李大猛 魯鋒 田云 李德廣 閻輝 馬術(shù)友

0 引言

急性脊柱創(chuàng)傷(acute spinal trauma,APT)發(fā)病較為突然，病情復(fù)雜，會(huì)引起多種病變的發(fā)生，壓迫刺激神經(jīng)產(chǎn)生疼痛，甚至可能帶來(lái)局部麻痹和癱瘓等不良預(yù)后[1]，而上述病變的發(fā)生可能與椎體形狀、結(jié)構(gòu)、椎管大小以及腰椎后側(cè)壁的凹陷有著很大的關(guān)系。急性脊柱創(chuàng)傷治療大多采用外科手術(shù)修復(fù)，一般按入路的不同可分為前路內(nèi)固定術(shù)和后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定術(shù)，兩種入路手術(shù)均有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，兩者的療效孰優(yōu)孰劣沒(méi)有統(tǒng)一說(shuō)法。有學(xué)者認(rèn)為前路內(nèi)固定術(shù)為傳統(tǒng)術(shù)式，應(yīng)用較廣，但患者大部分有脊椎活動(dòng)度明顯下降的情況，甚至出現(xiàn)假關(guān)節(jié)的可能；后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定手術(shù)操作難度小，但對(duì)其應(yīng)力分布和穩(wěn)定性的研究卻非常少[2-3]。

早在19世紀(jì)就有研究者發(fā)現(xiàn)施加多種負(fù)載會(huì)導(dǎo)致胸腰椎運(yùn)動(dòng)節(jié)段發(fā)生載荷-位移，而后續(xù)研究者更是采用體內(nèi)和體外方法對(duì)脊柱生物力學(xué)特征進(jìn)行研究，脊柱生物力學(xué)有助于對(duì)脊柱損傷進(jìn)行評(píng)估，并觀測(cè)外科手術(shù)對(duì)脊柱功能的修復(fù)[4-5]。有限元分析(finite element analysis,FEA)就是典型的結(jié)合體內(nèi)和體外方法研究脊柱生物力學(xué)特征，F(xiàn)EA利用數(shù)學(xué)近似理論對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進(jìn)行模擬，具有重復(fù)性高、精確控制變量、無(wú)損耗等優(yōu)勢(shì)[6-7]。基于此，本文借助FEA分析和比較前路內(nèi)固定術(shù)和后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定治療的療效用脊柱力學(xué)指標(biāo)，以期為脊椎生物力學(xué)研究的未來(lái)發(fā)展提供一定的參考幫助。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選擇一位無(wú)腰椎畸形、無(wú)腰椎疾病及無(wú)外傷史的健康男性成年志愿者為研究對(duì)象，年齡29歲，身高179 cm，體質(zhì)量70 kg；行腰椎X線檢查以排除脊柱疾患的可能。利用美國(guó)通用公司螺旋CT對(duì)其T12-L2椎體行連續(xù)掃描及斷層圖像處理。掃描時(shí)志愿者采取仰臥位，靜止，設(shè)置掃描參數(shù)為層厚 0.699 mm，球管電流200 mA、電壓 120 kV。對(duì)圖的灰度、對(duì)比度等加以調(diào)增，處理細(xì)節(jié)，得到清晰的骨窗斷層圖像，并用光盤(pán)刻錄機(jī)輸入數(shù)據(jù)，保存為DICOM 格式進(jìn)行刻錄。

1.2 正常有限元模型的建立

1.2.1 初步建模

將DICOM格式的圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics10.0，獲取T12-L2節(jié)段影像。利用Mimics軟件工具行逐層分割，提取已選取的 CT 圖像，去除其他圖像和軟骨組織圖像。得到處理后每一個(gè)斷層的 CT 圖像并重建出T12-L2椎體三維圖像，獲取初步模型表面圖形，如圖1所示。隨后輸出至Geomagic Studio軟件中，合成出模型外輪廓面，保存為IGES文件。繼而將文件導(dǎo)入有限元軟件Ansys15.0，依據(jù)外部輪廓生成T12-L2節(jié)段的有限元實(shí)體模型。

