剛性固定和動(dòng)態(tài)固定治療腰椎峽部裂三維有限元分析

許澤川，黃宏杰，陳 銘，肖永川，常 山

腰椎峽部在脊柱的力學(xué)傳導(dǎo)中具有“支點(diǎn)”作用，它能夠限制椎體“前移”，當(dāng)發(fā)生腰椎峽部裂時(shí)，會(huì)因“失穩(wěn)”產(chǎn)生明顯的退變?cè)錾闆r，后期出現(xiàn)下腰痛及下肢放射痛等臨床癥狀，嚴(yán)重地影響患者生活質(zhì)量[1]。目前腰椎峽部裂的治療主要采用剛性?xún)?nèi)固定，該方式能夠帶來(lái)良好的穩(wěn)定性，利于手術(shù)節(jié)段融合，術(shù)后短期效果良好。但在長(zhǎng)期隨訪中，這種治療方式可能出現(xiàn)鄰近節(jié)段的退變甚至鄰椎病等并發(fā)癥。隨著內(nèi)固定技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)固定更加符合脊柱的生物力學(xué)，但動(dòng)態(tài)化的同時(shí)“犧牲”了部分穩(wěn)定性。因此，本研究采用三維有限元方法建立3例L4椎體雙側(cè)峽部裂模型，采用Isobar TTL半堅(jiān)強(qiáng)動(dòng)態(tài)內(nèi)固定[2]及傳統(tǒng)剛性固定兩種治療方式，對(duì)L4椎體腰椎位移、鄰近節(jié)段L3～4椎間盤(pán)應(yīng)力、內(nèi)固定應(yīng)力進(jìn)行分析研究。

1 材料與方法

1.1 L3～5有限元模型建立選取成都醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院·核工業(yè)四一六醫(yī)院2018年～2021年3例L4椎體雙側(cè)峽部裂伴或不伴有腰椎Ⅰ度滑脫患者(年齡分別為46、42、52歲)，患者主訴下腰痛、下肢神經(jīng)根性痛等癥狀，經(jīng)非手術(shù)治療3～6個(gè)月，癥狀緩解欠佳。采集3例患者0.625 mm的薄層橫斷位、矢狀位、冠狀位的原始CT數(shù)據(jù)，以DICOM格式刻錄光盤(pán)。通過(guò)Mimics軟件將二維圖像進(jìn)行三維重建，采用Geomagic Studio軟件進(jìn)行模型表面處理，利用HyperMesh軟件網(wǎng)格化形成實(shí)體模型后，導(dǎo)入Abaqus軟件進(jìn)行模型軟組織的構(gòu)建及有限元計(jì)算。皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤(pán)、韌帶的材料屬性根據(jù)既往經(jīng)典數(shù)據(jù)產(chǎn)生[3]，見(jiàn)表1。

表1 材料賦值表[3]

1.2 內(nèi)固定手術(shù)模型建立通過(guò)SolidWoks軟件對(duì)實(shí)體Isobar TTL半堅(jiān)強(qiáng)動(dòng)態(tài)固定裝置模型進(jìn)行等比例數(shù)據(jù)重建，分別設(shè)定動(dòng)態(tài)內(nèi)固定Isobar TTL動(dòng)態(tài)棒與L3～5骨骼模型、傳統(tǒng)剛性固定椎弓根與L3～5骨骼模型、未采用固定方式3個(gè)模型，裝配完成后利用HyperMesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再給予賦值。本研究使用均一賦值法[4-6]。

