.4 小關(guān)節(jié)應(yīng)力情況比較

不同入路小關(guān)節(jié)應(yīng)力的比較結(jié)果見圖5。結(jié)果顯示，所有情況下的小關(guān)節(jié)應(yīng)力均較原始模型顯著降低。4種入路的模型中，PLIF模型在6種不同生理活動情況下的小關(guān)節(jié)應(yīng)力變化不明顯，且在6種不同生理活動情況下的結(jié)果均接近于0，充分說明經(jīng)過椎間融合術(shù)后，小關(guān)節(jié)所承受的壓力明顯下降，尤其是PLIF模型。

第一路為原始模型，其他4種入路依次是DLIF、ALIF、PLIF、TLIF

3 討論

腰椎椎間融合術(shù)在臨床的使用頻率較高，LIF是根據(jù)患者具體病情選擇不同入路的手術(shù)方式，每一種入路均存在自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。因脊柱是人體最主要的承重結(jié)構(gòu)，故腰椎融合手術(shù)在確保順利完成的同時，還需要考慮患者術(shù)后脊柱的生物力學(xué)因素，使其達(dá)到最佳狀態(tài)[11]。

在6種不同運(yùn)動情況下，LIF術(shù)后的椎體應(yīng)力會受到明顯的改變，并且不同入路對改變情況的影響也不相同。從生物力學(xué)的角度出發(fā)，ALIF以及DLIF模型在生物力學(xué)方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，兩種手術(shù)模型均能夠減少運(yùn)動時產(chǎn)生的應(yīng)力，同時將融合器本身的損傷和沉降風(fēng)險進(jìn)行一定的規(guī)避[12]。但根據(jù)實(shí)際臨床工作中的可操作性考慮，ALIF最大的局限性在于其需要前入路的方式進(jìn)行整個手術(shù)的操作過程，讓手術(shù)過程復(fù)雜化，同時也導(dǎo)致手術(shù)難度的進(jìn)一步加大，對患者所致的創(chuàng)傷和并發(fā)癥風(fēng)險也隨之增高，而DLIF較ALIF最大的優(yōu)點(diǎn)在于其僅通過側(cè)面入路就可完成整個手術(shù)，更無其他特殊需求，對于微創(chuàng)手術(shù)而言，DLIF更加適合[13-14]?？紤]到臨床實(shí)際使用以及生物力學(xué)性能，DLIF模型的表現(xiàn)更加優(yōu)秀。對于TLIF以及PLIF兩者的研究發(fā)現(xiàn)，TLIF較PLIF生物力學(xué)優(yōu)勢更加明顯[15-16]，本次研究同樣發(fā)現(xiàn)，TLIF模型在減小融合器應(yīng)力以及終板應(yīng)力方面較PLIF更加具有優(yōu)勢，但在ROM方面差異不明顯。

4 結(jié)論

4種不同入路的腰椎融合術(shù)的生物力學(xué)研究表明，不同入路的腰椎融合器存在結(jié)構(gòu)和承重面積等方面的差異性，并會對腰椎的生物力學(xué)性能產(chǎn)生一定程度的影響，但是在不同運(yùn)動情況下又會顯示出不同的預(yù)測結(jié)果。在4種不同入路的選擇中，DLIF入路相對其他幾種類型入路而言，其具有更加優(yōu)秀的綜合性特點(diǎn)。