基于有限元的椎弓根螺釘結(jié)合兩種材質(zhì)椎間融合器治療腰椎滑脫癥的生物力學(xué)特性研究*

任磊，沈生軍，高德東，趙宇，許勇，彭興國(guó)

（1.青海大學(xué)附屬醫(yī)院 脊柱外科，青海 西寧 810001；2.青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系，青海 西寧 810013）

基于有限元的椎弓根螺釘結(jié)合兩種材質(zhì)椎間融合器治療腰椎滑脫癥的生物力學(xué)特性研究*

任磊1，沈生軍1，高德東2，趙宇1，許勇1，彭興國(guó)1

（1.青海大學(xué)附屬醫(yī)院 脊柱外科，青海 西寧 810001；2.青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系，青海 西寧 810013）

目的通過有限元分析方法評(píng)估椎弓根螺釘結(jié)合兩種材質(zhì)椎間融合器在治療腰椎滑脫癥中的生物力學(xué)性能。方法選取健康男性志愿者1名，使用螺旋CT掃描脊柱L4～L5節(jié)段，采用Mimics和Geomagic軟件對(duì)CT圖像進(jìn)行三維模型重構(gòu)并導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 12.0建立正常L4～L5節(jié)段三維有限元模型（INT）。在此基礎(chǔ)上，模擬兩種材質(zhì)融合器結(jié)合椎弓根釘固定的模型，雙側(cè)椎弓根螺釘+Ti（鈦）椎間融合器（M1），雙側(cè)椎弓根螺釘+PEEK（聚醚醚酮）椎間融合器（M2）。對(duì)模型施加400N預(yù)載荷，運(yùn)動(dòng)附加力為6 N·m，定義模型約束和載荷條件后，在腰椎前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)六種工況下計(jì)算L4～L5節(jié)段角位移及椎弓根螺釘和融合器所受應(yīng)力。結(jié)果M1，M2在各種工況的角位移均小于INT。應(yīng)力實(shí)驗(yàn)中，M1融合器應(yīng)力峰值在各種工況下均高于M2。后伸位時(shí)，M1與M2的螺釘及椎間融合器的應(yīng)力峰值較其他工況小。結(jié)論椎弓根內(nèi)固定可以提供融合節(jié)段足夠的穩(wěn)定性。對(duì)于融合節(jié)段在椎弓根釘提供相同穩(wěn)定性的條件下，PEEK材質(zhì)融合器應(yīng)力峰值均較Ti材質(zhì)融合器小，PEEK材質(zhì)融合器發(fā)生沉降及移位的可能性低于Ti材質(zhì)融合器，所以其融合率相對(duì)較高。后伸位時(shí)所受應(yīng)力較小，由此推測(cè)后伸位為較穩(wěn)定的位置。

有限元分析；椎間融合器；生物力學(xué)；腰椎滑脫癥

近年來采用椎弓根螺釘固定結(jié)合椎間融合器治療腰椎滑脫癥方面的報(bào)道已逐漸增多，手術(shù)并發(fā)癥和翻修率也隨之增加，如鈦合金融合器松動(dòng)、移位，植骨不融合導(dǎo)致假關(guān)節(jié)形成等［1］，推測(cè)其主要原因可能為椎弓根螺釘固定結(jié)合不同材質(zhì)椎間融合器的生物力學(xué)特性尚不明確，目前臨床應(yīng)用較多的融合器為鈦（Ti）和聚醚醚酮（PEEK）材料融合器，鈦（Ti）材料在骨科內(nèi)固定器材中的應(yīng)用已被學(xué)術(shù)界廣泛接接受，但隨著應(yīng)用的深入其缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)，如應(yīng)力遮擋、電解反應(yīng)造成骨質(zhì)疏松、金屬導(dǎo)電及熱聚效應(yīng)影響術(shù)后康復(fù)理療、屏蔽射線造成檢查視野缺失等，聚醚醚酮（PEEK）材料是一種熱塑性高分子化合物，理化性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，彈性模量介于皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨之間故其具有更好的彈性，KURTZ等［2］研究顯示，聚醚醚酮（PEEK）材料具有良好的生物相容性，其細(xì)胞毒性及肌肉毒性均很小。VADAPALLI等［3］的研究顯示，聚醚醚酮（PEEK）材料具有更好的應(yīng)力傳導(dǎo)特性，促進(jìn)植骨融合。本研究采用三維有限元分析，建立3種不同的L4～L5節(jié)段三維有限元模型，分析螺釘及融合器承受的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，研究Ti（鈦）和PEEK（聚醚醚酮）兩種不同材料的椎間融合器的生物力學(xué)特性，為臨床預(yù)防手術(shù)并發(fā)癥提供理論依據(jù)。

