有限元方法應用于特發性脊柱側凸研究的進展

馮毅，海涌，藏磊

(1.山西醫科大學第二醫院骨科，山西太原030001;2.首都醫科大學附屬朝陽醫院，北京100020)

綜述

有限元方法應用于特發性脊柱側凸研究的進展

馮毅1，海涌2*，藏磊2

(1.山西醫科大學第二醫院骨科，山西太原030001;2.首都醫科大學附屬朝陽醫院，北京100020)

有限元方法自20世紀中期誕生以來，其通用性和有效性已經在諸多領域得到驗證，目前在生物醫學領域廣泛應用于口腔、眼科和骨科等臨床研究。自Belytschko等［1］于1974年首次將有限元方法應用于脊柱生物力學研究以來，其在脊柱外科領域的應用日益廣泛和深入。Viviani等［2］于1986年最早將有限元方法應用于脊柱側凸領域，用于指導手術矯正，并對矯正方案進行了優化。由于脊柱側凸病理解剖復雜，體外實驗和動物模型均難以模擬，使得其生物力學研究受到限制。有限元方法能較逼真地模擬各種類型脊柱側凸的形態并能進行相關的生物力學計算，在脊柱側凸研究領域有著無可比擬的優越性。我們總結了近年來有限元方法應用于特發性脊柱側凸的相關研究成果，報告如下。

1 病理機制研究

特發性脊柱側凸的病理機制包括三個方面:a)直立行走引起的脊柱力學不穩定是發病基礎;b)人體解剖結構不對稱加之脊柱力學不穩定導致脊柱發生旋轉;c)椎體結構包括椎體和椎弓根成骨速度不一樣，椎體兩側生長不對稱，椎間盤纖維含量差異等會進一步加重側凸。以上三者中，直立行走過程中脊柱的載荷重力和椎間盤變性是脊柱側凸的一個基礎發病機制。Drevelle等［3］利用有限元模型模擬四種脊柱側凸的病理機制，一是脊柱載荷自然重力，二是脊柱載荷重力聯合椎間盤機械硬度降低;三是脊柱載荷重力聯合脊柱前柱生長;四是聯合重力、椎間盤硬度降低以及前柱生長三種機制。結果表明單純載荷重力可引起脊柱側凸進一步側方移位，但對旋轉不造成影響，聯合前柱生長則能進一步引起旋轉加重，如果進一步聯合間盤硬度降低，以上的作用均會得到加強。但對于正常脊柱，以上三種模擬機制均不能引發脊柱側凸。Clin等［4］模擬施加重力于每一個椎體水平重心的中點，通過模擬失重和承受重力兩種狀態與實際影像學表現相比較進行參數優化，然后計算發生側彎椎體承受的力量，發現凸側和凹側椎體壓力明顯不同。Li等［5］利用有限元模型研究震動對青少年特發性脊柱側凸的影響，通過對脊柱的有限元模型在縱軸、冠狀位、矢狀位方向施加1～35 Hz頻率的震動載荷來觀察對側凸的影響。結果顯示側凸脊柱比正常脊柱受震動的影響更大，胸彎比腰彎所受影響要大。對于有側凸畸形的脊柱施加軸性震動載荷可以引起旋轉畸形和側凸畸形的進一步加重。Shi等［6］建立具有生長動態的脊柱有限元模型，利用這個模型衍生出另外5種幾何模型，模擬不同類型的冠狀面以及矢狀面側凸畸形。這些有限元模型整合了椎體生長板以及生長調節生物力學特性模擬青少年特發性脊柱側凸和正常脊柱十年生長的動態過程，連續測量脊柱的形態變化并進行比較。結果表明椎體形態的加速增長能促進側凸畸形的進展，是一個關鍵性因素。

