去松質(zhì)骨截骨術與全脊柱截骨術治療強直性脊柱炎后凸畸形有限元分析

李 輝,張 鵬,尚 俊,馬 原

(1山西省臨汾市人民醫(yī)院骨科,臨汾 041000;2新疆醫(yī)科大學第六附屬醫(yī)院脊柱外一科;*通訊作者,E-mail:xjjgyymy@126.com)

強直性脊柱炎并發(fā)后凸畸形的特征是胸后凸增大以及腰前凸減小,呈車輪狀或者大“C”形狀[1],由于患者胸后凸增大,導致其重心向前,失去矢狀面平衡,為了保持平衡,患者往往會選擇屈髖屈膝,保持重心向后,為了恢復患者矢狀面平衡,解除平視障礙,消除對胸腔和腹腔臟器的壓迫[2,3],往往需要通過外科手術矯正后凸畸形[4],手術的目的是使患者恢復矢狀面平衡[5],能夠直視前方,并且解除對臟器的壓迫。目前國內(nèi)外常采用的截骨矯正后凸畸形的手術方式主要有(Smith-Petersen osteotomy,SPO)關節(jié)突截骨、椎弓椎體截骨(pedicle subtraction osteotomy,PSO)、全脊柱切除術(vertebral column resection,VCR)、脊柱去松質(zhì)骨截骨術(vertebral column decancellation,VCD)[6-8]。本研究主要就腰2節(jié)段全脊椎切除術(VCR)和脊柱去松質(zhì)骨截骨術(VCD)術式矯正強直性脊柱炎后凸的生物力學進行比較,通過三維有限元分析得出科學的結(jié)論,為臨床工作提供一定的理論指導。

本研究通過的患者CT斷層圖像,導入計算機建模軟件(Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013)建立了與實體相似的后凸三維模型,并通過軟件測量計算得出恢復矢狀面平衡的最佳截骨角度,在已經(jīng)建立的虛擬模型上進行模擬手術截骨,安裝釘棒內(nèi)固定,最后輸入有限元分析軟件Ansys workbench 15.0進行分析計算,得出數(shù)據(jù),綜合分析和比較生物力學參數(shù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

從新疆醫(yī)科大學第六附屬醫(yī)院脊柱外科研究所選擇1例強直性脊柱炎后凸志愿者。患者,艾某,男性,維吾爾族,30歲,身高172 cm,體質(zhì)量70 kg。在征得患者及家屬同意后,按照醫(yī)療機構(gòu)管理條例的相關要求與患者簽署知情同意書。拍攝全脊柱正側(cè)位X線片與核磁共振掃描,同時行CT薄層掃描,掃描區(qū)間從C1水平至骶尾骨,掃描層厚1 mm,排除脊柱及脊髓其他病變,結(jié)合病史確診為強直性脊柱炎后凸畸形。COBB角為:30.9°。

建模軟件:Mimics 17.0(三維醫(yī)學建模軟件),Geomagic Studio 2013(模型優(yōu)化,并建立NURBS曲面)。UG NX8.5(在模型上加載內(nèi)固定,進行手術截骨操作)。Ansys workbench 15.0用于三維有限元模型的建立及分析。

1.2 研究方法

通過東芝320排CT對患者行薄層掃描,共獲得間隔1 mm,重建厚度0.5 mm,二維平面圖像分辨率512×512,每像素0.873 mm的CT斷面圖像2 434張,保存文件的格式為DICOM。導入建模軟件(Mimics17)建立初步三維模型(見圖1),再使用Geomagic Studio 2013軟件,優(yōu)化模型,并建立NURBS曲面。應用UG NX8.5建立脊柱實體模型,利用軟件的實體功能切除部分無用的骶骨實體模型,在C1頂部建立載荷平面,以方便受力情況的設置,使用曲線和草圖功能,建立連接椎體之間的鈣化韌帶模型。完成強直性脊柱炎后凸三維模型的建立。并對該模型進行3D實體打印(見圖2)。

圖1 CT三維重建和利用建模軟件Mimics 17.0建立的三維模型Figure 1 CT 3D reconstruction and 3D model established by modeling software Mimics 17.0

圖2 強直性脊柱炎后凸3D打印模型圖Figure 2 Kyphosis 3D printed model of ankylosing spondylitis

2 結(jié)果

2.1 截骨角度的計算

本研究的計算方法采用肺門-髖軸計算法[9],首先在全脊柱側(cè)位X線片尋找肺門以及髖軸的中點,并在模型上模擬出髖軸中點的位置,測量骨盆入射角PI為35.4°,通過tPT=PI×0.37-7°計算得出tPT為6.98°,在計算機上準確定位肺門的位置,并繞截骨頂點旋轉(zhuǎn)肺門至軀體重力線上,通過上述計算測量得出,在腰2椎體上預截骨角度為:38.9°(見圖3)。

