有限元法在腰椎融合術生物力學研究中的應用進展

付坤飛，林福，全仁夫，杜偉斌

(浙江中醫藥大學第三臨床醫學院，浙江 杭州 310053)

腰椎退行性疾病是臨床常見病，病情嚴重時多采用腰椎融合術等手術方法治療[1]。內固定物或融合器移位、鄰近節段椎體加速退變是腰椎融合術的常見并發癥，容易影響手術效果。近年來，從生物力學角度研究腰椎融合術后并發癥發生機制的文獻報道逐漸增多。有限元法可以通過數字研究方式，以完善的建模功能為相關研究提供幫助。有限元法在腰椎融合術生物力學研究中的應用內容，包括正常腰椎的應力分析，以及腰椎融合術后腰椎的生物力學特點、內固定物或融合器的應力特點等。為了對腰椎融合術的臨床應用及并發癥預防提供生物力學參考，本文對有限元法在腰椎融合術生物力學研究中的應用進展綜述如下。

1 有限元法在腰椎融合術生物力學研究中的應用

1.1 評估腰椎的穩定性腰椎融合術治療腰椎退行性疾病，主要目的是重建和維持腰椎的穩定性。由于腰椎融合術的手術方案或具體術式不同，術后腰椎的穩定性也不同[2-5]。

Song等[5]研究發現，斜外側腰椎間融合術(oblique lateral interbody fusion，OLIF)治療骨質疏松性和非骨質疏松性脊柱疾病，術后腰椎均可獲得良好的穩定性，原因可能是OLIF術中應用寬大的Cage增加了其與上下椎體之間的接觸面積；但是使用相同的OLIF固定方案時，骨質疏松性脊柱的生物力學性能劣于非骨質疏松性脊柱，這可能與骨質疏松性脊柱的骨密度和骨強度下降有關。Song等[5]建議骨質疏松癥患者行OLIF手術時應用椎弓根釘棒系統來增加腰椎的穩定性，這與Fang等[6-7]的觀點相同。侯坤鵬等[8-11]研究發現，OLIF聯合雙側椎弓根釘棒系統固定治療腰椎疾病可以良好恢復腰椎的穩定性，由此認為該方案可以作為OLIF的首選手術方案。Fan等[12]采用有限元法比較了后路腰椎椎間融合術(posterior lumbar interbody fusion，PLIF)和Coflex棘突間動態穩定系統對腰椎的生物力學作用，發現Coflex系統和PLIF均可降低L3～L4的活動度，有利于改善腰椎的穩定性；但PLIF術后鄰近節段椎體退變的發生率高于Coflex系統。

費琦等[13]應用有限元法模擬了腰椎后外側融合術(posterolateral lumbar fusion，PLF)和PLIF，并對PLF和PLIF手術前后腰椎失穩節段預定載荷下的活動度進行了觀察，發現兩者術后的腰椎失穩節段活動度均較術前下降，由此認為兩者均可恢復腰椎失穩節段的穩定性；但是該研究并沒有比較PLF和PLIF的手術優劣性。Yang等[14-15]研究發現，椎間孔外腰椎椎體間融合術(extraforaminal lumbar interbody fusion，ELIF)單側椎弓根釘內固定的腰椎穩定性優于經椎間孔腰椎椎體間融合術(tranforaminal lumbar interbody fusion，TLIF)單側椎弓根釘內固定，原因可能是ELIF單側椎弓根釘內固定對腰椎解剖結構的破壞較小；TLIF雙側椎弓根釘內固定的腰椎穩定性優于ELIF單側椎弓根釘內固定，認為行ELIF單側椎弓根釘內固定時可聯合應用椎板關節突螺釘固定，提高腰椎的穩定性。Guo等[16]研究發現，單側椎弓根釘固定聯合對側椎板關節突螺釘固定可以改善腰椎的穩定性，認為該法可用作單節段TLIF的替代方案。Liu等[17]應用有限元法對側路腰椎椎體間融合術的手術方案進行了研究，發現單側或雙側椎弓根釘固定均有利于提高腰椎的穩定性。

由上可知：有限元法可以模擬腰椎的內部應力，有助于設計和修改手術方案，從而提高術后腰椎的穩定性；行腰椎融合術時，聯合應用內固定，可以提高術后腰椎的穩定性；與雙側內固定相比，單側內固定同樣可以改善腰椎的穩定性，且不容易破壞腰椎的解剖結構。

