胸腰椎骨內固定手術仿真模型優化研究

李雨辰， 鄒任玲， 孫元良， 范虓杰， 汪圣舟，李智超， 胡秀枋

（上海理工大學 健康科學與工程學院, 上海 200093）

人體脊柱由脊椎骨及椎間盤構成，在整個人體骨骼構造中是人體軀干的支柱，有著十分重要的作用。作為脊柱中極易受損的節段，胸腰椎受損約占脊柱受損總數的50%～70%[1]，椎弓根螺釘內固定方式則是目前應用最廣泛的治療胸腰椎受損的手術方式[2]。對于脊柱胸腰椎骨置釘手術的臨床效果與損傷分析的研究，是通過構建內固定系統的置釘胸腰椎三維模型，并對其進行有限元分析，獲得在脊柱不同運動狀態的力學分析結果，用以觀察置釘手術效果[3]。手術模型主要有胸腰椎模型和椎弓根螺釘內固定系統，Liu 等[4]在CT 圖像數據的基礎上重建出腰椎L3-L4 兩節段有限元模型用于螺釘生物力學的評測。賈宏禹等[5]利用CT 圖像數據重建出T12-L1 節段正常椎骨與壓縮性骨折模型并進行了模型有效性驗證。宋元進等[6]重建出T11-L1 三節胸腰椎有限元模型用來分析不同固定方式對于胸腰段骨折的影響，這些模型研究多為兩節到三節， 但臨床研究表明，內固定手術后路長節段內固定方式相比較于短節段內固定方式來說，在患者康復過程中康復效果明顯優于短節段[7]，因此，多節段模型的建立對臨床分析更具有客觀性。手術模型的另一個重要環節是椎弓根螺釘內固定系統，Grob 等[8]對于植入Dynesys內固定系統的患者康復情況進行了調查總結，依舊存在臨近關節退變術后并發癥的發生幾率，Lee等[9]采用Coflex 內固定系統對腰椎管狹窄患者康復情況進行了調查隨訪，研究術后患者生理變化，發現了一些內固定失敗的個例。這些固定方式大都采用堅強固定系統，臨床上這種固定方式會引起臨近關節退變、內固定失敗等一系列術后并發癥[10-12]，目前一種新型的可旋動固定系統可以減輕術后并發癥。因此，重建一種可旋動椎弓根螺釘的新型內固定系統，結合多節段三維胸腰椎模型，進行有限元方法手術植入方式分析，并對內固定旋動的影響等問題進行分析，模擬真實手術過程，能降低術后影響，對于提高手術成功率具有重要的臨床意義。

1 材料與方法

1.1 多節段胸腰椎三維模型優化

為了更加直觀地分析手術前期仿真置釘效果，克服傳統短節段胸腰椎模型不全面、分析受限的缺點，構建四節長節段胸腰椎模型，胸腰椎模型采用醫院提供的正常人體全脊柱CT 圖像，共使用721 張。重建初期采用Mimics 分析軟件，使用成熟的區域增長法與灰度閾值法提取人體椎骨模型[13]。將721 張DICOM 格式胸腰椎CT 圖像導入到Mimics 醫學三維重建軟件中，用圖像分割技術分離出所需的四節段胸腰椎骨模型[14]，并使用多層提取的方法與布爾操作，以椎骨上下表面為基礎，利用目標數據點集（Mask）填充兩節椎骨間的間隙，單獨重建出完全契合的椎間盤，使模型更加精細真實。然后使用計算（Calculate）功能可以由蒙版模型生成三維點云模型，生成圖1 所示的三維模型。