2.2 截骨矯形設計方案

在模型腰2椎體上進行模擬脊柱去松質(zhì)骨截骨,切除范圍主要包括椎體后方棘突,上下關節(jié)突,椎板,對椎體進行Y形截骨,并對截骨面行后方閉合,前方張開。在模型上進行全脊椎截骨,該術式主要切除截骨椎體,以及截骨椎體節(jié)段的椎板,棘突,關節(jié)突和橫突,最后對切除椎體后空置部分進行鈦籠支撐植骨。兩種方式截骨角度均選擇為38.9°。使用UG NX8.5軟件安裝內(nèi)固定,截骨椎體上下各三個椎體安裝12枚椎弓根螺釘+鈦棒固定(見圖4)。

圖3 腰2截骨角度的測量Figure 3 Measurement of the waist 2 osteotomy angle

2.3 有限元分析

將建立完成的截骨模型導入有限元分析軟件Ansys workbench 15.0中,設置材料參數(shù)[10,11](見表1),對模型進行網(wǎng)格劃分,加載載荷,計算得出數(shù)據(jù)。比較不同截骨節(jié)段下上下各三個椎體12根椎弓根螺釘+鈦棒固定的應力。

A.腰2節(jié)段VCD截骨模型 B.VCR截骨模型圖4 兩種不同方式截骨模型圖Figure 4 Two osteotomy models established by two different ways

表1脊椎,椎間盤及韌帶材料參數(shù)

Table1Parametersofspine,intervertebraldiscandligament

結(jié)構(gòu)彈性模量(MPa)泊松比皮質(zhì)骨 120000.3松質(zhì)骨 120000.3椎間盤 120000.3韌帶 120000.3螺釘 1.034×1050.35鈦棒 1.034×1050.35鈦籠 1.034×1050.35

成功建立三維有限元模型,包括椎體,椎間盤及脊柱韌帶。VCD截骨模型共劃分十節(jié)點四面體單元948 874個,1 564 477個節(jié)點,VCR截骨模型共劃分十節(jié)點四面體單元931 969個,1 548 812個節(jié)點,通過計算分析得出兩種不同截骨方式下椎弓根螺釘、鈦棒等效應力,VCD和VCR截骨模型從T11-L(胸11節(jié)段左側(cè))至L5-L(腰5節(jié)段左側(cè))以及鈦棒、截骨接觸面等效應力見表2、圖5、圖6。

表2兩種不同截骨方式的應力(MPa)

Table2Stressoftwodifferentosteotomymethods(MPa)

項目VCDVCRT11-L40.94618.899T12-L67.2613.133L1-L493.64120.78L3-L304.0591.177L4-L75.35941.979L5-L146.31138.84鈦棒391.01109.04截骨接觸面等效應力6.722713.318

T11代表第11胸椎、L1代表第1腰椎、L代表左側(cè)

圖5 去松質(zhì)骨截骨術內(nèi)固定應力示意圖Figure 5 Schematic diagram of internal fixation stress of decancellation osteotomy

圖6 腰2去松質(zhì)骨截骨術接觸面應力Figure 6 The contact surface stress in waist 2 decancellation osteotomy

3 討論

目前臨床上常用的截骨術包括經(jīng)椎弓根截骨術(PSO),全脊椎切除截骨術(VCR),去松質(zhì)骨化截骨術(VCD)。王巖報道了脊柱去松質(zhì)骨截骨術(vertebral column decancellation,VCD)矯正強直性脊柱炎后凸畸形,該術式的優(yōu)點是切除椎體后方的骨松質(zhì),行截骨斷端閉合,前方張開,一方面由于松質(zhì)骨的切除,使得截骨面皮質(zhì)骨閉合,更有助于后期骨性融合,而后方閉合及前方張開也有效地減少截骨量。全脊柱切除術(vertebral column resection,VCR)是指完整切除1個甚至多個脊柱節(jié)段,包括相鄰的椎間盤結(jié)構(gòu)。該手術主要切除預截骨椎體,以及椎體后方的棘突,椎板,關節(jié)突和橫突,由于前中柱椎體被完全切除,必須對切除位置進行鈦籠支撐植骨,保證脊柱的穩(wěn)定性。由于對椎體以及后方的結(jié)構(gòu)完全切除,故可以達到同時矯正矢狀面和冠狀面上的畸形的目的。可以用于重度后凸畸形[12,13]。其最大截骨角度均優(yōu)于另外兩種術式。

針對同樣的患者,選擇不同的截骨術,以及截骨角度和截骨椎體的選擇對術后內(nèi)固定都會產(chǎn)生不同的影響,去松質(zhì)骨截骨術(VCD)和全脊柱截骨術(VCR)在臨床上已應用于后凸畸形的截骨矯形,其矯形療效的報道也較多,但術后的生物力學的研究卻鮮有報道,故本研究初步嘗試在兩種不同截骨術式下螺釘、鈦棒應力分布情況,為臨床手術應用提供一定的生物力學基礎。

