模擬新型脊柱彈性內(nèi)固定術(shù)對相鄰節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響

穆尚強，王宇，梅繼文，高峰，黃銳

(吉林醫(yī)藥學(xué)院附屬醫(yī)院，吉林吉林132013)

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模擬新型脊柱彈性內(nèi)固定術(shù)對相鄰節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響

穆尚強，王宇，梅繼文，高峰，黃銳

(吉林醫(yī)藥學(xué)院附屬醫(yī)院，吉林吉林132013)

摘要：目的探討模擬新型脊柱彈性內(nèi)固定術(shù)對相鄰節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響。方法根據(jù)1例35歲健康男性志愿者的脊柱CT檢查結(jié)果，采用SolidWorks2012軟件建立新型脊柱彈性內(nèi)固定(應(yīng)用自制“X”形彈性脊柱內(nèi)固定器，觀察組)及傳統(tǒng)椎弓根內(nèi)固定(對照組)的三維有限元模型，模擬進行L4、L5節(jié)段內(nèi)固定手術(shù)。術(shù)后固定兩組模型的下表面(L5椎體下方),在兩模型上表面(L3椎體上方)施加500 N的垂直壓縮載荷,于L3椎體上表面分別施加15 N·m的前屈、后伸、左側(cè)側(cè)彎及左側(cè)旋轉(zhuǎn)力矩。于兩組L3、L4左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)均勻隨機選取16個節(jié)點，記錄不同作用條件下的應(yīng)力值。結(jié)果觀察組和對照組垂直壓縮時L3、L4左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力值分別為(0.15±0.10)、(0.24±0.11)MPa，前屈時分別為(0.09±0.04)、(0.14±0.07)MPa，后伸時分別為(12.35±6.25)、(16.83±8.25)MPa，左側(cè)側(cè)彎時分別為(18.35±8.94)、(25.02±14.47)MPa，左側(cè)旋轉(zhuǎn)時分別為(13.56±7.69)、(20.58±9.59)MPa；觀察組各應(yīng)力值均低于對照組，P均<0.01。結(jié)論與傳統(tǒng)椎弓根內(nèi)固定術(shù)比較，新型脊柱彈性內(nèi)固定術(shù)對相鄰節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響較小,有助于預(yù)防鄰近節(jié)段退變。

關(guān)鍵詞：內(nèi)固定術(shù)；腰椎；彈性；退行性變；有限元分析

脊柱椎間融合術(shù)是目前脊柱外科最為常用的手術(shù)方法[1，2]，但術(shù)后相鄰節(jié)段應(yīng)力明顯增加，引起生物力學(xué)的變化，從而加速退行性改變，是術(shù)后遲發(fā)性腰背部疼痛的主要原因之一[3，4]。脊柱彈性內(nèi)固定術(shù)是一種通過內(nèi)固定裝置既固定病變節(jié)段，又允許其在限制范圍內(nèi)活動的手術(shù)，具有避免脊柱在異常范圍內(nèi)活動的前提下，達到增加載荷分享、減少應(yīng)力遮擋和應(yīng)力集中的作用[5，6]。國內(nèi)外許多學(xué)者研發(fā)了各種樣式的脊柱彈性內(nèi)固定器，并進行了相關(guān)的基礎(chǔ)研究及小范圍的早期臨床效果評估，取得滿意效果[7]。但目前尚無一種脊柱彈性內(nèi)固定器得到廣泛認可并大量用于臨床[8]?！癤”形連接棒充分運用了記憶合金棒本身和“X”形結(jié)構(gòu)的彈性原理，結(jié)合椎弓根釘技術(shù)，完成脊柱三維彈性固定器械的設(shè)計。2011年5月～2015年4月，我們采用自制“X”形彈性脊柱內(nèi)固定器行模擬脊柱彈性內(nèi)固定術(shù)，并觀察其對相鄰節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響，旨在為“X”形彈性脊柱內(nèi)固定器的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料自制“X”形彈性脊柱內(nèi)固定器的制作：固定器由4個椎弓根螺釘和兩根彈性連接棒構(gòu)成，在4個椎弓根螺釘上固定連接有呈“X”形、相互固定連接的兩根彈性連接棒?！癤”形彈性連接棒由兩根相同的呈彎曲形的彈性連接棒在中點固定、連接組成，材質(zhì)為東莞市勤加緣金屬材料有限公司生產(chǎn)的醫(yī)用鎳鈦合金，鎳含量為50.6%～51.4%，并獲得自主知識產(chǎn)權(quán)(專利號：ZL201120199934.4)。SolidWorks2012軟件(美國SolidWorks公司)，Mimics11.1軟件(比利時Materialise公司)，Ansys work bench12.1軟件(美國Ansys公司)。128排螺旋CT(荷蘭PHILIPS公司)。

