單側與雙側經皮椎弓根螺釘固定融合術治療退行性腰椎不穩癥的有限元分析

劉藝，陳金傳，程辰，李虎，呂游，儲朝明，孫鵬浩

(1 連云港市第一人民醫院，江蘇連云港222000；2 連云港市中醫院；3 徐州醫科大學研究生學院)

腰椎不穩癥是指由于各種因素引起腰椎運動節段剛度下降，導致正常生理負荷下腰椎活動范圍超過正常，引起脊柱進行性畸形、神經損害等改變，以退行性腰椎不穩癥最為多見[1]。隨著脊柱椎間融合器(Cage)和內固定材料的日益成熟，后路減壓內固定融合術已成為治療退行性腰椎不穩癥的主要方法[2]。然而傳統開放手術需廣泛剝離椎旁肌肉及周圍組織，易導致術后腰背肌力量減弱，引發頑固性疼痛。近幾年，微創理念逐漸深入脊柱外科，經皮椎弓根螺釘固定融合術已逐步受到業內學者青睞。由于常規雙側經皮椎弓根螺釘固定融合術存在手術時間長、費用昂貴、固定過于堅強等缺陷，單側經皮椎弓根螺釘固定融合術開始被應用于臨床。李瑞龍等[3]認為，單側經皮椎弓根螺釘固定融合術治療胸腰椎骨折可快速矯正后凸畸形，改善神經功能，但缺乏相應的生物力學研究。有限元分析是把物體整個結構看作有限個單元依靠不同的節點相互連接而成的幾何實體，每個小單元的力學特性的總體效果可反映出結構的整體力學性能，是一種以能量原理為理論依據、借助位移法的解題思路、采用矩陣代數表達方式的研究方法。本研究旨在利用有限元分析方法創建L3～S1椎體節段模型，分別模擬單側和雙側經皮椎弓根螺釘固定融合術，通過比較不同載荷下兩種術式相鄰節段椎間盤、關節突關節、椎弓根螺釘、Cage的應力峰值及L4椎體位移情況，探討兩種術式對固定節段的穩定性及對相鄰節段的影響，進而為臨床治療退行性腰椎不穩癥術式的選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 L3～S1椎體三維有限元模型的建立 選取健康成年男性志愿者1例(27歲，身高172 cm，體質量65 kg)，既往無腰椎外傷及腰腿痛病史。采用64排螺旋CT機(美國GE公司)從L3椎體上緣至S1椎體下緣逐層連續掃描，層厚0.625 mm，將掃描獲得的數據以DICOM格式導入有限元分析軟件Mimics 13.0軟件(比利時Materialise公司)，建立L3～S1椎體三維有限元模型，見圖1。

圖1 L3～S1椎體三維有限元模型

1.2 L4～L5椎體單側及雙側經皮椎弓根螺釘固定融合術固定模型的建立及網格優化 將AutoCAD2007軟件繪制好且存儲為STL格式的4枚椎弓根螺釘(6 mm×55 mm)、2根連接棒(6 mm×50 mm)及1枚Cage(10 mm×15 mm×22 mm)數據導入Mimics 13.0軟件，通過旋轉、平移，模擬L4～L5椎體單側(左側)及雙側經皮椎弓根螺釘固定融合術，建立單側固定模型M1和雙側固定模型M2。利用Mimics 13.0軟件中的FEA模塊，對每個模型的各個部分進行面網格的優化，然后對模型的各個部分進行非流行裝配合使它們之間有共同的界面，進而結合面網格的邊長使模型生成體網格。其中M1包括L3～S1椎體、2個椎間盤、2枚椎弓根螺釘、1枚Cage和1根連接棒，共609567個結點、416092個單元；M2包括L3～S1椎體、2個椎間盤、4枚椎弓根螺釘、1枚Cage和2根連接棒，共627844個結點、425456個單元。

1.3 模型賦材質 在Mimics軟件中利用FEA模塊的material功能，根據骨骼結構的CT值應用相關經驗公式分級定義脊柱骨性結構的彈性模量和泊松比，將最大級別的彈性模量定義為12 000 Mpa以表示皮質骨，所有骨質結構的泊松比全部定義為0.29。椎間盤、椎弓根螺釘和Cage的賦材質及添加韌帶(棘間韌帶、棘上韌帶、黃韌帶、橫突間韌帶、前縱韌帶、后縱韌帶)在Ansys軟件中完成。模型各結構材料屬性見表1。

表1 椎體三維有限元模型各結構的材料屬性

1.4 不同載荷下相鄰節段椎間盤、關節突關節、椎弓根螺釘、Cage的應力峰值及L4椎體位移檢測 將S1椎體下表面固定，向L3椎體上表面施加負荷，壓力方向垂直向下，大小相當于成人體質量的2/3(50 kg，取500 N)，均勻分布在整個L3椎體上終板；同時在L3椎體上表面施加15 N·m的前屈、后伸、左右側屈、左右旋轉力矩，模擬腰椎前屈、后伸、側屈和旋轉等生理活動，測量垂直、垂直+屈曲、垂直+背伸、垂直+左側屈、垂直+右側屈、垂直+左旋轉、垂直+右旋轉等7種力矩載荷下相鄰節段(L3/L4、L5/S1)椎間盤、關節突關節、椎弓根螺釘、Cage的應力峰值及L4椎體位移。

2 結果

2.1 不同載荷下相鄰節段椎間盤、關節突關節應力峰值比較 如表2所示，與M1相比，M2不同載荷下相鄰節段(L3/L4、L5/S1)椎間盤應力峰值、關節突關節應力峰值均升高(P均<0.05)。

