經椎間孔腰椎融合術的有限元應用進展

楊歡++++++宋紅星

[摘要] 近年來，隨著脊柱退行性疾病的發病率逐年增加，腰椎融合術不斷創新，相關三維有限元分析方法日益趨向成熟。本文對近10年來有限元在腰椎融合術的應用進展進行總結，詳細闡述了經椎間孔腰椎融合術發展史、脊柱結構的有限元模型構建概要及經椎間孔腰椎融合術、內固定器械的有限元分析應用。

[關鍵詞] 腰椎融合術；有限元分析；生物力學；脊柱

[中圖分類號] R68 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）11（b）-0043-04

[Abstract] In recent years， with the incidence of spinal degenerative diseases increasing year by year and the constant innovation of lumbar spinal fusion， the three-dimensional finite element method is becoming more and more mature. This article concludes that the application of finite element method in lumbar spinal fusion in recent 10 years and explains in detail the development history of transforaminal lumbar interbody fusion （TLIF）， the introduction for constructing finite element models of spine and the application of finite element analysis of TLIF and instrumentation system.

[Key words] Fusion； Finite element analysis； Biomechanics； Spine

脊柱退行性疾病包括腰椎間盤突出癥、腰椎管狹窄癥、腰椎滑脫癥、頸椎間盤突出癥、頸椎病、經椎管狹窄癥等。椎間融合手術是目前國內臨床廣泛應用的治療脊柱退行性病變的手術方法之一，但是可能會導致手術相鄰節段椎間盤退變加速。融合手術后，通常需要進行脊柱生物力學的重建，以防止手術引起的脊柱不穩等并發癥。椎體間融合手術是臨床廣泛應用的脊柱生物力學重建方法之一。然而，對于椎間盤退變問題和生物力學穩定性問題是近年來學者研究的重點，也是爭論的焦點。有限元分析是把復雜整體分散成有限個簡單個體，對每個個體進行數學方程解析，進而研究復雜整體的生物力學特性，具有廣泛性、科學性。有限元分析方法的出現為現代脊柱外科學的發展作出了重要貢獻。本文對脊柱外科融合術的發展、近年來有限元分析建模的具體步驟及有限元分析在脊柱外科融合術的應用進行總結與展望。

1 經椎間孔腰椎融合術概要

隨著生活進步與社會發展，工作強度也越來越大。腰椎間盤突出、腰椎管狹窄、腰椎滑脫等[1]近年來發病率呈升高趨勢[2]。腰椎融合手術每年增加約77%[3]。這些疾病不僅造成疼痛，而且有可能影響肢體活動，甚至造成殘疾，對患者心理和身體健康影響極大。腰椎椎體融合術可以起到固定作用，最常見的有經椎間孔腰椎椎體間融合術（transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF）。近年來，微創脊柱外科發展迅速，2002年Foley等[4]在通道下完成了微創腰椎椎體間融合術（min？鄄imally invasive transforaminal lumbar interbody fusion，MIS-TLIF）。MIS-TLIF技術可以更好地保護肌肉神經，避免持續高強度牽拉，具有術后恢復快、腰背疼痛輕、臥床時間短等特點[5]，得到廣泛認可。

2 有限元發展歷史

有限元（FE）的基本原理是將無限質點組成的實體用有限個單元描述，單元之間用節點劃分，這種做法稱為離散化。根據單元描述類型而設置單元種類。加載邊界條件分析模擬應力分布，通過計算機建立復雜的方程組求解。1972年，由Belytschko等[6]最先將有限元分析應用到脊柱生物力學。有限元對脊柱生物力學研究有著重要作用，可以通過圖像與數據分析椎體和內植物的應力應變，結果直觀并且準確，避免了材料的浪費與人體實驗的局限性，彌補了傳統實驗的不足。有限元分析已經成為脊柱外科一種重要的研究手段。

3 經椎間孔腰椎融合術的有限元模型建立

選取25～30歲正常成年人腰椎CT圖像（64排，層距1 mm），輸出為Dicom格式，無既往脊柱疾病史，無腰椎退行性變趨勢。一般TLIF需要涉及L3～S1椎體、椎間盤、附著韌帶和關節囊，圖像資料導入到醫用圖像處理軟件中，如Mimics，重建所需研究的相應脊柱節段以及后柱結構的三維模型，隨后導入Geomagic studio等模型光滑軟件中進行打磨、光順，去除可能會使計算結果不收斂的角度，修飾模型中縫隙以及提高表面質量。輸出為IGES文件后導入有限元分析軟件，如Ansys，設置材料屬性，單元類型，邊界條件。

