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        剛性固定和動(dòng)態(tài)固定治療腰椎峽部裂三維有限元分析

        2021-11-12 07:51:46許澤川黃宏杰肖永川
        臨床骨科雜志 2021年5期
        關(guān)鍵詞:模型

        許澤川,黃宏杰,陳 銘,肖永川,常 山

        腰椎峽部在脊柱的力學(xué)傳導(dǎo)中具有“支點(diǎn)”作用,它能夠限制椎體“前移”,當(dāng)發(fā)生腰椎峽部裂時(shí),會(huì)因“失穩(wěn)”產(chǎn)生明顯的退變?cè)錾闆r,后期出現(xiàn)下腰痛及下肢放射痛等臨床癥狀,嚴(yán)重地影響患者生活質(zhì)量[1]。目前腰椎峽部裂的治療主要采用剛性內(nèi)固定,該方式能夠帶來(lái)良好的穩(wěn)定性,利于手術(shù)節(jié)段融合,術(shù)后短期效果良好。但在長(zhǎng)期隨訪中,這種治療方式可能出現(xiàn)鄰近節(jié)段的退變甚至鄰椎病等并發(fā)癥。隨著內(nèi)固定技術(shù)的發(fā)展,學(xué)者們發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)固定更加符合脊柱的生物力學(xué),但動(dòng)態(tài)化的同時(shí)“犧牲”了部分穩(wěn)定性。因此,本研究采用三維有限元方法建立3例L4椎體雙側(cè)峽部裂模型,采用Isobar TTL半堅(jiān)強(qiáng)動(dòng)態(tài)內(nèi)固定[2]及傳統(tǒng)剛性固定兩種治療方式,對(duì)L4椎體腰椎位移、鄰近節(jié)段L3~4椎間盤應(yīng)力、內(nèi)固定應(yīng)力進(jìn)行分析研究。

        1 材料與方法

        1.1 L3~5有限元模型建立選取成都醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院·核工業(yè)四一六醫(yī)院2018年~2021年3例L4椎體雙側(cè)峽部裂伴或不伴有腰椎Ⅰ度滑脫患者(年齡分別為46、42、52歲),患者主訴下腰痛、下肢神經(jīng)根性痛等癥狀,經(jīng)非手術(shù)治療3~6個(gè)月,癥狀緩解欠佳。采集3例患者0.625 mm的薄層橫斷位、矢狀位、冠狀位的原始CT數(shù)據(jù),以DICOM格式刻錄光盤。通過(guò)Mimics軟件將二維圖像進(jìn)行三維重建,采用Geomagic Studio軟件進(jìn)行模型表面處理,利用HyperMesh軟件網(wǎng)格化形成實(shí)體模型后,導(dǎo)入Abaqus軟件進(jìn)行模型軟組織的構(gòu)建及有限元計(jì)算。皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤、韌帶的材料屬性根據(jù)既往經(jīng)典數(shù)據(jù)產(chǎn)生[3],見(jiàn)表1。

        表1 材料賦值表[3]

        1.2 內(nèi)固定手術(shù)模型建立通過(guò)SolidWoks軟件對(duì)實(shí)體Isobar TTL半堅(jiān)強(qiáng)動(dòng)態(tài)固定裝置模型進(jìn)行等比例數(shù)據(jù)重建,分別設(shè)定動(dòng)態(tài)內(nèi)固定Isobar TTL動(dòng)態(tài)棒與L3~5骨骼模型、傳統(tǒng)剛性固定椎弓根與L3~5骨骼模型、未采用固定方式3個(gè)模型,裝配完成后利用HyperMesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,再給予賦值。本研究使用均一賦值法[4-6]。

        1.3 接觸關(guān)系、邊界條件及力學(xué)加載在不同手術(shù)模型中將椎弓根螺釘和椎體之間均設(shè)定為緊密接觸。固定L5椎體的下表面,在L3椎體上表面均勻施加約人體體重2/3的500 N應(yīng)力,同時(shí)施加10 N·m 的扭力彎矩,使其均勻分布到L3椎體上的各個(gè)節(jié)點(diǎn),以此來(lái)模擬椎體的垂直、前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)、側(cè)屈5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

