脊柱后方3D融合預(yù)防胸腰椎骨折晚期矯正丟失：有限元分析與隨機(jī)對照試驗(yàn)

吳立軍 余鳳嬌 何登偉 鐘世鎮(zhèn)

1(溫州醫(yī)科大學(xué)數(shù)字化醫(yī)學(xué)研究所，浙江 溫州 325035)2(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院骨科，浙江 麗水 323000)3(南方醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510515)

脊柱后方3D融合預(yù)防胸腰椎骨折晚期矯正丟失：有限元分析與隨機(jī)對照試驗(yàn)

吳立軍1*余鳳嬌1何登偉2*鐘世鎮(zhèn)3

1(溫州醫(yī)科大學(xué)數(shù)字化醫(yī)學(xué)研究所，浙江 溫州 325035)2(溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院骨科，浙江 麗水 323000)3(南方醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510515)

椎弓根螺釘系統(tǒng)能使胸腰椎骨折椎體高度和矢狀面成角獲得良好恢復(fù)，但是隨著下地活動增多或內(nèi)固定取出后，易發(fā)生椎體高度和后凸畸形矯正的丟失。為此，評價(jià)雙側(cè)關(guān)節(jié)突和棘突間植骨3D融合對預(yù)防胸腰椎骨折合并椎間盤損傷術(shù)后晚期矯正丟失的力學(xué)機(jī)制和臨床效果。模擬患者術(shù)后內(nèi)固定取出后狀態(tài)，建立雙側(cè)關(guān)節(jié)突聯(lián)合棘突間植骨融合(治療組模型)和單純雙側(cè)關(guān)節(jié)突植骨融合(對照組模型)的L1-L2節(jié)段的兩種外科有限元模型，按照脊柱三柱理論，對模型施加壓縮、前屈與后伸荷載。兩種外科模型通過治療組(11例)和對照組(13例)的前瞻性臨床隨機(jī)對照試驗(yàn)，進(jìn)行放射學(xué)檢查。治療組模型的椎間盤豎向壓縮位移和應(yīng)變較對照組模型明顯減小，雙側(cè)關(guān)節(jié)突植骨區(qū)應(yīng)力負(fù)荷也較對照組模型減小，而且治療組模型的后柱比對照組模型形成了更加強(qiáng)化的張力帶。治療組在術(shù)后晚期的臨床試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于對照組，其差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。雙側(cè)關(guān)節(jié)突聯(lián)合棘突間植骨3D融合比單純雙側(cè)關(guān)節(jié)突植骨融合更能有效重建脊柱三維穩(wěn)定性，能較好地獲得骨性融合，防止術(shù)后晚期傷椎高度丟失以及后凸畸形矯正丟失。有限元分析結(jié)合小樣本臨床隨機(jī)對照試驗(yàn)，有利于外科手術(shù)的設(shè)計(jì)、評價(jià)和優(yōu)化。

胸腰椎骨折；晚期矯正丟失；后柱3D融合；有限元分析；隨機(jī)對照試驗(yàn)

引言

脊柱椎弓根螺釘系統(tǒng)具有三維矯形和三柱固定的作用，能使胸腰椎骨折椎體高度和矢狀面成角獲得良好恢復(fù)。雖然大部分胸腰椎骨折患者獲得了正確的初期處理，但是隨著病人下地活動的增多或者內(nèi)固定取出后，易發(fā)生椎體高度和后凸畸形矯正丟失[1-4]。術(shù)后矯正丟失包括幾部分：術(shù)后傷椎椎體高度丟失、椎間隙高度丟失、后凸畸形矯正丟失等。造成矯正丟失的原因很多，如復(fù)位后傷椎內(nèi)“蛋殼樣改變”，而椎弓根螺釘系統(tǒng)位于脊柱后方，前方缺乏有效支撐[5]。有學(xué)者認(rèn)為，椎體骨質(zhì)疏松是矯正丟失的高發(fā)因素[6-7]。從矯正丟失的發(fā)生時(shí)間看，內(nèi)固定器穩(wěn)定性欠佳是早期矯正丟失的原因，而合并椎間盤損傷是導(dǎo)致晚期矯正丟失的主要原因[7]。

