王 輝，李朝輝，梁 曉，許星柱，劉慶濤，楊浦鑫，丁文元

脊柱胸腰段的后凸畸形常常繼發(fā)于先天性的椎體發(fā)育不良或椎體骨折未及時(shí)有效治療而出現(xiàn)的后凸加重，臨床表現(xiàn)除了外觀后凸外，脊髓持續(xù)性壓迫可引起鞍區(qū)皮膚感覺異常、大小便功能障礙、肌力和肌張力改變，嚴(yán)重者會(huì)出現(xiàn)雙下肢的不完全性癱瘓，甚至完全性癱瘓[1-2]。手術(shù)治療是唯一的解決途徑和方法，但由于此類患者畸形程度重且柔韌性差，手術(shù)治療十分困難。2002年韓國的Suk教授等[3]嘗試一期后路全脊椎切除截骨術(shù)（Posterior Vertebral Column Reseetion，PVCR）治療嚴(yán)重脊柱后凸畸形取得了滿意的后凸矯形效果，此后PVCR技術(shù)被國內(nèi)外脊柱矯形醫(yī)師普遍接受和應(yīng)用[4-8]。邱勇教授嘗試采用雙節(jié)段PVCR聯(lián)合衛(wèi)星棒技術(shù)治療胸腰段后凸超過100°患者，取得滿意的畸形矯正并有效避免矯形丟失[7]。解京明教授應(yīng)用PVCR治療僵硬性脊柱畸形（>100°），后凸畸形的矯正可達(dá)30.4~95.9°[8]。盡管PVCR對(duì)于嚴(yán)重僵硬性脊柱畸形的矯形效果得到肯定，但其手術(shù)時(shí)間長、術(shù)中出血多、神經(jīng)血管損傷風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)也被廣泛報(bào)道，術(shù)中神經(jīng)損傷的發(fā)生率可達(dá)1.06~8.6%[9-11]。此外，矯形術(shù)后近端交界性后凸的發(fā)生不容忽視，目前其發(fā)生率及危險(xiǎn)因素的相關(guān)臨床研究較多，但是危險(xiǎn)體位的生物力學(xué)的報(bào)道較為有限。

有限元分析是一種通過計(jì)算機(jī)建模和外部載荷計(jì)算分析得到骨性結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況的研究技術(shù)，利用此項(xiàng)技術(shù)可以分析脊柱整體或局部結(jié)構(gòu)在不同設(shè)定條件下的應(yīng)力分布情況，可以提供在體或離體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)不能直接測得的外觀和內(nèi)部力學(xué)數(shù)據(jù)，具有其他力學(xué)實(shí)驗(yàn)不可替代的作用[12-14]。國內(nèi)外學(xué)者采用該技術(shù)開展胸腰椎骨折的相關(guān)研究，建立了包括椎體、椎間盤及主要韌帶結(jié)構(gòu)的胸腰椎有限元模型[15-23]。Park等[24]通過構(gòu)建單純前路、單純后路、前后路聯(lián)合手術(shù)治療胸腰段脊柱爆裂骨折的有限元模型，生物力學(xué)分析證實(shí)單純后方使用釘棒固定明顯增加術(shù)后脊柱僵硬度。張玉新等[25]構(gòu)建了胸腰段椎體骨折經(jīng)傷椎椎弓根釘固定的有限元模型，分析在軸向壓縮、前屈、后伸、側(cè)屈及軸向旋轉(zhuǎn)工況條件下，傷椎固定的鄰近椎間盤及椎體的應(yīng)力分布情況，結(jié)果顯示對(duì)于胸腰段單節(jié)段不完全骨折，經(jīng)傷椎單節(jié)段椎弓根釘固定時(shí)鄰近節(jié)段所承受的應(yīng)力更小，臨床優(yōu)勢明顯。