圖1 Mimics 工程文件圖像Figure 1 Mimics project file image

1.2.2 確定單元類型及賦值

本次研究對(duì)象為T(mén)12-L2節(jié)段，術(shù)前可劃分為以下幾個(gè)部分：三個(gè)椎體(T12、L1及L2)、后部結(jié)構(gòu)(椎板、椎弓根及關(guān)節(jié)突)、相關(guān)韌帶。了解各組件的物理特性，利用Ansys15.0 軟件中 Workbench 平臺(tái)的 Static Structural 模塊進(jìn)行賦值。依據(jù)T12-L2的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行賦值，其中纖維、韌帶、關(guān)節(jié)囊為只受拉應(yīng)力的線彈性材料。各部位的彈性模量及泊松比引用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[8-11]。

1.2.3 模型的加載計(jì)算

(1) 邊界條件：在Fixed Support中約束下關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面和椎體下緣，對(duì)各個(gè)組件的接觸關(guān)系加以設(shè)定，將L2椎體下表面各節(jié)點(diǎn)的效果設(shè)置為Bonded，即不允許分離或是滑動(dòng)，自由度定為0。

(2) 網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格質(zhì)量與最終的力學(xué)分析值具有直接相關(guān)性。本研究選擇網(wǎng)格直徑為 1～3 mm，利用自身邏輯綜合利用正四面體和正六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

(3) 載荷施加：對(duì)三維模型進(jìn)行由上往下的力學(xué)加載，采用600 N的作用力均勻性、垂直性加載于椎體表面各節(jié)點(diǎn)上，采用10 N·m的力矩作用于T12椎體表面各節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行前屈、后伸、左彎、右彎四種動(dòng)作。然后將運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與前人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，以驗(yàn)證模型的有效性。

1.3 不同骨折固定方式有限元模型的建立

在正常椎體模型的基礎(chǔ)上模擬臨床手術(shù)情況，將L1椎體輸入損傷骨的彈性模量，使其彈性模量?jī)H為正常的20%，以模擬椎體爆裂性骨折。分別建立前路內(nèi)固定術(shù)、后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定術(shù)兩種不同固定方式的椎體實(shí)體模型，并在此基礎(chǔ)上建立有限元模型，建立方法和步驟與上述正常椎體模型相同。計(jì)算采取固定 L2 腰椎底面所有結(jié)點(diǎn)平移自由度，終板和椎體骨保證不分離，采用 tie 約束，在T12 胸椎上表面施加垂直向下的260 N重力，以模擬人體中立位時(shí)的工況，再施加 10 N·m 的力矩使椎體前屈、后伸、左彎、右彎運(yùn)動(dòng)，分析兩種固定方式下椎體的位移和應(yīng)力。

1.4 指標(biāo)觀察

經(jīng)有限元模型計(jì)算分析，對(duì)比分析不同固定方式下的椎體位移及椎體Von Mises應(yīng)力。

2 結(jié)果

2.1 脊柱T12-L2節(jié)段的有限元模型

本研究所建構(gòu)的有限元模型包括了 T12-L2共三個(gè)椎體及三個(gè)椎間盤(pán)的有限元模型，并且按照真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)對(duì)腰椎皮質(zhì)骨、腰椎松質(zhì)骨、軟骨、終板、髓核、纖維環(huán)、關(guān)節(jié)囊(前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、橫突間韌帶)進(jìn)行模擬。皮質(zhì)骨和終板的楊氏模量為12 000 MPa、泊松比0.3，松質(zhì)骨的楊氏模量為100 MPa、泊松比0.2，纖維核的楊氏模量為4.2 MPa、泊松比0.45，髓核的楊氏模量為1 MPa、泊松比0.49。各韌帶強(qiáng)度設(shè)置為200 N/mm。椎體間定義為Bonded模式，即椎體間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)。最終有限元模型共包括網(wǎng)格數(shù)量43 911，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)量54 390。