2 柔韌性研究

有限元模型非常逼真的模擬了脊柱連接單元，包括椎體、椎間盤、小關節突以及韌帶等，為特發性脊柱側凸的柔韌性研究提供了良好的研究方法。Little等［7］利用有限元分析證實，減少椎間盤的膠原纖維量或降低韌帶的僵硬度對減少脊柱彎度的影響較小，而切除整個椎間盤則會大大增加脊柱的柔韌性。椎間盤的僵硬度對脊柱的柔韌性存在明顯影響，而脊柱的柔韌性也會對椎間盤的形態和成分造成影響。Hunt等［8］在幼羊脊柱采用非融合技術進行固定，雖然不會引起相應椎間盤的退行性改變，但是椎間盤組織的細胞密度會降低，而且細胞出現萎縮，終板的血管組織也減少，但相鄰的未固定節段的椎間盤細胞活力以及終板血運均正常。除了椎間盤的僵硬度會影響脊柱的活動度，其形態也對脊柱的活動度存在影響。Meijer等［9］建立L3～4運動節段的有限元模型，用來評估青少年脊柱生長期的幾何變量如椎體及椎間盤的高度、寬度、縱向長度等，以及橫突寬度、棘突長度、髓核大小、小關節突關節面面積、韌帶粗細等對脊柱后伸、前屈、雙側屈以及軸性旋轉的僵硬度的影響。研究表明，盡管青少年生長期高度變量最大，但其對脊柱的活動度影響卻不大。椎間盤和椎體的縱向長度變量對于脊柱各個方向活動度的影響最大，寬度變量僅影響側屈的僵硬度。近些年人們開始利用有限元方法模擬周圍軟組織對于矯形的影響。Little等［10］用標準參數模擬軟組織性能參數，并通過改變肋椎關節的性能參數進行修正。研究表明支點彎曲試驗中脊柱的柔韌性不是某種單一組織單獨作用能夠控制的。

3 內固定物生物力學研究

大部分嚴重的以及保守治療失敗的脊柱側凸最終都要依賴內固定進行矯形。內固定物的研發以及應用的安全性和有效性是目前研究的重點。對金屬材質的良好模擬性使得有限元方法應用于內固定物的研究具備得天獨厚的條件。目前研究主要集中在材料屬性、內固定種類、固定牢靠度、矯形有效性以及應力集中、疲勞等方面。Lalonde等［11］利用有限元模擬了1例內窺鏡下植入U型釘矯形典型的右胸彎病例(Cobb角21°)，模擬術中側臥位和術后站立位以及改變每個椎體植入U型釘數目情形下脊柱側彎的矯形情況。結果顯示Cobb角主要改善來自術中體位(9°)，而U型釘的即刻矯形作用不超過1°。但當轉化為站立位時，U型釘可以幫助維持術中體位獲得的矯形。作者認為此項研究可以進一步模擬手術病例，驗證其在完成生長調節矯形、改善側臥位矯形、為各種類型的側彎制定不同的置釘方案等方面的有效性。Wagnac等［12］建立L3椎體的有限元模型模擬椎弓根螺釘的軸性拔出與體內試驗的數據相比較。模擬螺釘拔出的力量與實際測得的相接近，而且有限元分析顯示椎弓根螺釘拔出試驗中椎體內的Von Mises應力集中于螺釘各個螺紋根部的骨質處，而且最大應力位于椎體后壁皮質骨內螺釘最近端螺紋處的骨質。Driscoll等［13］建立一個胸椎前凸的有限元模型，主彎集中于T5～9，通過分別模擬不銹鋼釘、彈性栓帶、形狀記憶合金三種非融合內植入物固定于模型中來觀察各自的短期療效(生長板的非對稱負荷和側凸矯形效果)和長期療效(生長2年后的矯形效果)，最終證明三種非融合內固定物通過椎體生長板的非對稱性壓力控制達到生長調整，獲得了長期的矯形效果。Salmingo等［14］通過有限元模型對模擬的固定棒不斷施加三維力量，直至其變形與實際術后的幾何變形一致，然后來分析其在矯形中所承受的三維力量。研究認為此逆解法能很好地通過內固定物的變形來分析其承載的生物力學。隨后，作者又通過有限元分析表明盡管可以通過增加螺釘的密度來增加矯形度數，但同節段的應力也會增加，矯形效果不僅僅是與內植入物承受的應力相關，還與螺釘植入配置和脊柱的僵硬程度有關。考慮到應力承受，通過增加螺釘的數量來增加矯形效果不是保險安全的手術策略［15］。Rohlmann等［16］利用建立的腰椎有限元模型，對直立、屈曲、伸展、左右側位、左右軸性旋轉等七種負荷進行概率有限元研究。結果顯示椎弓根螺釘動態穩定系統可以減少椎體間旋轉、椎間盤壓力以及關節面壓力，負荷承載、彈性桿的彈性模量和直徑、椎體節段的撐開、桿與螺釘連接的角剛度等輸入參數對輸出參數如椎間旋轉、椎間盤壓力、以及關節面承受力的影響最大。Driscoll等［17］通過有限元模型模擬不銹鋼釘、記憶合金釘、彈性栓帶等幾種內固定物植入到凸側頂椎的周圍來分析比較各自的矯形效果以及椎體生長板的應力圖，再模擬出生長兩年后的脊柱，計算側凸角度變化，包括植入內固定物的和沒有植入內固定物的。研究表明內固定物通過壓迫椎體生長板可以起到生長期的矯形效果，生長型有限元模型為臨床研究非融合保留生長技術提供了很好的研究平臺。也有學者模擬出生長期的脊柱側凸有限元模型，并進一步模擬出安裝生長棒的脊柱生長模型，通過有限元分析來精確模擬生長棒所需的3D力量以及調整周期。