椎體有松質骨和0.5 mm厚的皮質骨構成[7]。椎間盤由髓核、纖維環構成，髓核占40%[8]。韌帶包括前縱韌帶、后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶、關節囊韌帶和黃韌帶。材料屬性一般包括彈性模量、泊松比和橫截面積，具體數值參見國際標準。在有限元分析過程開始前，施加邊界條件，L5下方固定，L3上終板面加載垂直載荷，并在L3椎體各個節點加載扭矩，模擬前屈、后伸、側屈、軸向旋轉四種生物力學運動。觀察指標主要有腰椎活動度（ROM），用角位移表示和Von Mises應力等指標。endprint

模型有效性驗證是有限元分析中非常重要的一步。雖然用計算機模擬計算過程是準確的，但是生物力學活動是復雜的，不能完全通過模型來分析。因此，需要將模擬結果與離體實驗和相關文獻比較，用統計軟件分析其一致性，是否處于一個標準差范圍內。

4 經椎間孔融合術的有限元研究應用

4.1 椎間融合器的有限元研究

隨著脊柱融合術治療腰椎退行性疾病的普及，單純椎弓根螺釘固定已經不能滿足更高的穩定性，而且應力集中使其容易疲勞損壞。融合器能夠有效改變應力分布，并且分散應力至下椎板[9]。然而，在臨床上，最佳的融合器形狀和數量還沒有確定，融合器的置入角度不同也會很大程度影響穩定性，有限元分析為解決這些問題提供了新思路。付誠等[10]對融合器置入角度進行了生物力學研究，結果顯示應力分布會隨著融合器角度不同而存在差異，認為斜向45°配合單邊椎弓根螺釘固定可以更好地應用于TLIF技術。一些學者認為，單雙枚融合器不存在生物力學穩定性的差異[11]。但是，由Xu等[12]認為兩枚融合器可以使椎弓根釘應力集中減小。此外，融合器的形狀也會影響椎體穩定性和融合器下沉率。TLIF技術從椎間孔入路進入，具有切口小、不易損傷神經、融合率高的特點[13]。Faizan等[14]認為適合TLIF入路的大尺寸融合器可以獲得更好的應力分散，減少椎弓根螺釘的應力分布并且能減少融合器的下沉率。最近，有學者認為，由于患者自身骨質結構和病理不同，有必要通過生物力學技術研究符合每個患者自身特點的融合器，這將有助于提供最佳生物力學融合率以及加快患者術后恢復時間[15]。

4.2 TLIF雙側固定與MIS-TLIF單側固定的生物力學對比研究

TLIF技術早期通常使用雙側椎弓根螺釘固定維持正常椎間隙，由于其高度穩定性，越來越受到大家關注[16]。傳統的TLIF技術通過后正中切口，而隨著醫療器械發展，MIS-TLIF技術逐漸成熟，具有更小的切口和更高的穩定性，減少椎體骨組織和骶棘肌破壞。一些學者認為可以使用單側固定，更大程度減少手術創傷、縮短手術時間、減少出血。但是，一些研究者反對使用單側固定，原因是一些臨床證據表明單側固定不會帶來更大的優勢[17]，而且會造成內固定失敗和假關節形成[18]，也有一些生物力學實驗表明了這種觀點[19]。即便如此，也有一些學者認為過強的脊柱穩定性不能起到更好的穩定作用，反而會導致骨質疏松[20]。對于這種爭議，一些學者應用有限元法探究單雙側固定的穩定性，Chen等[21]認為TLIF手術不適合應用非對稱的融合器，并且存在軸向旋轉和側屈不穩時最好使用雙側固定。Ambati等[22]證明雙側固定時有更高的穩定性，并且對內植物的壓力減小，融合器的數目和形狀在雙側固定時對穩定性沒有影響。

此外，近年來，隨著機器人輔助微創腰椎融合術的發展，一些回顧性研究已經顯示了比較滿意的效果[23]。Kim等[24]用有限元方法對兩種不同的固定技術進行分析，認為機器輔助的腰椎融合術增大了椎弓根螺釘與關節面之間的距離，會減小螺釘的與關節面的壓力和椎間盤壓力，這與之前的研究結果一致[25]。當使用機器輔助系統，患者特殊的模擬對于理想的螺釘軌跡是可能的，并且可以根據患者的特殊的解剖學不同顯示理想的側方進入點和軌跡，而且機器輔助系統能夠重復這種模擬準確性和可靠性。