通過(guò)對(duì)正常椎體施加10 N·m的轉(zhuǎn)矩，計(jì)算正常椎體T12～L2段前屈、后伸、左彎、右彎的平均剛度分別為1.82、2.01、0.68、0.92 N·m/(°)，接近前人的研究結(jié)果[12-14]，因此本實(shí)驗(yàn)所建立的椎體T12-L2三維有限元模型，可以用于兩種固定方式下治療急性脊柱創(chuàng)傷的椎體生物力學(xué)指標(biāo)分析。

在正常椎體T12～L2段有限元模型上建立的前路內(nèi)固定術(shù)和后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定術(shù)有限元模型如圖2和圖3所示。

圖2 前路內(nèi)固定術(shù)有限元模型Figure 2 Finite element model of anterior internalfixation for spinal fracture

圖3 后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定術(shù)有限元模型Figure 3 Finite element model of posterior incisionand pedicle internal fixation for spinal fracture

2.2 不同固定方式下的椎體位移分析

根據(jù)兩種固定方式下的有限元計(jì)算結(jié)果，提取出的椎體最大位移值見(jiàn)表1。在中立位及前屈、左彎及右彎載荷下，前路內(nèi)固定術(shù)的位移均小于后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定術(shù)；在后伸載荷下，后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定術(shù)的位移均小于前路內(nèi)固定術(shù)。

表1 兩組固定方式椎體最大位移值(單位：mm)Table 1 The maximum global deformation after loadingof the finite element models of 2 groups for treatment ofspinal fracture(unit：mm)

2.3 不同固定方式下的椎體應(yīng)力分析

兩種固定方式下椎體的最大應(yīng)力值見(jiàn)表2。在中立位及前屈、后伸、左彎及右彎載荷下，前路固定術(shù)的椎體應(yīng)力均大于后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定術(shù)。

表2 兩組固定方式椎體最大應(yīng)力值(單位：MPa)Table 2 The maximum global deformation afterloading of the finite element models of 2 groups fortreatment of spinal fracture (unit：MPa)

3 討論

3.1 有限元在脊柱胸腰段生物力學(xué)研究中的應(yīng)用

脊柱胸腰段的生物力學(xué)地位較高，不僅可承受較大載荷，而且是胸段至腰段過(guò)渡的重要區(qū)域，較易發(fā)生胸腰椎損傷，是生物力學(xué)的研究重點(diǎn)。急性脊柱創(chuàng)傷是指患者脊柱受到結(jié)構(gòu)性損傷的一種疾病，若不能對(duì)患者創(chuàng)傷進(jìn)行及時(shí)有效的修復(fù)，容易致殘，嚴(yán)重可致死[15-16]。

前路內(nèi)固定術(shù)或后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定術(shù)均可用于治療急性脊柱創(chuàng)傷，兩種內(nèi)固定術(shù)旨在重建脊柱穩(wěn)定性，可有效阻止神經(jīng)功能的進(jìn)一步損傷，促進(jìn)患者恢復(fù)正常生活。利用有限元方法研究不同治療方式的生物力學(xué)特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)如下：(1) 有限元方法可較好模擬物體結(jié)構(gòu)及材料特征；(2) 有限元方法既可以準(zhǔn)確展示區(qū)域特征，也可以完整展示總體特征；(3) 有限元方法可分析位移的變化，也可揭示應(yīng)力的變化，直觀、準(zhǔn)確地反映生物力學(xué)特點(diǎn)；(4) 有限元方法具有較好的適應(yīng)性及可重復(fù)性，對(duì)比性較好。

3.2 不同固定方式下椎體位移分析

本次研究分析并比較了不同固定方式下的椎體位移，結(jié)果表明：在中立位及前屈、左彎及右彎載荷下，前路內(nèi)固定術(shù)的位移均小于后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定術(shù)；在后伸載荷下，后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定術(shù)的位移均小于前路內(nèi)固定術(shù)。從椎體最大位移值來(lái)看，當(dāng)采用后路內(nèi)固定方式時(shí)，椎體處于中立位和前屈位時(shí)的位移略大于正常椎體，而在后伸和左右彎曲的工況下，椎體位移均小于正常椎體。