1　資料與方法

1.1建立三維有限元模型

選取健康漢族男性志愿者1例，年齡25歲，身高173 cm，體重68 kg，既往無腰椎疾患史，拍攝X線片排除腰椎病變。采用荷蘭皇家飛利浦公司Brilliance Light Speed 64排螺旋CT從L4上終板至L5下終板連續(xù)掃描，得到層厚為0.60 mm的連續(xù)斷面圖像，共156張，各斷層圖像數(shù)據(jù)以512×512象素的DICOM格式保存。在臺(tái)式機(jī)上采用Mimics 10.01軟件（Materialise公司，比利時(shí)）直接打開DICOM格式文件可以得到L4～L5節(jié)段圖像，使用Mimics 10.01自帶內(nèi)部工具對(duì)L4～L5圖像處理，得到初步模型表面圖形。將得到的初步模型以點(diǎn)云（point cloud）形式輸出到逆向工程軟件Geomagic 10.0（Raindrop Geomagic，Inc.美國(guó)）中，得到椎體的三角網(wǎng)格模型并對(duì)不合乎要求的三角形進(jìn)行修正，將這些小三角形單元模擬合并成大的面并以通用的IGES格式保存。利用有限元分析軟件ANSYS 12.0（ANSYS公司，美國(guó)）導(dǎo)入IGES格式文件，根據(jù)模型外部輪廓生成L4～L5節(jié)段的有限元實(shí)體模型，模型中包括椎體及椎間盤等結(jié)構(gòu)。對(duì)不同的單元結(jié)構(gòu)添加材料屬性，首先完成正常L4～L5節(jié)段三維有限元模型（INT）的建立（見圖1）。前縱韌帶、后縱韌帶等脊柱的主要韌帶本身具有非線性的材質(zhì)屬性，筆者建模過程中，考慮椎間融合器使用過程中韌帶變形在正常的彈性變形內(nèi)，該區(qū)間韌帶形變基本處于線性變形區(qū)域，用分段線性化法將非線性特性曲線分成若干個(gè)區(qū)段，在每個(gè)區(qū)段中用直線段近似地代替特性曲線，所研究的非線性系統(tǒng)在每一個(gè)區(qū)段上被近似等效為線性系統(tǒng)，就可采用線性系統(tǒng)的理論和方法來進(jìn)行分析，因此采用分段線性函數(shù)，描述不同狀態(tài)下韌帶變形。本研究主要側(cè)重分析融合器的穩(wěn)態(tài)靜力分析，考慮線性條件能更準(zhǔn)確獲得仿真結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)所采用的椎體各結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)及單元類型的數(shù)據(jù)參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道［4-5］（見表1）。