3.1 模型基礎

本研究選用強直性脊柱炎并發(fā)后凸畸形患者作為研究樣本。由于后凸畸形是強直性脊柱炎晚期嚴重的并發(fā)癥之一,由于患者不恰當?shù)淖藙?導致并發(fā)后凸畸形,所以外科手術截骨矯形是唯一能夠矯正后凸畸形的有效方法,本研究選擇腰2椎體作為研究目標,不僅是因為其椎管容納的為馬尾神經(jīng),不易損傷脊髓,還因其能夠恢復腰椎生理性前凸,而在臨床實踐中,腰2椎體也是脊柱外科醫(yī)師最常選擇的截骨椎體之一,故本研究選擇腰2椎體作為截骨節(jié)段。此外,本研究所建立的模型還具有以下特點:①模型的構(gòu)建基于CT掃描數(shù)據(jù),具有準確度高,力學相似性與幾何相似性優(yōu)等特點；②數(shù)據(jù)來源于DICOM原始圖像,建模過程均由軟件完成,盡可能減少人為干預,保證實驗結(jié)果的準確性；③建立的模型不僅可以進行有限元分析,還可以輸入CAD軟件進行實體3D打印,實現(xiàn)模型多元化的應用。我們還將骨盆位置性參數(shù)納入截骨角度的預測,通過計算得出科學的結(jié)果,并將其應用于本研究中。

3.2 不同截骨節(jié)段的比較

本研究結(jié)果提示:在橫向比較下,腰2椎體VCD截骨方式下的有六個節(jié)段椎弓根螺釘和鈦棒的等效應力均要高于腰2椎體VCR截骨,其螺釘應力分別為40.946,67.26,493.64,304.05,75.359,146.31 MPa。鈦棒等效應力為391.01 MPa。差距最大的為L1節(jié)段,差值為372.86 MPa,前者是后者的4.08倍。腰2 VCD左側(cè)鈦棒應力是腰2 VCR的3.58倍,兩者相差281.97 MPa。從截骨接觸面應力比較得出,腰2 VCD截骨方式低于腰2 VCR,分別為6.722 7 MPa與13.318 MPa,后者是前者的1.98倍。縱向比較:兩個不同節(jié)段截骨螺釘應力均集中于手術截骨椎體上個節(jié)段,腰2 VCD手術椎體上下節(jié)段螺釘應力為493.64,304.05 MPa,遠高于末端的40.946 MPa和146.31 MPa。此外,根據(jù)螺釘應力分布圖顯示發(fā)現(xiàn),應力集中于螺釘頸部,這也符合臨床螺釘斷裂的實際情況。綜合分析可以得出:腰2 VCD的釘棒應力明顯是要高于腰2 VCR,兩者差距明顯,考慮原因主要是由于VCD截骨術切除椎體部分后行后方閉合,前方張開,類似“Y”字形狀,而脊柱的穩(wěn)定性主要來自前柱或者前中柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,恢復前柱穩(wěn)定性是防止術后內(nèi)固定失敗的重要措施,有研究也表明,在椎體前柱損傷時,由于前柱的不穩(wěn)定,導致軸向剪切力增加,是造成椎弓根內(nèi)固定失敗的主要力學因素[14]。因此,對于恢復前柱的穩(wěn)定性對于預防內(nèi)固定失敗顯得尤為重要。而本研究中VCD截骨術由于對椎體行“Y”形截骨,導致椎體前柱張開,這就導致出現(xiàn)上述穩(wěn)定性較差的情況,而VCR截骨術由于是對椎體及其后方的結(jié)構(gòu)全部切除,并使用鈦籠對其進行支撐,對重建脊柱的穩(wěn)定性優(yōu)于VCD截骨術。這也是導致兩者內(nèi)固定應力差距明顯的原因之一。由于VCR手術切除范圍大,出血多,神經(jīng)損傷風險高,同時對術者的技術水平有很高的要求,而對于改良版術式VCD來說,彌補了VCR手術的缺點,其手術切除范圍小,出血少,神經(jīng)并發(fā)癥也比VCR術式低,這樣可減少手術并發(fā)癥的風險,為此,我們可以考慮對VCD截骨術在前柱張開的情況下,對其張開部分進行植骨融合,這樣不僅能夠重建脊柱的穩(wěn)定性,降低內(nèi)固定失敗的并發(fā)癥,同時還能夠汲取VCD術式的優(yōu)勢。由于強直性脊柱炎后凸畸形患者韌帶以及椎間盤都已經(jīng)嚴重骨化,基本沒有活動度,故本研究只選擇靜態(tài)的模型進行研究,未選擇屈伸,側(cè)彎,旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行研究。

綜上所述,首先,傳統(tǒng)的截骨術缺乏術前的規(guī)劃,對截骨角度憑借經(jīng)驗判斷,這往往導致矯形不足或者矯形過度,本研究將骨盆位置性參數(shù)納入研究因素,科學地預測截骨角度,對于術后矢狀面平衡的重建有重要意義,其次,強直性脊柱炎后凸截骨矯形相關生物力學的研究未見報道,本研究在截骨矯形角度的預測,截骨方式和截骨椎體的選擇等方面進行了初步研究,并將相關數(shù)據(jù)整理分析,有一定的理論指導意義,但考慮到強直性脊柱炎后凸畸形個體差異較大,而本研究僅對于車輪狀后凸患者有一定的意義,而針對于其他類型后凸的患者則有待于進一步大量實驗樣本的驗證。