4.3有限元在TLIF術后鄰近節段退變的研究

相鄰節段退變是脊柱融合的常見問題。由于腰椎融合術后，融合節段的移動度下降，剛性增高，可能會加劇相鄰節段發生退變的風險。脊柱融合術后鄰近節段在影像學及癥狀均有退變表現，稱為鄰近節段疾病（ASD）。ASD發病率為6.3%～27.4%[26]。目前，鄰近節段退變的發生機制沒有明確結論。有學者認為，融合節段上下ROM增大，而上方ROM增大程度較下方更為明顯，可能是導致鄰近節段退變因素之一[27]。Rao等[28]用體外生物力學實驗方法得出ALIF相鄰節段椎間壓力增高、移動度增大的結論。但是，由于其脊柱材料特性，試驗重復性差。Tang等[29]分別在L3～5建立了ALIF和TLIF模型，加載800 N垂直載荷和10 Nm力矩在L3上終板面，模擬前屈、后伸、側彎、扭轉，結果顯示L3～4椎盤內壓力增加，椎間扭轉趨勢增大，屈服應力增加，提示TLIF會增加鄰近節段的退變和失穩。此外，也有人認為，相鄰椎間盤應力的變化也是導致鄰近節段退變因素之一。椎間融合可能增大相鄰節段椎間盤壓力，并且頭側大于尾側[30]。最近，Hsieh等[31]發現，融合術后去除固定器有可能緩解臨近節段壓力。在融合固定后，鄰近節段間盤壓力和關節面應力增加了57.6%、47.3%，但是在去除了固定裝置后，分別減小到22.7%、27.0%

5 小結

隨著脊柱融合術廣泛應用于脊柱退行性變，因為其具有臨床安全性、準確性和可重復性。但是，也有一些局限性。材料屬性設置不夠真實，無法精確模擬組織結構的材料特性及非均質性。不能精確模擬一些非線彈性的組織，如韌帶、肌肉、脂肪等。而韌帶、肌肉組織在脊柱生物力學中起到非常重要的作用，維持脊柱穩定性。因此，腰椎韌帶、肌肉的有限元分析的深入研究將會給經椎間孔腰椎融合術的研究帶來突破。

[參考文獻]

[1] Phillips FM，Slosar PJ，Youssef JA，et al. Lumbar spine fusion for chronic low back pain due to degenerative disc disease：a systematic review [J]. Spine（Phila Pa 1976），2013，38（7）：E409-E422.

[2] Zhang YG，Sun Z，Zhang Z，et al. Risk factors for lumbar intervertebral disc herniation in Chinese population [J]. Spine，2009，34（25）：E918-E922.endprint

[3] Deyo RA，Nachemson A，Mirza SK. Spinal-fusion surgery—the case for restraint [J]. N Engl J Med，2004，350（7）：722-726.

[4] Foley KT，Holly LT，Schwender JD. Minimally invasive lumbar fusion [J]. Spine（Phila Pa 1976），2003，28（15 Suppl）：S26-S35.

[5] Zairi F，Allaoui M，Thines L，et al. Transforaminal lumbar interbody fusion：goals of the minimal invasive approach [J]. Neurochirurgie，2013，59（4-5）：171-177.

[6] Belytschko T，Kulak RF，Schultz AB，et al. Finite element stress analysis of an intervertebral disc [J]. J Biomech，1974， 7（3）：277-285.

[7] Vadapalli S，Sairyo K，Goel VK，et al. Biomechanical rationale for using polyetheretherketone（PEEK）spacers for lumbar interbody fusion-A finite element study [J]. Spine（Phila Pa 1976），2006，31（26）：E992-E998.

[8] Denoziere G，Ku DN. Biomechanical comparison between fusion of two vertebrae and implantation of an artificial intervertebral disc [J]. J Biomech，2006，39（4）：766-775.

[9] Polikeit A，Ferguson SJ，Nolte LP，et al. Factors influencing stresses in the lumbar spine after the insertion of intervertebral cages：finite element analysis [J]. Eur Spine J，2003，12（4）：413-420.

[10] 付誠，王昱，蔣鈺鋼，等.經椎間孔腰椎間融合三維有限元分析[J].上海交通大學學報，2015，49（12）：1876-1881.

[11] Chiang MF，Zhong ZC，Chen CS，et al. Biomechanical comparison of instrumented posterior lumbar interbody fusion with one or two cages by finite element analysis [J]. Spine（Phila Pa 1976），2006，31（19）：E682-E689.

[12] Xu H， Ju W， Xu N， et al. Biomechanical comparison of transforaminal lumbar interbody fusion with 1 or 2 cages by finite-element analysis [J]. Neurosurgery，2013，73（2 Suppl Operative）：s198-s205.