有限元分析對(duì)于脊柱外科手術(shù)方案制定和內(nèi)固定方式選擇具有重要參考價(jià)值，本研究通過建立青年女性胸腰段脊柱后凸部分椎體切除矯形術(shù)后有限元模型，分析不同體位工況條件椎間盤不同位置受力情況，評(píng)估術(shù)后出現(xiàn)近端交界性后凸的潛在風(fēng)險(xiǎn)，為此患者術(shù)后的合理功能鍛煉提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 病例選擇及數(shù)據(jù)提取 選取接受后路椎弓根釘棒固定前方椎體次全切除重建手術(shù)治療的胸腰段先天性楔形椎伴后凸畸形青年女性患者一例作為研究對(duì)象（女性，22歲，胸背部進(jìn)行性后凸伴疼痛13年），收集術(shù)前、術(shù)后2年隨訪時(shí)復(fù)查截骨范圍內(nèi)薄層CT掃描，SIEMENS 64排計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（Germany），螺旋掃描參數(shù)為：120 kV，36 mA，螺旋層厚0.5 mm，螺距1.25 mm，分辨率為512×512象素，掃描精度為0.414×0.414×0.67，CT掃描數(shù)據(jù)以DlCOM格式存儲(chǔ)。術(shù)前側(cè)位X線示L1楔形椎合并后凸畸形（Cobb角53°）；術(shù)前矢狀位MRI示L1楔形椎，相應(yīng)節(jié)段硬膜囊受壓明顯；術(shù)前矢狀位CT示T12椎體前下緣與L2椎體前上緣靠近；術(shù)后矢狀位CT示局部矢狀位序列較術(shù)前改善，椎管內(nèi)無明顯壓迫；術(shù)后冠狀位CT示楔形椎左側(cè)部分椎體切除，右側(cè)部分椎體骨質(zhì)保留，殘留椎體置入椎弓根螺釘；術(shù)后水平位CT示楔形椎左側(cè)部分椎體切除，裝有自體顆粒骨的鈦網(wǎng)置入截骨間隙，右側(cè)部分椎體骨質(zhì)保留，殘留椎體置入椎弓根螺釘；術(shù)后2年正位X線示內(nèi)固定物位置良好；術(shù)后2年側(cè)位X線示局部矢狀位序列良好（Cobb角6°），植骨獲得骨性融合。CT掃描數(shù)據(jù)，見圖1。

圖1 CT掃描數(shù)據(jù)

1.2 有限元模型建立 計(jì)算機(jī)配置：處理器：Intel Core（TM）i7-2600，內(nèi)存：DDR3 8G，64位操作系統(tǒng)：Windows 10，獨(dú)立顯卡。軟件：（1） Mimics 14.0 （Materiaise's interactive medical image control system，Materalise公司，比利時(shí)）交互式的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)。（2）3-matic 5.1（Materialise公司,比利時(shí)）基于數(shù)字化CAD（STL）正向工程軟件，通過該軟件完成模型的后處理以及釘棒安裝。（3）ANSYS 13.0（ANSYS公司，美國）是一款融合了結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析功能于一體的有限元分析軟件，含有分析計(jì)算模塊和后處理模塊。（4）Pro/Engineer軟件具有CAD/CAM/CAE模塊，本病例有限元模型鈦網(wǎng)和椎弓根螺釘?shù)闹谱魍ㄟ^此軟件完成。

建模過程：將已獲取受試者DlCOM格式的CT斷層圖片數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 14.0軟件，定義Anterior、Posterior、Left、Right、Top和Bottom六個(gè)方向，軟件將依據(jù)所導(dǎo)入的斷層數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整生成冠狀面、矢狀面和橫斷面的圖像。采用Mimics 14.0軟件內(nèi)置的閾值調(diào)整工具進(jìn)行輪廓的提取。斷層圖中不同組織結(jié)構(gòu)的灰度值差異明顯，通過設(shè)置灰度值的范圍可以完成不同組織的提?。ㄩ撝捣秶?40-1 024 Hu）。利用選擇性編輯功能消除毛刺，然后將選擇性編輯好的文件經(jīng)Calculate 3D生成脊柱模型并導(dǎo)入3-matic 5.1軟件。材料屬性的設(shè)定在軟件Mimics 14.0中進(jìn)行：在FEA Meshes組件中設(shè)置Materials，依據(jù)參考文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)對(duì)模型不同組成部分進(jìn)行賦值，見表1。

表1 有限元模型中不同材料屬性

在Pro/Engineer 4.0軟件中，各種材料規(guī)格：椎弓根螺釘長度40 mm，螺釘周徑4.5 mm；矯形棒直徑4.5 mm，長度120 mm。螺釘模型通過梯形掃描形成螺紋。然后進(jìn)行椎體和椎間盤、螺釘和矯形棒的模型組裝。利用Mimics 14.0軟件完成模型的幾何清理，利用3-matic 5.1軟件完成模型的網(wǎng)格劃分，形成最終有限元模型，見圖2。