4 體位矯形研究

既往已經有關于有限元對體位矯形的研究，對脊柱俯臥位全麻狀態下脊柱側凸的矯正進行了有限元模型的建立和力學分析，對比側臥位、仰臥位和俯臥位脊柱側凸的改善程度，認為脊柱側凸的糾正程度和手術中的體位有關系。近幾年的研究將更多的影響因素附加到有限元模型，對體位的矯形作用做更深一步的研究。Lalonde等［18］通過建立術中側臥位時脊柱的有限元模型，成功模擬出與實際測量相一致的脊柱變形的幾何形態，而且有限元模擬進一步顯示骨盆傾斜度對不同類型側凸的腰彎和主彎的Cobb角造成不同影響。側臥位可以在內固定矯形前有效地減少側彎的度數。作者進一步通過個體化的有限元模型來分析術前側臥位對于側凸各項指標的改善作用，發現有限元模型能很好的模擬主彎Cobb角以及頂椎移位的改善程度［19］。Driscoll等［20］根據站立位平片模擬出包括脊柱、肋骨、骨盆以及下肢的有限元模型，研究患者從站立位轉變成俯臥位時外科矯形墊的結構，站立位曲度大小以及患者重量等對脊柱幾何形態的影響。結果表明腰前凸、胸后凸、近胸彎、主胸彎、胸腰彎等冠狀位和矢狀位曲度在俯臥位時均減少，除了胸墊的縱向位置以外，外科矯形墊的結構、站立位曲度大小以及患者重量等對脊柱的幾何形態均可造成重要影響。

5 支具矯形研究

支具矯形作為一種有效而無創的治療方法在畸形較輕的脊柱側凸和發育的早期節段被廣泛應用。有限元分析應用于支具的研究有諸多優點:a)能夠良好地模擬支具的形態結構;b)能夠隨意地改變支具的材料屬性并進行比較;c)能夠精準地測量各個部位的應力情況;d)能夠觀察支具應力下的動態變化。目前的研究主要集中在支具的設計、改良、研發等方面。Clin等［21］建立脊柱側凸支具治療的有限元模型來分析各種設計因素的即刻矯形效果，發現支具開口的位置(前開口和后開口)影響矯形的機制，粗隆部伸展的位置通過改變杠桿臂影響胸腰部襯墊的效果，增加扣帶的緊張度會增加冠狀面的矯形效果，后凸設計會影響矢狀面的矯形。后來，作者又建立了包括重力作用在內的脊柱側凸患者軀干的有限元模型，模擬了支具佩戴，并對其束帶的張力、脊柱僵硬程度以及重力的影響進行評估。他們發現支具矯形程度主要取決于束帶張力大小和脊柱僵硬程度［22］。Berteau等［23］應用有限元分析法模擬出具有分散力矯形的改良支具并與傳統支具相比較，結果表明前者的三維矯形效果優于后者。Desbiens-Blais等［24］利用從二維平片獲得軀干骨骼的三維重建以及從表面形貌學獲得的軀干表面建立有限元模型，與CAD/CAM軟件(Rodin 4D)聯合，利用迭代設計并模擬支具矯形效果來預測軀干的承受力，最后模擬出的支具由數控裝配師進行裝配。對比這種新型模擬支具與標準支具的矯形效果，顯示計算機輔助支具與標準矯形支具的矯形效果相當。