        1.4 模型驗(yàn)證有限元模型的各個(gè)部件的參數(shù)均采用既往經(jīng)典數(shù)據(jù)[7],同時(shí)本研究的驗(yàn)證分別采用幾何形態(tài)驗(yàn)證以及力學(xué)參數(shù)驗(yàn)證,未采用內(nèi)固定方式的數(shù)據(jù)同顧曉民 等[8]體外實(shí)驗(yàn)及有限元模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比具有一致的趨勢(shì)性,表明本次實(shí)驗(yàn)?zāi)P途哂袦?zhǔn)確性、有效性,后期可以進(jìn)一步處理和分析數(shù)據(jù)。

        2 結(jié)果

        2.1 腰椎位移見(jiàn)表2、圖1。相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,腰椎位移垂直、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)動(dòng)態(tài)固定大于剛性固定,但差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),前屈、后伸狀態(tài)動(dòng)態(tài)固定大于剛性固定,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

        圖1 5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下腰椎整體位移云圖 A~E.依次為垂直、前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)5種腰椎運(yùn)動(dòng)狀態(tài),a~d依次為未固定、動(dòng)態(tài)固定、剛性固定腰椎位移云圖以及3例患者不同內(nèi)固定方式腰椎位移數(shù)據(jù)圖

        表2 相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下腰椎位移比較

        2.2 鄰近節(jié)段L3~4椎間盤應(yīng)力見(jiàn)表3、圖2。相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下鄰近節(jié)段L3~4椎間盤應(yīng)力比較:垂直狀態(tài)剛性固定大于動(dòng)態(tài)固定,但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)剛性固定大于動(dòng)態(tài)固定,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

        圖2 L3~4椎間盤Von-Mises應(yīng)力云圖 A~E.依次為垂直、前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)5種腰椎運(yùn)動(dòng)狀態(tài),a~d依次為未固定、動(dòng)態(tài)固定、剛性固定椎間盤Von-Mises應(yīng)力云圖以及3例患者不同內(nèi)固定方式L3~4椎間盤Von-Mises應(yīng)力數(shù)據(jù)圖

        表3 相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下鄰近節(jié)段L3~4椎間盤應(yīng)力比較

        2.3 內(nèi)固定應(yīng)力見(jiàn)表4、圖3。相同腰椎運(yùn)動(dòng)狀下內(nèi)固定應(yīng)力比較:垂直、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下剛性固定大于動(dòng)態(tài)固定,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),后伸狀態(tài)動(dòng)態(tài)固定大于剛性固定,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),前屈狀態(tài)動(dòng)態(tài)固定大于剛性固定,但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

        圖3 內(nèi)固定Von-Mises應(yīng)力云圖 A~E.依次為代表垂直、前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)5種腰椎運(yùn)動(dòng)狀態(tài),a~c依次為動(dòng)態(tài)固定、剛性固定Von-Mises應(yīng)力云圖以及3例患者不同內(nèi)固定方式的內(nèi)固定Von-Mises應(yīng)力數(shù)據(jù)圖

        表4 相同腰椎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下內(nèi)固定應(yīng)力比較

        3 討論

        腰椎峽部裂主要發(fā)生于L4和L5椎體,大約占90%[9]。L4椎體在腰椎中承受的軸向應(yīng)力及活動(dòng)度大,因此當(dāng)L4椎體發(fā)生雙側(cè)峽部裂后腰椎生物力學(xué)穩(wěn)定性受到的影響更大,早期會(huì)出現(xiàn)較為明顯的下腰痛臨床表現(xiàn)。既往在腰椎峽部裂療效分析中,大多采用影像學(xué)定性及治療效果評(píng)分(疼痛VAS評(píng)分、ODI)等方式,并未對(duì)具體的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行定量分析,因此我們?cè)谝酝R床定性分析基礎(chǔ)上進(jìn)行了更加深入的定量研究。