目前，為了預(yù)防胸腰椎骨折術(shù)后矯正丟失，臨床上采用很多方法，如椎弓根螺釘固定加后外側(cè)植骨融合(小關(guān)節(jié)、椎板、橫突間等)、經(jīng)椎弓根椎體內(nèi)植骨、骨水泥椎體成形等，或者采取腹背聯(lián)合手術(shù)等[8-14]。但上述嘗試除腹背聯(lián)合手術(shù)外，對于能否有效地預(yù)防矯正丟失，在脊柱外科領(lǐng)域仍然存在著爭議；而腹背聯(lián)合手術(shù)因創(chuàng)傷大、出血多、手術(shù)復(fù)雜[14]，尚不能在基層醫(yī)院普及開展。

自從Gibson(1931年)及后來Bosworth(1942年)設(shè)計(jì)了棘突間植骨術(shù)(H支撐植骨術(shù))，該技術(shù)已較好地用于腰椎椎管狹窄、退行性腰椎滑脫與不穩(wěn)等的治療[15-17]。近年來開展的棘突間動態(tài)固定技術(shù)，主要應(yīng)用于退變性椎管狹窄和腰椎不穩(wěn)等[18-19]。然而，至今棘突間植骨融合相關(guān)技術(shù)很少用于胸腰椎骨折的治療，而且棘突間融合后脊柱三柱生物力學(xué)負(fù)荷機(jī)制也不清楚。

本項(xiàng)研究的目的是針對胸腰椎骨折伴有椎間盤損傷病例(見圖1(a)、(b))，建立雙側(cè)關(guān)節(jié)突聯(lián)合棘突間植骨3D融合(facet joints and spinous process funsion，F(xiàn)SF)和單純雙側(cè)關(guān)節(jié)突植骨融合(facet joints funsion，F(xiàn)F)的兩種外科有限元模型。通過模擬患者術(shù)后內(nèi)固定拆除后生理運(yùn)動狀態(tài)的有限元分析(finite element analysis, FEA)，比較兩種植骨融合模型預(yù)防術(shù)后晚期矯正丟失的生物力學(xué)機(jī)制。同時(shí)，根據(jù)治療組(FSF，見圖1(c))和對照組(FF[8]，見圖1(d))的前瞻性臨床隨機(jī)對照試驗(yàn)(randomized controlled trial, RCT)的放射學(xué)隨訪，以檢驗(yàn)兩種植骨融合模型的臨床效果。

圖1 胸腰椎骨折伴有椎間盤損傷病例及治療組(FSF)、對照組(FF)外科模型。(a) 椎體骨折合并椎間盤嚴(yán)重?fù)p傷的病例；(b)術(shù)后7個(gè)月發(fā)生矯正丟失的病例；(c) 治療組：雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)聯(lián)合棘突間植骨3D融合；(d) 對照組：單純雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)植骨融合 (箭頭①和箭頭②分別指示關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)和棘突間的植骨區(qū))Fig.1 Cases of thoracolumbar fracture with intervertebral disc injury and treatment group (FSF) and control group (FF) operation conceptual diagram. (a) A case of vertebral fracture with severe disc damage; (b) A case of correction loss at postoperative seven months; (c) In treatment group, bone graft 3-D fusion of bilateral articular process and interspinous process was done with posterior approach; (d)In control group, only bone graft fusion of bilateral articular process was done with posterior approach (Arrow ①-articular process bone graft area; arrow ②-interspinous bone graft area)

1 材料和方法

1.1 正常和骨折復(fù)位后的L1-L2三維有限元模型構(gòu)建

分別選取第二代中國數(shù)字化人體(The Second Generation of Chinese Digitized Human, F2-CDH)，即中國活體數(shù)字人“男性第23號”和正常青壯年男性尸體的腰椎CT片，通過影像學(xué)和數(shù)字解剖學(xué)對比發(fā)現(xiàn)，兩類CT片在構(gòu)建L1-L2 節(jié)段的三維有限元模型[20](見圖2(a))時(shí)具有通用效果。將皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、后部結(jié)構(gòu)、骨性終板、纖維環(huán)基質(zhì)、髓核、關(guān)節(jié)突軟骨等單元類型定義為實(shí)體單元，材料屬性為線彈性和超彈性[20-23]。將纖維環(huán)纖維、前縱韌帶(anterior longitudinal ligament，ALL)、后縱韌帶(posterior longitudinal ligament，PLL)、棘間韌帶(interspinous ligament，ISL)、棘上韌帶(supraspinous ligament，SSL)、關(guān)節(jié)囊韌帶(Capsular ligament，CL)、黃韌帶(ligamentum flavum，LF)、橫突間韌帶(intertransverse ligament，TL)等單元類型定義為纜繩單元，承受張力而不承受壓力[20-23]。上下關(guān)節(jié)突軟骨處于接觸狀態(tài)，采用可滑動面-面接觸單元，摩擦系數(shù)為0.002 6[20]。ALL(前柱)、ISL和SSL(后柱)在正常生理狀態(tài)下存在1°～2°的自由屈伸[24]。該模型已由離體標(biāo)本生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[20]。

