全椎板切除術后回植鈦板固定對脊椎穩定性的三維有限元分析

摘要：目的應用三維有限元模型對全椎板切除術后回植鈦板固定進行生物力學性能分析。方法選取一個有代表性的健康成年志愿者（男，35歲），采用General Electrics 64層螺旋CT對已經選定的對象進行螺旋掃描及斷層圖像處理，用CT圖像和Mimics軟件建立T12-L4椎體三維模型，模擬L1，L2，L3逐節椎板切除，并分別模擬椎板回植，鈦板內固定治療方法，將三種模型導入到有限元分析軟件Abaqus，施加約束和載荷分別加載260N壓力和10NM扭矩，模擬三種模型在不同工況下的椎體位移和應力傳導情況，以及鈦板的應力分布情況。結果1、椎板切除后的椎體整體剛度最小，位移最大；正常椎體的剛度最大，位移最小；椎體回植后剛度處于他們之間，其中椎板切除后對于前屈、后伸以及旋轉動作的影響較大。2、椎板切除后，椎體應力增加；回植鈦板后椎體應力減少，而鈦板偏椎體處的部分比偏椎板的部分應力要大。結論從生物力學研究角度來看，雖然椎板回植鈦板固定可以降低全椎板切除術后的不穩，但是同樣無法恢復到術前的穩定性；鈦板的應力也集中在關節突部位。因此有待于進一步對鈦板進行改進，從而形成堅固有效的內固定。

關鍵詞：腰椎；椎板切除；椎板回植：鈦板固定；有限元目前，對于椎管內腫瘤，完整切除腫瘤，恢復脊柱的穩定性已經成為脊柱脊髓外科治療的兩項基本原則[1-2]。國內外對腰椎椎管內腫瘤多采用全椎板切除及固定治療，雖然對于腫瘤的切除較完整，但是術后腰椎的活動度降低，腰椎功能明顯下降[3]。因此有學者提出了包括鈦鋼板固定在內的椎板成形術，即能完整摘除腫瘤，又保留了脊柱的穩定性和椎管的完整性，同時避免了醫源性椎管狹窄癥的發生[4-5]。然而國內外均缺少腰椎椎板切除后復位鈦鋼板內固定對脊柱穩定性影響的生物力學研究。本文為此通過有限元分析進行生物力學系統研究，為臨床手術提供基礎理論依據。

1資料與方法

1.1一般資料①根據國人解剖學數值選取一個有代表性的健康成年男性志愿者，35歲，身高175cm，體重73kg；②General Electrics 64層螺旋CT機；③計算機工作站；④圖像處理軟件Mimics10.0(Materialise's interactive medicalimage control system 10.0)；⑤有限元分析軟件MSC.PATRAN 2005、ABAQUS。

1.2方法與步驟

1.2.1建立T12-L4椎體三維模型包括螺旋CT掃描、CT圖像處理及保存和胸腰段三維圖像的重建。正常脊柱胸腰段三維有限元模型已經建立起來。完整的脊柱胸腰段三維有限元模型包括共424244個四面體單元，6212個六面體單元，658個桿單元，總計共95191個結點。

1.2.2椎板切除及回植鈦板固定的幾何模型和有限元模型的建立在正常椎體模型的基礎上模擬臨床手術情況，分別建立L1-L2-L3椎板切除和回植鈦板固定的椎體實體模型，并在此基礎上建立有限元模型.

1.2.3賦予各結構材料學參數：其中各部位的彈性模量及泊松比選擇文獻公認的資料。

1.2.4模型的約束和加載計算采取固定L4腰椎底面所有結點平移自由度，終板和椎體骨之間采用tie約束，保證椎體骨和終板不分離，椎體骨的力通過終板和椎間盤傳遞，在T12胸椎上表面施加均勻分布的垂直向下的人體上身重力，約260N，模擬人體中立位時的工況，并在中立位的基礎上，施加10Nm的力矩，模擬椎體前屈、后伸、左彎、右旋運動，分析胸腰段椎骨骼的位移和應力傳導情況。

2結果

本文根據有限元計算結果首先提取了正常、L1-L2-L3椎板切除、椎板回植鈦板固定術后的胸腰段中立位、前屈、后伸、左彎、右旋的位移數據，作為術后椎體穩定性的對比分析，位移越小，表明術后椎體的剛度越大。另外對于各種固定器械及椎體的受力分布及最大應力同樣做對比分析，比較各種固定方式的應力傳導和應力遮擋情況，為臨床手術固定后效果的評定提供參考。

2.1椎體的位移分析不同固定方式的椎體位移分布見圖1，圖中椎體的顏色對用圖左上側的數值，顏色越偏向紅色一方，說明此處位移越大，相反，椎體顏色越偏向藍色一側，說明此處位移越小。各種固定方式的最大位移值見表1。

2.2統計分析方法獲取位移圖中位移較大區域即紅色區域中的10個單元的位移值，求其平均值，從結果可知，椎板切除后的椎體整體剛度最小，正常椎體的剛度最大，椎體回植后剛度處于他們之間，其中椎板切除后對于前屈、后伸以及旋轉動作的影響較大。