圖1　人正常L4～L5三維有限元模型（INT，側(cè)視圖和后視圖）

1.2不同材料融合器三維有限元模型建立在已建立的正常人L4～L5節(jié)段三維有限元模型上，模擬兩種材質(zhì)融合器結(jié)合椎弓根釘固定的模型，即要求切除腰椎相應(yīng)結(jié)構(gòu)，L4～L5后方的骨韌帶復(fù)合體（棘上韌帶、棘間韌帶、黃韌帶、部分棘突及大部分椎板），L4～L5間隙全部髓核及后1/3纖維環(huán)并添加椎弓根釘及不同材料融合器：模擬椎弓根螺釘固定設(shè)置螺釘直徑6.0 mm，長(zhǎng)度50 mm；螺釘系統(tǒng)彈性模量為110 000 Mpa，泊松比為0.30，螺釘設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為圓柱形，與椎體間設(shè)置為彈性固定，螺釘與連接棒設(shè)置為一體化，椎間融合器自椎間隙后側(cè)置入，距離椎體后緣2 mm，長(zhǎng)度為22 mm，寬度為10 mm，高度為8 mm，彈性模量（Ti）鈦材質(zhì)彈性模量為110 000 Mpa，泊松比為0.30，融合器表面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為光整平面，與終板接觸為面性接觸，建立雙側(cè)椎弓根螺釘+Ti椎間融合器（M1）的模型（見圖2）。模擬螺釘?shù)拈L(zhǎng)度、直徑、彈性模量、泊松比以及椎間融合器的體積不變，采用同等大?。≒EEK）聚醚醚酮材料，彈性模量為3 500 Mpa，泊松比為0.45，融合器表面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為光整平面，與終板接觸為面性接觸，建立雙側(cè)椎弓根螺釘+PEEK椎間融合器（M2）的模型（見圖3）。

表1　腰椎運(yùn)動(dòng)節(jié)段及固定融合材料力學(xué)參數(shù)

圖2　雙側(cè)椎弓根螺釘+Ti椎間融合器三維模型（M1，側(cè)視圖和后視圖）

圖3　雙側(cè)椎弓根螺釘+Peek椎間融合器三維模型（M2，側(cè)視圖和后視圖）

圖4　雙側(cè)椎弓根螺釘+不同材質(zhì)椎間融合器角位移三維模型

1.3負(fù)荷的加載和記錄方法

對(duì)正常腰椎有限元模型（INT），M1及M2模型施加400 N預(yù)載荷，運(yùn)動(dòng)附加力為6 N·m，在L4椎體上表面垂直施加載荷，均勻分布在L4椎體上終板，運(yùn)動(dòng)附加力同時(shí)加載于L4椎體表面，定義好模型的約束和載荷條件后，在腰椎前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)6種工況下利用ANSYS軟件計(jì)算L4～L5節(jié)段角位移（見圖4）及椎弓根螺釘和融合器所受應(yīng)力峰值。L4～L5節(jié)段角位移為測(cè)量L4、5椎體最前及最后點(diǎn)、最左及最右點(diǎn)共4點(diǎn)的空間位置平面坐標(biāo)線，各線間夾角代表相鄰兩椎體上表面間的夾角，加載負(fù)荷前后該夾角差的絕對(duì)值為L(zhǎng)4～L5節(jié)段角位移。

2　結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明正常腰椎有限元模型在不同工況下L4～L5節(jié)段角位移與VADAPALLI等［3］的有限元研究結(jié)果一致（見圖5）。認(rèn)為本模型在一定的條件下有效，可以用于實(shí)驗(yàn)研究。

各種模型在不同工況下L4～5節(jié)段的角位移，椎弓根螺釘和融合器所受應(yīng)力見表2、3。表2中可以看出，M1與M2的角位移均較INT減少，其中以側(cè)屈，側(cè)旋時(shí)減少最多，說明椎弓根內(nèi)固定可以提供融合節(jié)段的穩(wěn)定性，在其他工況下M1與M2的角位移減少程度相當(dāng)。說明兩者均能提供足夠的穩(wěn)定性。而且M1與M2的角位移也基本相同，說明兩者的穩(wěn)定性相同。由表3可以看出，M1與M2的螺釘Von Mises應(yīng)力峰值基本相同，說明兩者的螺釘所受的應(yīng)力接近相同，后伸位時(shí)，M1與M2的螺釘及椎間融合器的應(yīng)力峰值均較其他位置小，說明后伸位為較穩(wěn)定的位置。