1.2 評估內固定物和融合器的性能有限元法可用于評估腰椎融合過程中內固定物和融合器的生物力學性能，有助于優化治療方案。

Lv等[18]在經過驗證的L4～L5有限元模型上建立新型椎弓根釘系統和雙側椎弓根釘系統固定模型，發現新型椎弓根釘系統固定模型的最大峰值應力出現在屈曲(182.58 MPa)和伸展(272.75 MPa)時，而雙側椎弓根釘系統固定模型的最大峰值應力出現在左旋(180.84 MPa)和右旋(169.76 MPa)時。在進行有限元模型應力測試時會出現應力峰值的區域，是螺釘應力集中處，容易發生螺釘疲勞斷裂。Sin等[19]應用有限元法在L4～L5建立PLIF和TLIF模型，結果發現行PLIF和TLIF時采用皮質螺釘固定可以獲得良好的生物力學性能。續彬等[20]研究發現，在直立狀態下，植入融合器的腰椎模型椎體最大位移小于健康腰椎模型，認為植入融合器有利于提高腰椎的穩定性。

融合器在脊柱融合領域的應用逐漸增多，近年來其設計和材質均有改進[21-25]。彭祥等[23]報道了一種利用解剖型納米羥基磷灰石/聚酰胺66設計的椎間融合器，其在OLIF模型上的生物力學性能優于傳統子彈頭形融合器。新型材料的應用及更符合腰椎解剖結構的設計，是解剖型融合器的優勢所在。Zhu等[24]將自體骨(棘突和椎板)、鈦、聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)3種材質的融合器應用于PLIF模型，發現3種材質的融合器均有助于改善手術節段的穩定性、自體骨材質融合器的終板最大應力低于PEEK和鈦質融合器，由此認為采用自體骨融合器進行植骨融合可以獲得與鈦質或PEEK融合器相近的固定效果，且能夠減少融合器下沉的風險。Lee等[25]研究發現，新型融合器聯合雙側內固定在TLIF模型上的腰椎穩定性優于傳統融合器，原因可能是新型融合器最大限度地增加了移植物與椎體之間的接觸面積。張海平等[26]報道了一種可變向的腰椎融合器，并在TLIF模型上觀察融合器在椎體間不同位置的生物力學特性，結果顯示融合器在不同位置的應力分布存在差異，當融合器位于椎體前中部時應力分布效果最理想。易新等[27]通過建立有限元模型發現，在生理載荷下新型融合器可以提供足夠的強度，在極限載荷下融合器所承受的最大應力超過了螺釘屈服強度，因此建議腰椎融合術患者術后注意佩戴腰部支具，并減少高強度運動。

采用有限元法觀察內固定物和融合器對腰椎的生物力學影響，有助于臨床選擇合適的手術方式。Shen等[28]通過有限元分析發現，不同的內固定物對腰椎的生物力學性能有不同的影響，雙側椎弓根釘內固定在穩定手術節段椎體方面更有優勢，原因可能是雙側椎弓根釘內固定在靜態和振動條件下均減小了終板和融合器的應力。張振軍等[29]報道了一種新型3D打印多孔腰椎融合器，并利用有限元法對新型融合器在不同入路腰椎融合術中的生物力學性能進行了對比，結果發現新型融合器在外側入路椎體間融合術模型上可以獲得理想效果。劉藝等[30]在L4～L5單側固定和雙側固定模型上對椎弓根釘、cage和相鄰節段椎間盤的應力進行了觀察，發現單側經皮椎弓根釘固定融合術可以獲得和雙側經皮椎弓根釘固定融合術相同的生物力學效果，這與高鑫等[31]的研究結論相近。陸向東等[32-33]研究發現，與單側椎弓根釘固定相比，雙側椎弓根釘固定的應力分布相對均勻，更有利于患者恢復。

由上可知：一款性能良好的融合器應具備減小融合節段活動度、分散接觸面應力分布、降低下沉率、增加椎間孔高度及實現間接減壓目的等條件；單側內固定可以減少對椎體周圍軟組織的剝離，有利于減少內固定物對鄰近節段退變的影響，但是單側內固定存在應力分布不均的問題，遠期容易出現椎弓根釘疲勞斷裂，而雙側內固定則可以降低該風險。