圖2 鈦網(wǎng)、椎弓根螺釘、連接棒、橫聯(lián)模型、整合后模型

1.3 基于有限元模型的生物力學(xué)分析 應(yīng)用ANSYS 13.0有限元模型加載軟件，將下端固定椎下方椎體的下面單元進(jìn)行完全約束，在X、Y、Z軸方向上的位移為0，以作為邊界條件。測量在直立位、前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)七種工況下，上端固定椎上位椎間盤前緣、后緣、左側(cè)緣、右側(cè)緣以及中心區(qū)域的應(yīng)力。直立位：上端固定椎上方椎體表面施加垂直向下的軸向壓力（以Z載荷模擬），即600 N（牛頓）均勻加載于活動(dòng)節(jié)段上表面的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。屈曲位：模擬前屈位時(shí)胸腰段結(jié)構(gòu)所承受的載荷，在施加600 N（牛頓）垂直載荷的基礎(chǔ)上，將-30 N·m（牛頓·米）的矢狀方向彎矩加在加載椎體第2層單元的上下兩邊（以Y載荷模擬）。伸展位：模擬后伸位時(shí)胸腰段結(jié)構(gòu)所承受的載荷，在施加600 N垂直載荷的基礎(chǔ)上，將30 N·m（牛頓·米）的矢狀方向彎矩加在加載椎體第2層單元的上下兩邊（以Y載荷模擬）。左側(cè)屈位：在施加600 N（牛頓）垂直載荷的基礎(chǔ)上，將-30 N·m（牛頓·米）的冠狀方向彎矩加在加載椎體第2層單元上下兩邊（以X載荷模擬）。右側(cè)屈位：在施加600 N（牛頓）垂直載荷的基礎(chǔ)上，將30 N·m（牛頓·米）的冠狀方向彎矩加在加載椎體第2層單元上下兩邊（以X載荷模擬）。左旋轉(zhuǎn)位：在施加600 N（牛頓）垂直載荷的基礎(chǔ)上，將-30 N·m（牛頓·米）的水平方向彎矩加在加載椎體第2層單元上下兩邊（以Z載荷模擬）。右旋轉(zhuǎn)位：在施加600 N（牛頓）垂直載荷的基礎(chǔ)上，將-30 N·m（牛頓·米）的水平方向彎矩加在加載椎體第2層單元上下兩邊（以Z載荷模擬）。

2 結(jié) 果

直立位、屈、伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)七種工況下，上端固定椎上位椎間盤前緣、后緣、左側(cè)緣、右側(cè)緣、中心區(qū)域的應(yīng)力分布，見圖3。上端固定椎上位椎間盤前緣在前屈位受力最大、后緣在左旋位受力最大、左緣在左旋位受力最大、右緣在左旋位受力最大、中心在右旋位受力最大。

圖3 不同體位上端固定椎上位椎間盤不同區(qū)域的應(yīng)力分布

相比于直立位，前屈位、左旋位和右旋體位增加了上端固定椎上位椎間盤前緣的應(yīng)力；前屈位、后伸位、左旋位和右旋位增加了上端固定椎上位椎間盤后緣的應(yīng)力；左屈位、右屈位、左旋位和右旋位增加了上端固定椎上位椎間盤左緣的應(yīng)力；左旋位和右旋位增加了上端固定椎上位椎間盤右緣的應(yīng)力；上端固定椎上位椎間盤中心區(qū)域的應(yīng)力在上述體位情況下均未表現(xiàn)與直立位較大差異。見表2。

表2 七種工況下上端固定椎上位椎間盤不同區(qū)域應(yīng)力值（Mpa）

3 討 論

本研究以胸腰段單椎體（T12）接受單側(cè)PVCR的青年女性病例作為研究對(duì)象，采用參考文獻(xiàn)中有限元造模和生物力學(xué)研究方法，對(duì)不同脊柱組織的物理特性賦值，利用患者的脊柱CT數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重建，成功地建立包括T12截骨矯形椎體在內(nèi)的5個(gè)脊柱功能單元（T9-L2）的有限元模型，在此基礎(chǔ)上測量上端固定椎上位椎間盤五個(gè)不同區(qū)域在不同體位下的應(yīng)力值。生理狀態(tài)下，脊柱2/3的重力載荷集中于中柱（三柱理論）[26-27]。依據(jù)三柱理論，軸向應(yīng)力作用于椎間盤表現(xiàn)為纖維環(huán)后部應(yīng)力集中，并向后外側(cè)傳導(dǎo)[28]。本研究Von Mises應(yīng)力云圖分布來看，直立體位狀態(tài)下上端固定椎上方椎間盤后緣受力最大，其次為椎間盤中部，與文獻(xiàn)報(bào)道相一致。