圖5　各模型在不同工況下L4～L5節(jié)段角位移與文獻(xiàn)對(duì)比

M1的融合器Von Mises應(yīng)力峰值在各種工況下均高于M2，尤其在前屈，側(cè)屈，側(cè)旋時(shí)M1的融合器應(yīng)力峰值較M2的融合器大的明顯，說明對(duì)于融合節(jié)段在椎弓根釘提供相同穩(wěn)定性的條件下，M2的融合器應(yīng)力峰值均較M1小，M2的融合器發(fā)生沉降及移位的可能性遠(yuǎn)低于M1的融合器，所以其融合率相對(duì)較高。

表2　各模型在不同工況下L4～L5節(jié)段角位移 （°）

表3　各模型在不同工況下椎弓根螺釘和融合器的Von Mises峰值 （MPa）

3　討論

隨著脊柱生物力學(xué)的發(fā)展，椎弓根螺釘系統(tǒng)和椎間融合器用于臨床，使腰椎滑脫不穩(wěn)定的脊柱節(jié)段的融合和固定更接近于正常的脊柱三維結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性。椎間植骨融合穩(wěn)定前柱的同時(shí)輔以后柱的內(nèi)固定，加強(qiáng)前柱融合的生物力學(xué)環(huán)境以提高植骨融合率［6-7］。經(jīng)椎弓根植入螺釘內(nèi)固定技術(shù)，以其三維固定堅(jiān)強(qiáng)、手術(shù)創(chuàng)傷小、復(fù)位滿意、安全簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在臨床上得到廣泛應(yīng)用；不同材質(zhì)的椎間融合器，是在脊柱最大承重軸的融合，依靠韌帶和纖維環(huán)的作用構(gòu)成三維固定，能起到抗旋轉(zhuǎn)及屈伸的作用。椎間融合器能夠恢復(fù)和保持椎間高度，防止因各種原因造成的椎間隙塌陷而引起的椎間孔狹窄，起到緩解神經(jīng)根張力的作用，同時(shí)使韌帶及纖維環(huán)彈力提高而增大椎管前后徑［8-11］。其操作簡(jiǎn)便，可有效減少手術(shù)時(shí)間；椎間融合器使用材料可分為金屬或高分子材料制成，應(yīng)用椎間融合器從生物力學(xué)看是一種較為理想的脊柱融合術(shù)，已逐漸成為脊柱外科的基本技術(shù)之一，但此方法仍會(huì)出現(xiàn)融合失敗，椎間融合器的沉陷、移位、植骨不融合、內(nèi)固定松動(dòng)斷裂，以往臨床研究報(bào)道，其并發(fā)癥發(fā)生率在6%～58%之間［12-13］。并發(fā)癥發(fā)生的主要原因是螺釘固定技術(shù)和椎間融合器的生物力學(xué)特性不明確。以往臨床上對(duì)椎弓根螺釘固定技術(shù)和椎間融合器方面的生物力學(xué)做了大量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)受到條件限制不能系統(tǒng)分析螺釘和融合器在負(fù)載情況下應(yīng)力應(yīng)變分布。生物力學(xué)分析方法包括死體體外測(cè)試、活體體外測(cè)試和有限元分析3種，前兩種局限性很大；死體體外測(cè)試受限于環(huán)境因素，難以取得死體試樣；而動(dòng)物活體實(shí)驗(yàn)則存在個(gè)體差異問題，并且難以直接獲得脊椎各單元的應(yīng)力分布，有限元法能夠有效地克服前兩種生物力學(xué)測(cè)試方法的缺陷，能夠較好地預(yù)測(cè)螺釘固定和融合器的生物力學(xué)特性。