[13] Humphreys SC，Hodges SD，Patwardhan AG，et al. Comparison of posterior and transforaminal approaches to lumbar interbody fusion [J]. Spine（Phila Pa 1976），2001，26（5）：567-571.

[14] Faizan A，Kiapour A，Kiapour AM，et al. Biomechanical analysis of various footprints of transforaminal lumbar interbody fusion devices [J]. J Spinal Disord Tech，2014， 27（4）：118-127.

[15] Zhang M，Pu F，Xu L，et al. Development of an integrated CAD-FEA system for patient-specific design of spinal cages [J]. Comput Methods Biomech Biomed Engin，2017， 20（4）：355-364.

[16] Grob D，Scheier HJ，Dvorak J，et al. Circumferential fusion of the lumbar and lumbosacral spine [J]. Arch Orthop Trauma Surg，1991，111（1）：20-25.

[17] Xue H，Tu Y，Cai M. Comparison of unilateral versus bilateral instrumented transforaminal lumbar interbody fusion in degenerative lumbar diseases [J]. Spine J，2012， 12（3）：209-215.endprint

[18] Schleicher P，Beth P，Ottenbacher A，et al. Biomechanical evaluation of different asymmetrical posterior stabilization methods for minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion [J]. J Neurosurg Spine，2008，9（4）：363-371.

[19] Harris BM，Hilibrand AS， Savas PE，et al. Transforaminal lumbar interbody fusion：the effect of various instrumentation techniques on the flexibility of the lumbar spine [J]. Spine（Phila Pa 1976），2004，29（4）：E65-E70.

[20] Nagata H，Schendel MJ，Transfeldt EE，et al. The effects of immobilization of long segments of the spine on the adjacent and distal facet force and lumbosacral motion [J]. Spine（Phila Pa 1976），1993，18（16）：2471-2479.

[21] Chen SH，Lin SC，Tsai WC，et al. Biomechanical comparison of unilateral and bilateral pedicle screws fixation for transforaminal lumbar interbody fusion after decompressive surgery—a finite element analysis [J]. BMC Musculoskelet Disord，2012，13：72.

[22] Ambati DV，Wright EK，Lehman RA，et al. Bilateral pedicle screw fixation provides superior biomechanical stability in transforaminal lumbar interbody fusion：a finite element study [J]. Spine J，2015，15（8）：1812-1822.

[23] Kim HJ， Lee SH， Chang BS，et al. Monitoring the quality of robot-assisted pedicle screw fixation in the lumbar spine by using a cumulative summation test [J]. Spine（Phila Pa 1976），2015，40（2）：87-94.

[24] Kim HJ，Kang KT，Park SC，et al. Biomechanical advantages of robot-assisted pedicle screw fixation in posterior lumbar interbody fusion compared with freehand technique in a prospective randomized controlled trial—perspective for patient-specific finite element analysis [J]. Spine J，2017，17（5）：671-680.

[25] Kim HJ，Chun HJ，Kang KT，et al. The biomechanical effect of pedicle screws' insertion angle and position on the superior adjacent segment in 1 segment lumbar fusion [J]. Spine （Phila Pa 1976），2012，37（19）：1637-1644.

[26] Fei Q，Zhao F，Yang Y，et al. Effects of posterior lumbar spinal fusion on the stability of unstable lumbar segment and biomechanical properties of adjacent segments：a finite element study [J]. Zhonghua Yi Xue Za Zhi，2015，95（45）：3681-3686.

[27] Kong C，Lu S，Hai Y，et al. Biomechanical effect of interspinous dynamic stabilization adjacent to single-level fusion on range of motion of the transition segment and the adjacent segment [J]. Clin Biomech，2015，30（4）：355-359.

[28] Rao RD，David KS，Wang M. Biomechanical changes at adjacent segments following anterior lumbar interbody fusion using tapered cages [J]. Spine（Phila Pa 1976），2005， 30（24）：2772-2776.

[29] Tang S. Does tlif aggravate adjacent segmental degeneration more adversely than alif？ A finite element study. [J]. Turk Neurosurg，2012，22（3）：324-328.

[30] Guan Y，Yoganandan N，Maiman DJ，et al. Internal and external responses of anterior lumbar/lumbosacral fusion：nonlinear finite element analysis [J]. J Spinal Disord Tech，2008，21（4）：299-304.

[31] Hsieh YY，Chen CH，Tsuang FY，et al. Removal of fixation construct could mitigate adjacent segment stress after lumbosacral fusion：a finite element analysis [J]. Clinical Biomechanics，2017，43：115-120.endprint