分析原因在于采用后路內(nèi)固定方式增加了椎體的后方剛度，當(dāng)椎體處于中立位或做前屈動(dòng)作時(shí)，椎體的最大位移都處于椎體前方，而前方椎體L1椎體骨折甚至粉碎性骨折，椎體剛度明顯降低，盡管相比后路內(nèi)固定提高了椎體的剛度，仍會(huì)造成位移略有增加[17]。對(duì)應(yīng)地，當(dāng)椎體處于后伸、左彎或右彎的工況下，椎體后路內(nèi)固定增加剛度的效應(yīng)比較明顯，位移均小于正常椎體的位移值。而在前路內(nèi)固定時(shí)，所有工況的位移均小于正常椎體，因?yàn)榍奥穬?nèi)固定大大增加了前面椎體的剛度，而椎體后方相比正常椎體無(wú)明顯剛度變化，因此前路內(nèi)固定的總體剛度要大于正常椎體。值得注意的是，前路內(nèi)固定在椎體后伸時(shí)的位移大于后路內(nèi)固定，因?yàn)楹舐穬?nèi)固定增加了椎體后方的剛度，而前路內(nèi)固定偏重于增加椎體前方的剛度[18-19]。

3.3 不同固定方式下椎體應(yīng)力分析

本次研究分析并比較了不同固定方式下的椎體應(yīng)力，結(jié)果表明：在中立位及前屈、后伸、左彎及右彎載荷下，前路固定術(shù)的椎體應(yīng)力均大于后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定術(shù)。在本研究中，當(dāng)L1椎體骨折采用后路固定時(shí)，L1椎體的應(yīng)力明顯減小，無(wú)論中立、前屈、后伸、左彎及右彎載荷下，后路內(nèi)固定器材所承受的應(yīng)力均遠(yuǎn)大于前側(cè)椎體，載荷幾乎全部由后路內(nèi)固定器材來(lái)承擔(dān)[20]，同時(shí)也增加了現(xiàn)內(nèi)固定斷裂的概率，這也是接受后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定術(shù)患者遠(yuǎn)期內(nèi)固定斷裂的重要原因。而采用前路固定時(shí)，前側(cè)承擔(dān)的載荷增大，由于鈦網(wǎng)和前路釘棒系統(tǒng)的彈性模量大于正常椎體的彈性模量，因此它們的應(yīng)力遠(yuǎn)大于其余部分的椎體[21]。

3.4 本次研究不足之處及展望

盡管FEA圖像處理技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到腰椎生物力學(xué)研究領(lǐng)域，具有無(wú)創(chuàng)、高效及可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，但急性脊柱創(chuàng)傷是涉及骨骼、神經(jīng)和肌肉等多方面損傷的疾病，F(xiàn)EA圖像處理剔除多種因素的干擾，忽略了周?chē)∪鈱?duì)模型構(gòu)建的影響，因而FEA圖像處理技術(shù)僅用于理論推演，若獲取真實(shí)的數(shù)據(jù)，還需大量的臨床實(shí)踐支持。

4 結(jié)論

本次研究構(gòu)建了正常人T12-L2節(jié)段的有限元模型，包括椎間盤(pán)、韌帶及小關(guān)節(jié)等立體結(jié)構(gòu)。在應(yīng)力加載研究中，前路內(nèi)固定在增加椎體剛度方面有較好的效果，且位移值小，活動(dòng)更加接近于正常；后路切開(kāi)椎弓根內(nèi)固定所承受的應(yīng)力都遠(yuǎn)大于前側(cè)椎體，載荷幾乎全部由后路內(nèi)固定器材來(lái)承擔(dān)，臨床上出現(xiàn)內(nèi)固定斷裂的概率也就大大提高。