1.2建模方法隨機選擇一名排除腰椎疾病的35歲健康男性志愿者，采用128排螺旋CT自L1椎體上緣至股骨大轉(zhuǎn)子下進行CT平掃。將CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics11.1軟件，建立L3～L5的三維有限元模型。采用SolidWorks2012軟件制成與之匹配的新型脊柱彈性內(nèi)固定模型(應(yīng)用自制“X”形彈性脊柱內(nèi)固定器，觀察組)與傳統(tǒng)椎弓根螺釘內(nèi)固定模型(對照組)，模擬進行L4、L5節(jié)段內(nèi)固定手術(shù)，兩模型均未行椎間盤摘除及椎間融合，并忽略手術(shù)可能對棘上韌帶及棘間韌帶的破壞。兩組各組成部分的實驗材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　兩組各組成部分的實驗材料力學(xué)參數(shù)

1.3應(yīng)力分析將兩組術(shù)后三維有限元模型導(dǎo)入Ansys work bench12.1軟件進行分析。固定兩組模型的下表面(L5椎體下方),于模型上表面(L3椎體上方)施加500 N的垂直壓縮載荷,于L3椎體上表面分別施加15 N·m的前屈、后伸、左側(cè)側(cè)彎及左側(cè)旋轉(zhuǎn)力矩。兩組分別在垂直壓縮、前屈、后伸、左側(cè)側(cè)彎及左側(cè)旋轉(zhuǎn)時于L3、L4左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)均勻隨機選取16個節(jié)點，記錄其應(yīng)力值。

2結(jié)果

觀察組垂直壓縮、前屈、后伸、左側(cè)側(cè)彎及左側(cè)旋轉(zhuǎn)時的應(yīng)力值均低于對照組，P均<0.01。見表2。

表2　兩組不同作用條件下的應(yīng)力值比較±s)

注：與對照組比較，*P<0.01。

3討論

脊柱椎間融合可改變脊柱結(jié)構(gòu)的運動力學(xué),使鄰近節(jié)段活動度被迫增大,應(yīng)力集中于椎間盤和關(guān)節(jié)突,加速了退變的進程[9]。Morishita等[10]研究發(fā)現(xiàn)，脊柱彈性內(nèi)固定術(shù)后鄰近節(jié)段退變發(fā)生率明顯低于傳統(tǒng)堅強內(nèi)固定。但是目前尚無一種脊柱彈性內(nèi)固定器得到臨床普遍認可。

鎳鈦合金是一種優(yōu)良的合金材料，其伸縮率在20%以上，阻尼特性高于普通的鋼制彈簧，疲勞壽命長，耐腐蝕性能優(yōu)于醫(yī)用不銹鋼，達到醫(yī)學(xué)使用要求。超彈性是指材料在力的作用下發(fā)生超過其彈性極限變量的應(yīng)變，在卸載之后可自行恢復(fù)的現(xiàn)象。本研究“X”形內(nèi)固定器的設(shè)計建立在鎳鈦合金獨特的運動超彈性的基礎(chǔ)上，其彈性可達到8%，超過普通材質(zhì)，不遵守胡克定律，且超彈性的性能與溫度無關(guān)[11]。目前金屬材料的彈性模量一般為100～200 GPa,與人骨骼彈性模量(1～30 GPa)差別很大。彈性模量的巨大差異容易造成內(nèi)固定物附近骨骼的弱化和吸收。鎳鈦合金的彈性模量在奧氏體相約為67 GPa，馬氏體相僅為26 GPa，作為生物醫(yī)用材料，與人體的彈性模量接近。本研究以“X”形的彈性外觀與鎳鈦合金的材料結(jié)構(gòu)特性為基礎(chǔ)成功自制“X”形彈性脊柱內(nèi)固定器。

有限元分析目前已廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)研究[12]，在脊柱生物力學(xué)仿真模擬領(lǐng)域尤為深入。Mimics等軟件的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用使得建立高度仿真的椎體三維模型成為可能,且可給模型附加比如椎間盤、韌帶、肌肉等附屬結(jié)構(gòu)，并賦予相應(yīng)的力學(xué)性能。研究顯示其與用傳統(tǒng)方法通過尸體實驗得到的結(jié)果基本上是一致的。有限元的優(yōu)勢在于反映測試物體內(nèi)部的應(yīng)力變化，有限元分析應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域并取得了巨大的進步與發(fā)展，顯示出明顯的優(yōu)越性。比如尸體模型有著失去活性，缺乏相應(yīng)的物理變化，且取材困難、費用高、可重復(fù)性低等缺點。有限元分析法直接測量實驗?zāi)Ｐ途植亢蛢?nèi)在的力學(xué)反應(yīng)，彌補了傳統(tǒng)生物力學(xué)方法的缺陷，具有不可代替的作用，是離體實驗的有效補充。