        3.1 穩(wěn)定性分析鑒于腰椎峽部裂這類結(jié)構(gòu)性的失穩(wěn)性疾病,我們首先應(yīng)該重視不同手術(shù)方式提供的穩(wěn)定性,因此脊柱穩(wěn)定性是必不可少的分析指標(biāo)。本研究中,我們通過(guò)對(duì)腰椎位移分析得出腰椎整體的穩(wěn)定性有一致的趨勢(shì),在絕大多數(shù)腰椎運(yùn)動(dòng)中,動(dòng)態(tài)內(nèi)固定和剛性固定的穩(wěn)定性相似。在前屈、后伸狀態(tài)下穩(wěn)定性的差異,主要是動(dòng)態(tài)固定承擔(dān)的“卸力”效果受到影響,而剛性固定所帶來(lái)的“絕對(duì)固定”可能會(huì)有更好的穩(wěn)定性,但這兩種運(yùn)動(dòng)方式都可以通過(guò)患者佩戴支具得到很好的控制。所以,對(duì)于動(dòng)態(tài)固定的患者在術(shù)后的康復(fù)鍛煉過(guò)程中,可佩戴支具以獲得更好的穩(wěn)定效果。

        3.2 鄰近節(jié)段退變分析研究[10-11]發(fā)現(xiàn),剛性固定在穩(wěn)定脊柱時(shí),也增加鄰近節(jié)段的應(yīng)力代償性,加速鄰近節(jié)段椎間盤退變,尤其對(duì)于上位節(jié)段退變影響更加明顯[12]。本研究對(duì)鄰近節(jié)段椎間盤應(yīng)力的分析結(jié)果也支持以上觀點(diǎn)。我們認(rèn)為,動(dòng)態(tài)固定由于存在動(dòng)態(tài)關(guān)節(jié)的應(yīng)力緩沖,對(duì)固定節(jié)段活動(dòng)度限制能力相對(duì)較小,最大限度保留了固定節(jié)段的活動(dòng)性,減少了鄰近節(jié)段的代償,有效地保護(hù)了鄰近節(jié)段。因此,動(dòng)態(tài)固定相較于剛性固定能減緩鄰近椎間盤的退變,減少鄰椎病的發(fā)生。

        3.3 內(nèi)固定斷裂風(fēng)險(xiǎn)分析峽部裂的失穩(wěn)情況使得其對(duì)內(nèi)固定的強(qiáng)度要求更高,若內(nèi)固定的強(qiáng)度不夠,會(huì)導(dǎo)致內(nèi)固定失敗斷裂,尤其在釘棒結(jié)合處的斷裂情況高發(fā)。本研究結(jié)果表明,由于動(dòng)態(tài)關(guān)節(jié)的存在,使得應(yīng)力在傳導(dǎo)過(guò)程中得到“釋放緩沖”,尤其減少釘棒結(jié)合處的應(yīng)力,這大大減少了臨床中常見(jiàn)的內(nèi)固定斷裂情況。但同時(shí)也由于動(dòng)態(tài)固定的特殊性,患者在后伸狀態(tài)下,動(dòng)態(tài)固定應(yīng)力會(huì)大大增加,該結(jié)果也從另一方面證明后伸狀態(tài)腰椎狹部應(yīng)力會(huì)明顯增大,需要通過(guò)支具保護(hù)限制腰椎后伸活動(dòng),從而降低內(nèi)固定斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

        本研究通過(guò)分析兩種內(nèi)固定方式治療腰椎峽部裂認(rèn)為,雖然動(dòng)態(tài)固定在穩(wěn)定性及內(nèi)固定斷裂分析中并不絕對(duì)“完美”,但動(dòng)態(tài)固定能夠明顯減少鄰近節(jié)段椎間盤退變發(fā)生,且夠提供相似的腰椎整體穩(wěn)定性,同時(shí)降低內(nèi)固定斷裂風(fēng)險(xiǎn),存在“瑕疵”問(wèn)題也能夠通過(guò)較為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方式解決。 因此,我們認(rèn)為動(dòng)態(tài)固定對(duì)于腰椎峽部裂患者能夠達(dá)到手術(shù)治療目的,同時(shí)也較剛性內(nèi)固定的并發(fā)癥少,是臨床可以推廣的一種手術(shù)方式。

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