上端固定椎上方椎間盤前緣受力增加與矢狀位近端交界性后凸的發(fā)生密切相關(guān)，本研究通過有限元分析發(fā)現(xiàn)前屈位和左右旋轉(zhuǎn)位情況下前緣壓應(yīng)力增加，后伸位則造成前緣張應(yīng)力增加。前屈位和后伸位的影響較易理解，分別作為危險(xiǎn)因素和保護(hù)因素已被廣泛認(rèn)知[29-30]。從生物力學(xué)角度考慮，旋轉(zhuǎn)位對(duì)于脊柱運(yùn)動(dòng)功能單元的影響主要體現(xiàn)在雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)位對(duì)于椎間盤前緣應(yīng)力的影響既往研究較為有限[31-32]。本研究納入的病例接受椎體部分切除后凸矯形術(shù)，后凸頂點(diǎn)的重建存在差異，冠狀位左側(cè)截骨間隙內(nèi)為鈦網(wǎng)，右側(cè)為保留的部分椎體，盡管兩者力學(xué)及生物學(xué)屬性差異顯著，然而旋轉(zhuǎn)位情況下對(duì)于椎間盤前緣應(yīng)力的影響并未存在不同，均會(huì)增加前緣的壓應(yīng)力，可能的原因在于椎弓根螺釘?shù)目煽抗潭ǖ窒私毓菂^(qū)重建差異對(duì)于近端椎間盤受力的影響。基于本研究發(fā)現(xiàn)，建議對(duì)于胸腰段矯形術(shù)后患者避免前屈位姿勢和旋轉(zhuǎn)活動(dòng)對(duì)于降低近端交界性后凸的發(fā)生率具有積極意義。

相比于直立體位，上端固定椎上方椎間盤后緣受力在后伸位和左右旋轉(zhuǎn)位明顯增加。后伸位時(shí)后緣受力必然增加，與前緣受力情況向類似，旋轉(zhuǎn)位同樣增加了后緣的受力，可能的原因在于旋轉(zhuǎn)體位下椎間盤纖維環(huán)的扭轉(zhuǎn)受力顯著增加。左側(cè)緣和右側(cè)緣在旋轉(zhuǎn)體位狀況下同樣受力相比于直立位明顯增加，驗(yàn)證了上述推論[33-34]。盡管本研究選擇的病例在截骨矯形區(qū)前柱重建時(shí)與傳統(tǒng)的PVCR方式存在差異[35-36]，上述差異但并未對(duì)左右側(cè)屈體位情況下側(cè)緣的受力造成明顯影響。旋轉(zhuǎn)體位對(duì)于椎間盤周圍區(qū)域應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于側(cè)屈體位，因此建議術(shù)后功能鍛煉時(shí)避免旋轉(zhuǎn)體位的姿勢。相比于直立體位，椎間盤中心區(qū)域在屈伸位、側(cè)屈位和旋轉(zhuǎn)位均未增加其所受應(yīng)力，提示其作為運(yùn)動(dòng)中心的應(yīng)力受體位因素干擾較小。

綜上所述，對(duì)于胸腰段脊柱后凸畸形接受責(zé)任椎部分椎體截骨后凸矯形手術(shù)的青年女性患者，前屈、左右旋轉(zhuǎn)三種體位狀態(tài)上端固定椎上位椎間盤前緣受力增加，可能會(huì)增加術(shù)后發(fā)生近端交界性后凸的風(fēng)險(xiǎn)。本研究的不足之處在于：第一，選擇的模型為接受后路椎弓根釘棒固定前方椎體部分切除重建手術(shù)治療的胸腰段先天性楔形椎伴后凸畸形患者，截骨區(qū)域鈦網(wǎng)與椎體彈性模量的差異可能對(duì)于生物力學(xué)分析造成影響。第二，選擇的模型為年齡22歲的青年女性，其骨密度值與老年患者存在差異，本研究結(jié)果并不適用于各個(gè)年齡段的患者，有待于今后以不同年齡段、不同骨密度值模型進(jìn)一步深入研究。