圖1 蒙版-三維模型Fig.1 Mask - 3D model

采用Mimics 導出點云的三維模型必須將其曲面化才能進行后續有限元分析，而Geomagic 軟件具有曲面化的功能，可以后續進行有限元分析。本處理將Mimics 的T12-L3 胸腰椎骨三維模型分別導出為STL 格式，并導入到Geomagic 軟件中進行光滑、精確曲面等操作，從而得到NURBS 曲面模型，最后導出為IGS 格式，方便后續在SolidWorks軟件中進行置釘手術模擬操作。為了進一步優化胸腰椎骨模型，還需要對其進行網格劃分與賦值操作。采用3-Matic 軟件可以對其進行面-體網格劃分。在體網格劃分中整體采用10 節點的四面體單元，如圖2 所示。此種四面體單元可以較為契合地完成復雜模型網格劃分，對模型的適應性很強，得到的模型更為精細。網格模型建立后在Mimics中直接根據灰度值法給胸腰椎骨進行賦值。相較于為皮質骨、松質骨等組織單獨賦予單一材料，利用CT 圖像中含有的灰度值HU數據對人體胸腰椎骨進行賦值具有更加真實的優點[15]，這對減少模擬誤差、提高手術成功率具有十分重要的意義。Mimics 本身具有人體不同骨組織的經驗公式，經驗公式主要采用表觀密度、彈性模量、泊松比定義材料，是較為完善的材料屬性定義，完全可以直接使用經驗公式對其進行賦值，如表1 所示。A-P，M-L，S-I 分別為前-后方向、內-外方向、上-下方向。ρ為表觀密度。

表1 脊柱表觀密度-彈性模量經驗公式Tab.1 Empirical formula of apparent density-modulus of elasticity of spine

圖2 正常胸腰椎有限元模型Fig.2 Finite element model of normal thoracolumbar spine

建立的正常腰椎有限元模型如圖2 所示。

1.2 長節段胸腰椎骨內固定系統優化

1.2.1 可旋動椎弓根螺釘內固定系統設計

旋動型螺釘可以避免堅強固定手術方式引起的一系列術后并發癥，本文設計了一種旋動椎弓根螺釘系統[16]，該可旋動椎弓根螺釘內固定系統內含一種可以旋動以及微動的椎弓根螺釘，此種設計可以最大限度地避免患者術后關節活動度過分受限以及容易引起相鄰節段椎骨退化的后遺癥。可旋動椎弓根螺釘結構如圖3 所示，可旋動椎弓根螺釘內固定系統的關鍵部分為可旋動椎弓根螺釘。可旋動椎弓根螺釘整體上由螺釘和釘座組成。螺釘裝配在釘座中形成轉動副。螺釘可按照裝配槽口的不同設置不同的安裝角度，并可在釘座內按限定角度實現輕微轉動，如圖3(b)中α與β角之差為微動角度范圍。內釘座和外釘座之間可形成轉動關系，內釘座和外釘座中間留有一定空隙，可有效減少摩擦力，內釘座和外釘座凹槽內裝有滾珠，如圖3(d)所示，紅色為滾珠，黑色加深邊框為滑槽，滾珠在滑槽內往復滾動，可與內釘座、外釘座形成滾動配合關系，三者共同配合下可在滑槽限定角度內實現內釘座和外釘座間的相對轉動，如圖3(c)所示γ與δ角之差為轉動角度范圍。

圖3 可旋動椎弓根螺釘及旋動部件Fig. 3 Rotable pedicle screws and rotating components

1.2.2 內固定置釘模型建立與分析

置釘打孔方式會影響手術效果，一般由醫生經驗確定，會造成一定主觀失誤和偏差，因此，采用多種置釘方式模擬手術效果，能夠優化并制定置釘模型，避免醫生的主觀錯誤。本次模型優化采用先進的Magerl 法[17]和Krag 法[18]進行置釘打孔。