在胸腰椎骨折復(fù)位有限元模型構(gòu)建時(shí)[25]，選取Gertzbein分型[26]A3型骨折中L2椎體骨折并伴有L1-2椎間盤損傷作為典型骨折病癥。骨折椎體經(jīng)椎弓根系統(tǒng)從后路復(fù)位后，其形態(tài)學(xué)解剖結(jié)構(gòu)與正常節(jié)段基本相似，但是損傷部位的生物力學(xué)性能嚴(yán)重退化(見圖2(b))。損傷部位有L2的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨、L2上終板、L1-2椎間盤、ALL，損傷也可能發(fā)生于ISL和SSL等[27-28]，見圖1(a)和圖2(b)。

1.2 兩種融合術(shù)式在內(nèi)固定拆除術(shù)后的有限元模型構(gòu)建

圖2 正常腰椎及兩種手術(shù)后的腰椎有限元模型及L2爆裂型骨折術(shù)后病例的CT片(箭頭①指示棘突間植骨融合處，箭頭②指示左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)植骨融合處,箭頭③指示右側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)植骨融合處)。 (a) 正常腰椎L1-L2節(jié)段有限元模型，L表示椎體前后徑，其中前柱占椎體前后徑的2/3；(b) 腰2爆裂性骨折病例 (Gertzbein A3型)FSF手術(shù)3-D融合術(shù)后的CT片；(c) 內(nèi)固定拆除后，F(xiàn)SF手術(shù)3-D融合有限元模型(治療組)；(d) 內(nèi)固定拆除后，F(xiàn)F手術(shù)有限元模型(對照組)Fig.2 Finite element models of normal lumbar and two postoperative lumbar spine, and CT images of a case after FSF operation. (Arrow ①-interspinous bone graft area, arrow ②-left articular process bone graft area; arrow ③-right articular process bone graft area). (a) A FE model of normal L1-L2 segment,L represents the anteroposterior diameter of vertebral body, the anterior column accounts for two-thirds of L; (b) CT images of a case with L2 burst fracture (Gertzbein A3) treated with FSF intervention of 3-D fusion;(c) the FE model of the FSF intervention of 3-D fusion (treatment group); (d) the FE model of the FF intervention (control group)

根據(jù)前瞻性臨床研究的治療組(FSF，11例)和對照組(FF，13例)的臨床資料，F(xiàn)SF手術(shù)3D融合模型由雙側(cè)小關(guān)節(jié)后1/3區(qū)域[8]和棘突間矢狀面后2/3區(qū)域的植骨融合來反映臨床效果(見圖2(b))，植骨體橫截面積分別約為180和64 mm2，刪除小關(guān)節(jié)軟骨、CL、ISL和SSL等醫(yī)源性損傷結(jié)構(gòu)，模型共包含22 777個(gè)實(shí)體單元、216個(gè)韌帶纖維纜繩單元、35 290個(gè)節(jié)點(diǎn)(見圖2(c))。FF手術(shù)融合模型由雙側(cè)小關(guān)節(jié)后1/3區(qū)域的植骨融合來反映臨床效果[8](見圖2(b)的下面兩個(gè)截面)，植骨體橫截面積約為180 mm2，刪除小關(guān)節(jié)軟骨和CL等醫(yī)源性損傷結(jié)構(gòu)，保留ISL和SSL，模型共包含22 719個(gè)實(shí)體單元、221個(gè)韌帶纖維纜繩單元、35 199個(gè)節(jié)點(diǎn)(見圖2(d))。