1.3 接觸關(guān)系、邊界條件及力學(xué)加載在不同手術(shù)模型中將椎弓根螺釘和椎體之間均設(shè)定為緊密接觸。固定L5椎體的下表面，在L3椎體上表面均勻施加約人體體重2/3的500 N應(yīng)力，同時(shí)施加10 N·m 的扭力彎矩，使其均勻分布到L3椎體上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此來(lái)模擬椎體的垂直、前屈、后伸、旋轉(zhuǎn)、側(cè)屈5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1.4 模型驗(yàn)證有限元模型的各個(gè)部件的參數(shù)均采用既往經(jīng)典數(shù)據(jù)[7]，同時(shí)本研究的驗(yàn)證分別采用幾何形態(tài)驗(yàn)證以及力學(xué)參數(shù)驗(yàn)證，未采用內(nèi)固定方式的數(shù)據(jù)同顧曉民 等[8]體外實(shí)驗(yàn)及有限元模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比具有一致的趨勢(shì)性，表明本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂袦?zhǔn)確性、有效性，后期可以進(jìn)一步處理和分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果

2.1 腰椎位移見(jiàn)表2、圖1。相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，腰椎位移垂直、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)動(dòng)態(tài)固定大于剛性固定,但差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，前屈、后伸狀態(tài)動(dòng)態(tài)固定大于剛性固定，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

圖1 5種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下腰椎整體位移云圖 A～E.依次為垂直、前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)5種腰椎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，a～d依次為未固定、動(dòng)態(tài)固定、剛性固定腰椎位移云圖以及3例患者不同內(nèi)固定方式腰椎位移數(shù)據(jù)圖

表2 相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下腰椎位移比較

2.2 鄰近節(jié)段L3～4椎間盤(pán)應(yīng)力見(jiàn)表3、圖2。相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下鄰近節(jié)段L3～4椎間盤(pán)應(yīng)力比較：垂直狀態(tài)剛性固定大于動(dòng)態(tài)固定，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)剛性固定大于動(dòng)態(tài)固定，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

圖2 L3～4椎間盤(pán)Von-Mises應(yīng)力云圖 A～E.依次為垂直、前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)5種腰椎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，a～d依次為未固定、動(dòng)態(tài)固定、剛性固定椎間盤(pán)Von-Mises應(yīng)力云圖以及3例患者不同內(nèi)固定方式L3～4椎間盤(pán)Von-Mises應(yīng)力數(shù)據(jù)圖

表3 相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下鄰近節(jié)段L3～4椎間盤(pán)應(yīng)力比較

2.3 內(nèi)固定應(yīng)力見(jiàn)表4、圖3。相同腰椎運(yùn)動(dòng)狀下內(nèi)固定應(yīng)力比較：垂直、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下剛性固定大于動(dòng)態(tài)固定,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，后伸狀態(tài)動(dòng)態(tài)固定大于剛性固定，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，前屈狀態(tài)動(dòng)態(tài)固定大于剛性固定,但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

圖3 內(nèi)固定Von-Mises應(yīng)力云圖 A～E.依次為代表垂直、前屈、后伸、側(cè)屈、旋轉(zhuǎn)5種腰椎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，a～c依次為動(dòng)態(tài)固定、剛性固定Von-Mises應(yīng)力云圖以及3例患者不同內(nèi)固定方式的內(nèi)固定Von-Mises應(yīng)力數(shù)據(jù)圖

表4 相同腰椎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下內(nèi)固定應(yīng)力比較

3 討論

腰椎峽部裂主要發(fā)生于L4和L5椎體，大約占90%[9]。L4椎體在腰椎中承受的軸向應(yīng)力及活動(dòng)度大，因此當(dāng)L4椎體發(fā)生雙側(cè)峽部裂后腰椎生物力學(xué)穩(wěn)定性受到的影響更大，早期會(huì)出現(xiàn)較為明顯的下腰痛臨床表現(xiàn)。既往在腰椎峽部裂療效分析中，大多采用影像學(xué)定性及治療效果評(píng)分(疼痛VAS評(píng)分、ODI)等方式，并未對(duì)具體的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行定量分析，因此我們?cè)谝酝R床定性分析基礎(chǔ)上進(jìn)行了更加深入的定量研究。