本研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)椎弓根內(nèi)固定術(shù)比較，應(yīng)用自制“X”形彈性固定器的新型脊柱彈性內(nèi)固定術(shù)對相鄰節(jié)段關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力的影響比較小,有助于預(yù)防鄰近節(jié)段退變，是一種較好的脊柱內(nèi)固定裝置。本研究結(jié)果證實，該“X”形彈性脊柱內(nèi)固定器已初步達到了設(shè)計要求及預(yù)想，隨著對彈性內(nèi)固定術(shù)研究的不斷深入，這種新型脊柱彈性內(nèi)固定器通過進一步評估及改良有可能成為脊柱內(nèi)固定的理想醫(yī)用器械。本研究的不足之處在于有限元分析可能會有一定誤差及局限性，如有限元模型不能體現(xiàn)出機體生長和退變的過程，肌肉材料難以模擬，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)可靠的實驗參考數(shù)據(jù)等。

參考文獻：

[1] Karamouzian S, Ebrahimi-Nejad A, Shahsavarani S, et al. Comparison of two methods of epidural steroid injection in the treatment of recurrent lumbar disc herniation[J]. Asian Spine J, 2014,8(5):646-652.

[2] Kim KT, Lee SH, Son ES, et al. Surgical treatment of "chin-on-pubis" deformity in a patient with ankylosing spondylitis: a case report of consecutive cervical, thoracic, and lumbar corrective osteotomies[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2012,37(16):1017-1021.

[3] Saavedra-Pozo FM, Deusdara RA, Benzel EC. Adjacent segment disease perspective and review of the literature[J]. Ochsner J, 2014,14(1):78-83.

[4] Takahashi T, Hanakita J, Watanabe M, et al. Systematic review of complications for proper informed consent(12)decompression or fixation surgery of the lumbar spine[J]. No Shinkei Geka, 2014,42(3):249-267.

[5] Liu HY, Zhou J, Wang B, et al. Comparison of topping-off and posterior lumbar interbody fusion surgery in lumbar degenerative disease: a retrospective study [J]. Chin Med J (Engl), 2012,125(22):3942-3946.

[6] Ohtonari T, Nishihara N, Suwa K, et al. Dynamic stabilization for degenerative spondylolisthesis and lumbar spinal instability[J]. Neurol Med Chir (Tokyo), 2014,54(9):698-706.

[7] 葉葆青,梁偉國,葉偉雄,等.Bioflex彈性椎弓根釘內(nèi)固定系統(tǒng)對全椎板切除術(shù)與椎間植骨融合術(shù)后腰椎活動范圍的影響[J].中國矯形外科雜志,2012,20(24):2298-2301.

[8] Chao S, Malloy JP, Bono CM. Complications specific to mo tion-sparing devices in the lumbar spine[J]. Seminars in Spine Surg, 2011,23(2):123-134.

[9] Xia XP, Chen HL, Cheng HB. Prevalence of adjacent segment degeneration after spine surgery: a systematic review and meta-analysis[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2013,38(7):597-608.

[10] Morishita Y, Ohta H, Naito M, et al. Kinematic evaluation of the adjacent segments after lumbar instrumented surgery: a comparison between rigid fusion and dynamic nonfusion stabilization[J]. Eur Spine J, 2011,20(9):1480-1485.

[11] 王啟,賀志榮,王芳,等.Ti-Ni形狀記憶合金超彈性的研究進展[J].材料導(dǎo)報,2010,24(7):85-88.

[12] 翟國德,齊山美,龐琦,等.側(cè)腦室角部周圍易發(fā)腦水腫的生物力學(xué)機制有限元分析[J].山東醫(yī)藥,2015,55(13):7-9.

·基礎(chǔ)研究·

收稿日期：(2015-05-15)

中圖分類號：R681.5

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-266X(2015)48-0027-03

doi:10.3969/j.issn.1002-266X.2015.48.008

通信作者：王宇，E-mail: uygnaw0@126.com

基金項目：吉林市科技計劃項目(201133104)；吉林醫(yī)藥學(xué)院附屬醫(yī)院青年醫(yī)師科研課題(院資2014-3號)。