本研究利用有限元方法建立正常腰椎、椎弓根螺釘及不同材質(zhì)的椎間融合器的三維有限元模型，并在不同的載荷條件下進(jìn)行受力分析，根據(jù)角位移實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，正常腰椎模型（INT）在各種工況下的角位移大于融合模型（M1、M2），椎弓根釘內(nèi)固定可以提供融合節(jié)段足夠的穩(wěn)定性，應(yīng)力實(shí)驗(yàn)中，后伸位時(shí)M1與M2螺釘及椎間融合器的應(yīng)力峰值較其他工況小，后伸位時(shí)所受應(yīng)力較小，由此推測(cè)后伸位為較穩(wěn)定的位置。根據(jù)腰椎融合需遵循的力學(xué)原則［14］：①植入骨塊與植骨區(qū)所受載荷不能超過其極限；②植骨融合區(qū)域在一定時(shí)間內(nèi)應(yīng)受一定的應(yīng)力刺激，在植骨塊融合前不應(yīng)存在過大應(yīng)力；③植骨塊與宿主之間不能因應(yīng)力變化而發(fā)生顯著運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)組中M1融合器應(yīng)力峰值在各種工況下均高于M2，由此得出對(duì)于融合節(jié)段在椎弓根釘提供相同穩(wěn)定性的條件下，PEEK材質(zhì)融合器應(yīng)力峰值均較Ti材質(zhì)融合器小。另外，PEEK材質(zhì)融合器彈性模量與骨更接近［4-5］，與骨性終板是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸形式，避免終板破壞，較鈦合金材質(zhì)融合器發(fā)生椎間塌陷的可能性大為降低［15］，故PEEK材質(zhì)融合器發(fā)生沉降及移位的可能性低于Ti材質(zhì)融合器，所以其融合率相對(duì)較高，這與目前的臨床研究結(jié)果相一致，臨床上Ti椎間融合器已經(jīng)趨于淘汰。

盡管有限元分析法是腰椎生物力學(xué)研究的有效方法之一，但仍無法達(dá)到與人體完全仿真的程度，本模型定義骨質(zhì)與螺釘之間為緊密接觸，忽略骨-螺釘界面微動(dòng)及釘?shù)乐車琴|(zhì)吸收對(duì)生物力學(xué)穩(wěn)定性的影響，同時(shí)沒有考慮肌肉等軟組織的作用［4-16］，生物力學(xué)分析不夠全面。

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（張西倩 編輯）

Biomechanical evaluation of pedicle screw fixation combined with cages of different materials in treatment of lumbar spondylolisthesis by finite element analysis*

Lei REN1，Sheng-jun SHEN1，De-dong GAO2，Yu ZHAO1，Yong XU1，Xing-guo PENG1
（1.Department of Spinal Surgery，the Affiliated Hospital，Qinghai University，Xining，Qinghai 810001，P.R.China 2.Department of Computer Science，Mechanical Engineering Institute，Qinghai University，Xining，Qinghai 810013，P.R.China）

【Objective】To evaluate the biomechanical characteristics of pedicle screw fixation combined with cages of different materials in the treatment of lumbar spondylolisthesis.【Methods】A three-dimensional finite element model of intact L4～L5segments was constructed by using CT scans of a healthy male.Materialise's interactive medical image control system 10.01（Mimics 10.01），Geomagic 10.0 and the finite element program ANSYS 12.0 were applied to the model.Based on the intact L4～L5model（INT），the simulations of the cages of different materials were established with bilateral pedicle screws combined titanium material cages （M1 model）and bilateral pedicle screws combined PEEK material cages（M2 model）.Then 6 N·m moments with 400 N preload were applied to L3vertebral body under the loading conditions of extension，flexion，lateral bending and torsion，respectively.The L4～L5angular variation and stress distribution in pedicle screw andcage under different load were documented.【Results】The angular variations of fusion models（M1 and M2）were less than that of the normal lumbar spine model（INT）.During the stress experiments，the peak stress of M1 under various conditions was higher than that of M2.Under the extension condition，the peak stress of screws and cages was lower than that under other working conditions.【Conclusions】Pedicle screw fixation can provide sufficient stability in fusion segment.For the same stability condition of pedicle fixations，PEEK material cages have smaller peak stress and less possibility of cages collapse and displacement than titanium material cages，so they have a relatively higher fusion rate.Under the extension condition both cages and screws have less stress.Therefore，we infer extension position is a stable position.

finite element analysis；cage；biomechanical；spondylolisthesis

Q66；R681.57

A

1005-8982（2015）33-0027-05

2015-02-02

青海大學(xué)中青年科研基金資助項(xiàng)目（No：2011-QYY-7）

沈生軍，E-mail：sucssj@163.com；Tel：13997089193