Magerl 法采用“向前”或“前內”進釘法，以上關節突外緣的縱垂線與橫突中軸線的交點為進釘點，進釘方向與錐體終板平行，與矢狀面向內成角15°。而Krag 法采用“向上方向”法，進釘點較Magerl 法更靠外，其水平線為橫突的上2/3 與下1/3 交線，進釘方向朝上，以不穿破終板為度。由于個體胸腰椎骨間存在差異，單純采用某種置釘方法會有偏差，所以，在模擬過程中，根據多節段胸腰椎的個體差異略微修正了打孔位置。圖4 為胸腰椎骨打孔進釘模型。仿真結果表明，使用Magerl 法在植入內固定物手術操作時，螺釘與棘突骨組織間隙大，阻礙減少，進釘較為簡便。平行終板的進釘方式也不易刺透椎骨造成手術二次損傷，是研究三維模型優化的最佳置釘方式。采用修正內固定模型可以為醫生提供更為直觀可靠的臨床手術參考。

圖4 胸腰椎骨打孔進釘模型Fig. 4 Model of thoracolumbar spine perforation and nail insertion

2 結 果

2.1 旋動椎弓根螺釘內固定系統手術模型優化

為了進一步分析旋動椎弓根螺釘內固定系統手術療效情況，在四節段胸腰椎模型基礎上重建傳統堅強固定組的內固定系統三維裝配模型用于對比研究[19]。并將重建出的兩種模型分別導入Ansys 軟件進行力學分析。以健康未植入模型作為對照，以最為典型的脊柱扭轉運動作為變量，分別對3 組模型施加同等邊界條件，并進行有限元分析，得到位移應力云圖，并以此分析活動度的差異。結果如圖5 所示。

圖5 活動度對比Fig.5 Comparison of activity levels

由圖5 可以發現，相對于傳統堅強固定組模型來說，可旋動椎弓根螺釘內固定系統模型在扭轉工況下的活動度比堅強固定組模型活動度更大，與健康未植入模型更為接近。這說明采用新型內固定系統可以最大限度地避免患者術后關節活動度過分受限而引起的術后并發癥，也可降低椎弓根螺釘的應力峰值，避免因日常活動造成的手術植入物斷裂受損等問題。

2.2 多節段手術模型優化

為了分析后路多節段模型對內固定手術的影響，重建基于四節段胸腰椎模型與兩節短節段胸腰椎模型可旋動置釘模型。將重建出的四節段胸腰椎模型與兩節段胸腰椎模型分別導入Ansys 進行分析，將前屈、后伸、側彎、扭轉這4 種運動狀態下的兩組模型活動度與位移進行對比分析，結果如圖6 所示。

圖6 活動度與位移云圖Fig.6 Activity and displacement nephogram

由位移云圖6 可知，長節段胸腰椎模型比兩節短節段胸腰椎模型具有更大的活動度與位移，在前屈、后伸、側彎、扭轉這4 種運動狀態下，四節長節段胸腰椎模型均比兩節短節段胸腰椎模型的位移大。這說明長節段胸腰椎模型在仿真分析中可以直觀地表達出更為明顯的胸腰椎活動情況，后路節段越多，活動越明顯，在屈伸、側彎及扭轉工況下保留了一定程度的脊柱運動功能，因此，長節段的內固定手術也更有利于術后康復。

3 討 論

采用Mimics，Geomagic，SolidWorks 等軟件重建了T12-L3 共四節含椎間盤的胸腰椎骨優化模型，相比較于傳統的短節段胸腰椎骨模型，提供了一種更為直觀的觀察胸腰椎手術治療結果的方式，在此基礎上，采用胸腰椎骨內固定模型進行了手術植入法比較。結果表明，以Magerl 法進行釘孔輕微調整，進一步確定進釘位置，進釘手術簡便，平行的進釘方式也不易刺透椎骨，避免了手術二次損傷。采用可旋動椎弓根螺釘進行了手術過程力學優化分析，并與傳統的堅強內固定方式進行對比分析。仿真結果表明，可旋動螺釘能提供更大的椎間活動度，可有效保護置釘脊骨，也進一步說明了新型內固定系統的優越性，為醫生提供一定的臨床手術模擬結果作為參考。