3.1 穩(wěn)定性分析鑒于腰椎峽部裂這類(lèi)結(jié)構(gòu)性的失穩(wěn)性疾病，我們首先應(yīng)該重視不同手術(shù)方式提供的穩(wěn)定性，因此脊柱穩(wěn)定性是必不可少的分析指標(biāo)。本研究中，我們通過(guò)對(duì)腰椎位移分析得出腰椎整體的穩(wěn)定性有一致的趨勢(shì)，在絕大多數(shù)腰椎運(yùn)動(dòng)中，動(dòng)態(tài)內(nèi)固定和剛性固定的穩(wěn)定性相似。在前屈、后伸狀態(tài)下穩(wěn)定性的差異，主要是動(dòng)態(tài)固定承擔(dān)的“卸力”效果受到影響，而剛性固定所帶來(lái)的“絕對(duì)固定”可能會(huì)有更好的穩(wěn)定性，但這兩種運(yùn)動(dòng)方式都可以通過(guò)患者佩戴支具得到很好的控制。所以，對(duì)于動(dòng)態(tài)固定的患者在術(shù)后的康復(fù)鍛煉過(guò)程中，可佩戴支具以獲得更好的穩(wěn)定效果。

3.2 鄰近節(jié)段退變分析研究[10-11]發(fā)現(xiàn)，剛性固定在穩(wěn)定脊柱時(shí)，也增加鄰近節(jié)段的應(yīng)力代償性，加速鄰近節(jié)段椎間盤(pán)退變，尤其對(duì)于上位節(jié)段退變影響更加明顯[12]。本研究對(duì)鄰近節(jié)段椎間盤(pán)應(yīng)力的分析結(jié)果也支持以上觀點(diǎn)。我們認(rèn)為，動(dòng)態(tài)固定由于存在動(dòng)態(tài)關(guān)節(jié)的應(yīng)力緩沖，對(duì)固定節(jié)段活動(dòng)度限制能力相對(duì)較小，最大限度保留了固定節(jié)段的活動(dòng)性，減少了鄰近節(jié)段的代償，有效地保護(hù)了鄰近節(jié)段。因此，動(dòng)態(tài)固定相較于剛性固定能減緩鄰近椎間盤(pán)的退變，減少鄰椎病的發(fā)生。

3.3 內(nèi)固定斷裂風(fēng)險(xiǎn)分析峽部裂的失穩(wěn)情況使得其對(duì)內(nèi)固定的強(qiáng)度要求更高，若內(nèi)固定的強(qiáng)度不夠，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)固定失敗斷裂，尤其在釘棒結(jié)合處的斷裂情況高發(fā)。本研究結(jié)果表明，由于動(dòng)態(tài)關(guān)節(jié)的存在，使得應(yīng)力在傳導(dǎo)過(guò)程中得到“釋放緩沖”，尤其減少釘棒結(jié)合處的應(yīng)力，這大大減少了臨床中常見(jiàn)的內(nèi)固定斷裂情況。但同時(shí)也由于動(dòng)態(tài)固定的特殊性，患者在后伸狀態(tài)下，動(dòng)態(tài)固定應(yīng)力會(huì)大大增加，該結(jié)果也從另一方面證明后伸狀態(tài)腰椎狹部應(yīng)力會(huì)明顯增大，需要通過(guò)支具保護(hù)限制腰椎后伸活動(dòng)，從而降低內(nèi)固定斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

本研究通過(guò)分析兩種內(nèi)固定方式治療腰椎峽部裂認(rèn)為，雖然動(dòng)態(tài)固定在穩(wěn)定性及內(nèi)固定斷裂分析中并不絕對(duì)“完美”，但動(dòng)態(tài)固定能夠明顯減少鄰近節(jié)段椎間盤(pán)退變發(fā)生，且夠提供相似的腰椎整體穩(wěn)定性，同時(shí)降低內(nèi)固定斷裂風(fēng)險(xiǎn)，存在“瑕疵”問(wèn)題也能夠通過(guò)較為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的方式解決。 因此，我們認(rèn)為動(dòng)態(tài)固定對(duì)于腰椎峽部裂患者能夠達(dá)到手術(shù)治療目的，同時(shí)也較剛性?xún)?nèi)固定的并發(fā)癥少，是臨床可以推廣的一種手術(shù)方式。