2.3應力分析 對椎板切除及回植固定后的椎體進行分析見圖2，圖3，圖中椎體的顏色對用圖左上側的數值，顏色越偏向紅色一方，說明此處應力值越大，相反，椎體顏色越偏向藍色一側，說明此處應力越小。

對椎體和鈦板的應力進行分析，因椎體骨偏脆性材料，故采用工程常用的最大主應力進行分析，而鈦板為韌性材料，故采用Mises應力進行分析。從結果中可知，回植后椎體應力增加，而鈦板偏關節突關節處的部分比偏椎板的部分應力要大。

3討論

椎管內腫瘤約占神經系統腫瘤的10%~15%。脊柱脊髓外科手術治療不僅僅需要完整切除腫瘤，還要恢復脊柱的穩定性。為了充分暴露并達到腫瘤的完整切除，手術通常需要切除全椎板，切除韌帶，棘上韌帶及棘間韌帶，咬除兩側的椎板，有時還需要咬除部分關節突關節，因此傳統脊髓腫瘤切除后，必然留下較大的骨性結構的缺損。

由于腰椎在三維空間活動中，會產生相應節段的應變，位移，轉角或扭角。如果后部結構破壞較多，勢必導致相應節段力學指標的變化，增大了腰椎移位，使脊柱處于失穩狀態。由于腰椎后部結構的切除，使得腰椎前部結構只能繞髓核而運動，就象球軸承關節一樣發生隨意的傾斜，扭轉，椎體平滑剪切等，更進一步造成腰椎的不穩定，引發腰椎滑脫。因此大量破壞脊柱的后路結構，將導致脊柱出現過度或異常運動，術后脊柱穩定性將明顯下降。

但就臨床而言，行椎板切除是從后方顯露硬膜囊，切除椎管內腫瘤的必要條件。有報道椎板切除后脊柱不穩定的發生率成人20%，兒童更是高達45%。手術后遠期的“鵝頸畸形”，腰椎滑脫等更將導致脊髓神經的功能障礙。因此如何保持脊柱生物力學的穩定性，已經成為神經外科和骨科醫生關注的焦點。

有些學者考慮通過堅強的后路內固定，甚至前后聯合固定達到穩定脊柱，保護神經的目的。但是內固定后固定節段活動度下降，脊柱退變增加，后期并發癥也較多。因此為了即維持脊柱的穩定性，又保證脊柱的正常活動度，根據Denis的脊柱三柱理論概念，目前國內外均主張在切除腫瘤的同時，必須還納取下的椎板并進行恰當的植骨內固定。

McCormick PC等研究認為頸椎椎板切除術后椎板復位，用鈦板鈦釘固定的椎板成形術能有效增強脊柱的穩定性。由于關節、韌帶能很好的保留，椎板又復位，所以脊柱的穩定性得到維持，對后期脊柱的穩定性和脊柱功能保留較好。因此在頸椎椎管成形的手術中，國內外研究者較多采用鈦板鈦釘固定的椎板成形術，而且術后效果滿意。

對于腰椎椎管內腫瘤國內外多采用后路全椎板切除，然而術后出現椎管內疤痕增生對神經形成的再壓迫，并造成了二次手術的困難；術后出現脊柱不穩，脊柱畸形等并發癥。因此為了預防這些并發癥的發生，各種椎管成形術應運而生。尤其是其中受頸椎椎板成形術的啟發利用鈦板鈦釘固定椎板的椎板回植成形術得到了初步的應用，并且臨床隨訪發現該術式既保留了脊柱原有的后路結構和椎管的完整性，又避免了因疤痕增生而導致的醫源性椎管狹窄癥的發生，同時又能防止脊柱不穩和脊柱畸形的發生。

然而目前國內外研究者僅是通過臨床的隨訪來證實該術式的優點，但卻缺乏相應的生物力學測試。

本生物力學實驗結果表明，隨著全椎板的逐節切除，椎板切除越多，最大位移就越大，椎體所受最大主應力也越大，勢必引起腰椎失穩。同時實驗結果提示，采用椎板回植，鈦鋼板固定能使椎體位移，所受最大主應力部分恢復到正常標本生物力學性能水平，而且鈦板回植后發現鈦板偏關節突關節處的部分比偏椎板的部分應力要大。實驗證明，該椎板回植鈦板固定有助于提高脊柱的穩定性，有助于提高脊柱抗壓，抗彎，抗剪和抗旋轉能力，有助于臨床癥狀的改善和脊柱功能的恢復。

但本研究仍有待于進一步的理論分析，尤其是鈦板形態的再設計，有利于應力的進一步分散，避免內固定的斷裂失效。

參考文獻：

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[5]Kawai S，Sunago K，Doi K，et al.Cervical laminoplasty (Hattori's method).Procedure and follow-up results[J].Spine，1988，13:1245–1250.編輯/王敏