表2 不同載荷下相鄰節段椎間盤、關節突關節應力峰值比較

注：與M1相比，△P<0.05。

2.2 不同載荷下椎弓根螺釘、Cage應力峰值比較 如表3所示，不同載荷下M1、M2椎弓根螺釘應力峰值、Cage應力峰值無顯著性差異(P均>0.05)。

表3 不同載荷下椎弓根螺釘、Cage應力峰值比較

2.3 不同載荷下L4椎體位移比較 如表4所示，不同載荷下M1、M2 L4椎體位移無顯著性差異(P均>0.05)。

表4 不同載荷下L4椎體位移比較(mm)

3 討論

隨著社會老齡化趨勢日益嚴重，臨床上退行性腰椎不穩癥所致腰痛患者不斷增多，重建脊柱矢狀面平衡及恢復脊柱穩定性是目前基本治療原則，但常規腰椎后路減壓植骨融合內固定術有手術創傷大、出血多、椎旁肌肉韌帶復合體剝離廣泛、術后臥床時間長及鄰近節段退變加速等缺陷。近幾年，微創手術逐漸成為脊柱外科發展的重要趨勢。Park等[4]比較了微創經通道和傳統開放的腰椎后路融合術的術后影像資料，發現椎間隙的撐開和椎體高度的保持上差異無統計學意義，且微創手術患者術后恢復快，可早期下床活動。與傳統手術相比，本研究模擬的經皮椎弓根螺釘固定融合術具有手術切口小、出血少、腰骶肌肉剝離范圍小、術后恢復快等優點，符合現代脊柱微創發展的理念，且單側入路減少了椎旁肌肉軟組織的損傷，保留了非手術側的穩定性。

有限元法是數值計算中的一種離散化方法，是矩陣方法在結構力學和彈性力學等領域中的應用。Belytchko等[5]在1973年首次將有限元法應用于脊柱生物力學研究；Bay等[6]利用有限元法測量了椎體中的應力分布，建模形象生動、精確度高；Chosa等[7]運用有限元法可重復性好和可比性強的特點，對比分析L3～L5節段后外側融合術和后路椎間融合術的應力特點。有限元法不僅能逼真的模仿椎骨、椎間盤，還能將周圍的肌肉、韌帶加入模型，為建立保留肌肉韌帶復合體的經皮椎弓根內固定模型創造了條件。本研究根據正常成年人L3～S1椎體CT掃描數據，建成了L4～L5節段椎體單側和雙側椎間Cage融合內固定的三維有限元模型，使其具有以下特點：①假定L4～L5節段椎間不穩，這樣的骨骼密度與周圍軟組織層次分明，提取方便，層厚設定為0.625 mm，使信息丟失更小。②建模網格優化時，建成M1共609 567個結點、416 092個單元，M2共627 844個結點、425 456個單元，比既往文獻報道[8]的腰椎不同融合術式有限元模型網格劃分更細，結點、單元更多，計算結果更準確。③建模中完整添加各節段周圍韌帶，并賦予其原有生物材料特性，可更真實的模擬L4～L5椎節段經皮椎弓根螺釘內固定術。

在融合椎間節段的上下相鄰節段出現的退變稱為鄰近節段退變[11]。本研究結果顯示，與M1相比，M2不同載荷下相鄰節段椎間盤、關節突關節應力峰值均升高，可見單側固定更能緩解鄰近節段的應力。多數學者[12]認為，脊柱內固定術后鄰近節段代償性活動度增加是導致鄰近節段退變的主要原因。因此，我們認為單側固定強度較小，使鄰近節段代償活動減小，鄰近節段退變風險也相應減小。Shono等[13]也指出，過度堅強的內固定可加速鄰近節段的退變，適當的控制內固定強度可降低應力遮擋效應，有利于椎間植骨區融合。

在椎弓根螺釘應力方面，本實驗模擬鈦合金的內固定系統，有較好的釘-骨界面，并且彈性模量和泊松比接近人體骨骼的屬性，減少了螺釘的扭轉應力，增強了螺釘的固定強度，能夠減少螺釘的折斷率。我們還發現，在不同載荷下，單側經皮椎弓根螺釘應力值與雙側比較無明顯差異，表明M1與M2一樣為脊柱重建穩定性提供足夠的強度。陳志朋等[10]認為單側椎弓根釘固定雖比雙側強度和剛度較小，但已超過正常的腰椎，足以達到椎間融合所需的力學環境。在椎間Cage應力方面，雖然在不同載荷下，M1 Cage應力較M2更高，但差異無統計學意義，術中沒有因為單雙側固定的不同給椎間Cage帶來很大的差別，因此單側固定并不影響椎間Cage的應力分布。

本研究還通過測量模型的位移來評價不同載荷下脊柱融合節段的穩定性，即測定不同載荷下L4椎體的位移。研究結果顯示，不同載荷下M1、M2 L4椎體位移情況無顯著性差異，說明無論單側固定還是雙側固定，均能為融合提供相同的初始穩定性，這與Chen等[14]在體外的生物力學試驗結果一致。

綜上所述，單側經皮椎弓根螺釘固定融合術治療退行性腰椎不穩癥能夠跟雙側固定一樣給脊柱融合提供相同的初始穩定性，且避免對椎旁肌肉、軟組織的損傷，減少內固定物的應力遮擋、減少對鄰近節段退變的影響。因此，我們認為單側經皮椎弓根螺釘固定融合術理論上是微創經椎間孔腰椎間融合固定的較好技術。但本實驗因為建模技術不熟練、內固定材料與實物的差距等原因，可能會使結果產生一定的誤差，有待改進及重復驗證。同時，本實驗為模擬性手術，需要臨床及標本生物力學的進一步驗證。