6 手術矯形研究

如前所述，由于有限元方法能較好的模擬各種類型脊柱側凸，又能較好的模擬內固定物，還能給模型加載各種應力并計算三維矯形結果以及各節點所承受的應力，并能分析內固定物的應力應變情況。因此有限元分析法可以說是目前模擬脊柱側凸手術矯形的最佳研究手段和方法。近幾年，有限元分析法在模擬手術矯形效果、選擇手術入路和融合節段、預測手術風險等方面取得了很多成果。Lafon等［25］對CD旋棒技術進行了深入研究。作者使用一種自動運算系統模擬了CD手術矯形技術，并且對比實際術后脊柱形態及各種數據來評估模擬的效果。研究發現每一步操作均對脊柱側凸的矯正有影響，尤其是第2根棒植入后對脊柱整體的影響更為重要。作者進一步建立了10例重度特發性側凸患者的個體化有限元模型，采用自動模擬原位彎棒技術，將釘(鉤)與棒之間的接觸設置為具有滑動、旋轉和鎖定功能的關節，用兩個相反方向的力矩模擬兩根彎棒作用于選定椎體的內固定物節點上。研究發現原位彎棒技術與CD旋棒技術的矯形效果相似，并且雙側棒的彎曲對融合區以內或以外的脊柱產生互補的作用［26］。Li等［27］利用PUMCⅡd2型特發性脊柱側凸患者的有限元模型分別模擬比較了上胸彎融合、下腰彎融合和雙彎融合3種不同手術方式，認為通過有限元模型進行載荷下模擬分析得到的最佳手術方案與分型的融合原則相同，進一步驗證有限元模型的有效性。Little等［28］利用T7～8運動節段(包括T8肋骨)的有限元模型對脊柱側凸手術中切除肋骨過程中的相關生物力學變化進行分析。通過模擬節段性的去穩定手術(椎間盤切除，右側肋椎關節切除，右側肋橫突關節切除，左側肋椎關節切除)，在2 000 Nm力矩下分析屈曲、伸展、側彎以及軸性旋轉的生物力學特征，與體外測得的數據進行比較，并進一步分析后方韌帶的載荷。結果顯示切除肋椎關節會導致脊柱關節的過度旋轉活動，從而增加韌帶過負荷和損傷的風險。Cahill等［29］模擬出脊柱側凸胸椎融合術的有限元模型，變化模型一:去除固定節段近端一個水平的ISL/SSL復合體，變化模型二:采用過渡棒(末端變細)延長固定節段到上一個節段水平。計算獲得載荷控制和位移控制兩種情況下的角位移、髓核最大壓力、內固定物的應力。當ISL/SSL復合體移除后，固定的上一個節段的髓核壓力及角位移均會增加，但當固定采用過渡棒延長一個節段后，這些力學變化就會恢復正常。而且，采用過渡棒延長固定能夠避免即使ISL/SSL復合體沒有損傷情況下的髓核壓力及角位移的增加。有限元分析顯示固定節段的近端一個水平的病理載荷在ISL/SSL復合體完整的情況下會減少。如果應用過渡棒延長固定的話，則可能會完全得到消除。Pasha等［30］模擬出1例詳細的個性化的脊柱、骨盆和肋骨的有限元模型，從9例青少年特發性脊柱側凸患者術前和術后平均16個月時獲得骶骨生物力學載荷，與對照組的12例進行比較。結果表明術后與對照組之間的骶骨生物力學載荷沒有差別，但術前和術后，術前和對照組之間均有明顯的差異。Zhang等［31］利用有限元模擬手術矯形程序，包括去旋轉和加壓，比較不同手術入路和融合節段的脊柱的應力變化和矯形效果，結果顯示，建立的Lenke5型的脊柱側凸有限元模型能夠成功的模擬手術效果，幫助臨床選擇手術方法。Little等［32］還利用術前CT生成8例前路單棒矯形術的有限元模型，包括脊椎韌帶和肋骨，內固定鈦棒和螺釘，利用模型分析不同載荷下術中椎體間的壓力情況。研究表明術中關節間壓力與矯形效果直接相關，主要的畸形矯正位于或接近于頂椎水平，冠狀面的畸形矯正與椎間隙空間解剖有著重要關系，當矯形過程中對側椎體骨對骨接觸后則達到了矯形的極限。

有限元方法在研究脊椎及間盤的應力和應變、脊柱畸形的發生和發展、內固定物的材料屬性和生物力學、矯形治療的選擇和優化等方面可以說是目前一種不可替代的技術手段。但是目前有限元模擬主要是采用簡化和假設，研究者可以自由地對簡化方式、假設、材料特征和形狀進行選擇，且有些生理結構目前尚無法實現模擬，其有效性與尸體標本和實體實驗尚有差距。加之脊柱矯形除了脊柱本身的生物力學外，還有外界很多因素，如重力因素、周圍肌群、術中麻醉、體位等，這些不確定因素更是增加了有限元分析的復雜度和計算量，而在實際研究中這些常常被忽略，這就導致得到的數據與實際生理數據有差異。但是，隨著有限元分析軟件的改進，如Abaqus，ANSYS等功能越來越強大，能夠逼真地模擬椎體、間盤甚至椎間小關節和肋椎關節等，還能附加韌帶、肌肉等軟組織，使得有限元分析越來越合理、越來越科學，而且隨著有限元軟件操作界面的不斷簡化，有限元的應用會越來越廣泛。此外，隨著脊柱側凸解剖、病理、生物力學等認識的深入，更多更準確的材料屬性數據的獲得，各種影響因素的合理附加等等，有限元分析法在脊柱側凸領域的應用定會有廣闊的發展前景。

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R682.1+3

A

2015-07-06

馮毅(1971-)，男，副主任醫師，山西醫科大學第二醫院骨科，030001。

1008-5572(2016)01-0035-05

*本文通訊作者：海涌