1.3 評估融合節段對鄰近節段的影響雖然融合器聯合內固定物有利于提高腰椎融合術的融合率，但存在術后鄰近節段退變等問題[34-35]。Okuda等[36]對接受PLIF椎弓根釘固定治療的患者進行了8年左右的隨訪，發現術后鄰近節段疾病的發生率為9%。腰椎融合術后，鄰近節段的活動度增加和應力增大是引起其退變的主要因素[37-39]。Du等[39]在L4～L5構建了OLIF模型，并與健康腰椎模型進行了對比，結果發現OLIF模型的L3～L4和L5S1活動范圍、椎間盤內壓力、關節突關節應力均大于健康腰椎模型。Jiang等[40]研究發現，PLIF術后鄰近節段退變可能與鄰近節段的活動度和椎間盤內壓力改變等有關，這與黃宇峰等[41-42]的研究結論一致。Srinivas等[43]研究發現，內固定物和融合節段長度是影響鄰近節段退變的重要因素。Zhao等[44]采用有限元法將L4～L5前凸程度對TLIF后腰椎的生物力學影響進行了觀察，發現L4～L5前凸程度減小可引起鄰近節段應力增加，從而導致鄰近節段退變。Wang等[45]研究發現，不同入路的腰椎融合術均有鄰近節段退變的風險。Disch等[46]對L4～S1單節段或雙節段融合術對鄰近節段的影響進行了觀察，發現單節段融合更容易導致鄰近節段退變。Umehara等[47]在尸體標本上研究了后外側腰椎融合經椎弓根內固定對腰椎的生物力學影響，結果發現固定節段活動度降低可導致鄰近節段的后柱負荷增加。Tsuang等[48]通過建立有限元模型發現，腰椎融合術后去除內固定物可以降低鄰近節段的椎間盤內壓力和關節突接觸力，從而防止或延緩鄰近節段退變。Mesbah 等[49-50]研究發現，可通過減小鄰近節段的壓力負荷達到延緩臨近節段退變的目的。Huang等[51]研究發現，在PLIF術中保留后方韌帶復合體可減小術后鄰近節段的屈曲活動度和椎間盤內壓力。侯繼春等[52]通過有限元分析發現，雙側椎弓根釘固定對手術節段的固定強度更高，但容易影響腰椎的活動度；單側椎弓根釘固定對手術節段的穩定性相對較低；單側椎弓根釘聯合經椎板對側關節突關節螺釘固定，可以克服單側椎弓根釘固定穩定性差的缺點，而且可以避免雙側固定對鄰近節段的影響。Tan等[53]應用有限元法將不同方案TLIF對鄰近節段的影響進行了比較，發現其中雙側連接棒固定具有軟組織剝離少、手術節段穩定性高、并發癥少等優點。Zhang等[54]研究發現，骨質疏松癥可能減輕前路椎體間融合術對鄰近節段的不利影響；但該研究結論具有局限性，沒有考慮骨質疏松癥可能造成cage下沉、螺釘松動等情況，然而該研究結論仍有助于了解腰椎融合術后鄰近節段退變的發生機制。Kumaran 等[55]將肌肉力量整合到有限元模型中進行研究，發現TLIF術中腰椎醫源性肌肉損傷會導致鄰近節段應力改變，進而造成術后腰背痛。

由上可知：將腰椎鄰近肌肉加入不同融合術有限元模型中來比較融合術后腰椎的各項生物力學數據，有助于臨床醫師制定手術計劃；利用有限元法研究腰椎不同融合術式的生物力學特點，不僅有助于了解術后鄰近節段退變的發生機制，而且有利于臨床醫師根據生物力學依據改進手術方案。

2 有限元法在腰椎融合術生物力學研究中的應用優勢和局限性

2.1 優 勢應用有限元法研究腰椎融合術的生物力學特點，可以將內固定系統和椎體等的應力結構在有限元模型中量化。有限元模型的構建相對簡單，且能夠對其進行重復測試，有利于提高實驗效率、節約實驗成本。在有限元模型上設計和修改不同的手術方法，有利于制定合理的治療方案。

2.2 局限性有限元法在腰椎融合術生物力學研究中的局限性相對較多。脊柱解剖結構復雜，受力環境復雜，實驗過程中需要忽略肌肉等組織對腰椎應力的影響，因此無法將腰椎承受的主要外力體現在腰椎應力中，可能對研究結果產生影響[56]。在建立腰椎有限元模型時需要對模型進行網格化操作，模型網格化程度越小越能反映模型的實際狀況，而無盡的網格化操作會造成計算無限循環，因此不容易尋找最適合的數據點[57]。有限元法僅能模擬靜態環境下的力學情況，而人體的生物力學狀態是動態變化的，因此有限元模型不能完全反映人體腰椎的受力情況。在構建有限元模型的過程中，雖然單元的劃分、節點和邊界條件的選擇及相關載荷的加載均由研究人員完成，但目前尚無統一標準，因此實驗結果存在較大的誤差。此外，CT圖像的分辨率、計算機技術的發展和有限元軟件的更新，均不同程度制約著腰椎有限元模型的準確性[32]。

3 小 結

隨著科學技術的不斷發展，有限元法在腰椎融合術生物力學研究中的應用逐漸增多。有限元法不僅可用于觀察不同腰椎融合術對腰椎的生物力學影響、評估腰椎融合術的手術效果，還可用于評價椎弓根釘和cage的生物力學性能，有助于臨床制定合理的治療方案。未來應推動有限元模型向精細化方向發展，并注意解決軟件引起的相關問題。此外，實現肌肉等重要軟組織在有限元模型中的添加及由靜態受力向動態受力轉變，將提高我們對融合手術前后腰椎生物力學特性的認識，而對腰椎融合術進行個性化模擬將是未來的發展方向之一。