根據(jù)兩組病例的CT檢查、骨密度BMD測量和臨床觀察，內(nèi)固定拆除后(術(shù)后13個(gè)月)，設(shè)兩個(gè)模型的雙側(cè)關(guān)節(jié)突或棘突融合良好(樂觀估計(jì)對照組FF模型，增加了治療組FSF模型與對照組FF模型的相對安全系數(shù)[25])，植骨體力學(xué)性能接近正常椎體松質(zhì)骨[29]。設(shè)兩個(gè)模型的髓核和纖維環(huán)的彈性模量為正常值的0%～10%來模擬髓核流失，纖維環(huán)瘢痕形成，椎間盤接近失效狀態(tài)(保守地估計(jì)治療組FSF模型，增加了治療組FSF模型與對照組FF模型的相對安全系數(shù)[25])。損傷區(qū)(L2、L2上終板、ALL等)的彈性模量設(shè)為正常值的67%～100%，用67%來模擬術(shù)后力學(xué)性能大部分得到恢復(fù)[21,30]。兩個(gè)模型的材料屬性見表1[20-23, 29-30]。

表1 FSF和FF外科有限元模型的材料屬性[20-23, 29-30]

1.3 兩種融合模型的脊柱三柱加載分析模式

考慮椎旁肌和腹內(nèi)壓的作用與平衡[22, 24]，施加于有限元模型的荷載共分4種：加載模式Ⅰ，模擬平衡直立時(shí)，施加單純壓縮荷載400 N，約為上部體重的1.37倍；加載模式Ⅱ，模擬輕度負(fù)重時(shí)，施加單純壓縮荷載520 N，約為上部體重的1.78倍；加載模式Ⅲ，模擬前屈作用，施加400 N豎向荷載和7.5 N·m矢狀向前的力矩；加載模式Ⅳ，模擬后伸作用，施加400 N豎向荷載和7.5 N·m矢狀向后的力矩。根據(jù)Denis脊柱三柱理論[31]，F(xiàn)F和FSF融合模型的負(fù)荷方式均符合脊柱荷載分享原則[32]。因此，模型的約束設(shè)置在L2下終板和L2下關(guān)節(jié)突的關(guān)節(jié)面，均為三向約束；力和力矩施加在L1上終板和L1上關(guān)節(jié)突的關(guān)節(jié)面，前柱和中柱共占85%，后柱占15%[20, 30,33]。所有模擬計(jì)算均在Ansys11.0有限元分析平臺上完成。

1.4 治療組和對照組的隨機(jī)對照試驗(yàn)隨訪檢查

本項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了與有限元分析并行的小樣本前瞻性臨床隨機(jī)對照試驗(yàn)[25]。溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院脊柱外科自2006年1月—2007年8月收治了新鮮胸腰椎骨折病人24例，隨機(jī)分成兩組，治療組(FSF)11例(8男，3女，年齡21～63歲)，對照組13例(8男，5女，年齡19～59歲)。所有的納入病例符合以下標(biāo)準(zhǔn)：受傷至手術(shù)時(shí)間≤5d；本組的病例按Gertzbein分型[26-28,31]屬于A3型(部分A3型伴有ISL和SSL損傷)，按Denis分型屬于 B型；MRI表現(xiàn)有上終板及上位椎間盤嚴(yán)重?fù)p傷，而下終板及下位椎間盤正常；不伴有脫位，不伴有明顯的骨質(zhì)疏松；由同一醫(yī)療組醫(yī)務(wù)人員施行手術(shù)；手術(shù)選擇的椎弓根系統(tǒng)均為中國產(chǎn)康輝U型釘系統(tǒng)。治療組行后路雙側(cè)關(guān)節(jié)突聯(lián)合棘突間植骨3D融合(FSF,見圖1(c))，棘突間植骨塊為髂后上棘處取得髂骨，用胸骨鋼絲8字固定。對照組手術(shù)步驟和治療組相同，但術(shù)中僅行后路雙側(cè)關(guān)節(jié)突植骨(FF[8],見圖1(d))而棘突間不植骨。在術(shù)后12個(gè)月，兩組均行內(nèi)固定拆除術(shù)。術(shù)后隨訪時(shí)間13～20個(gè)月，平均15.1個(gè)月。

治療組和對照組在術(shù)前、術(shù)后1周內(nèi)、術(shù)后6月、術(shù)后13個(gè)月(內(nèi)固定拆除后1月)，均拍攝胸腰椎正側(cè)位X線片。在術(shù)后6個(gè)月和術(shù)后13個(gè)月，進(jìn)行胸腰椎薄層CT掃描及三維重建，觀察植骨融合情況。測量傷椎的矢狀面指數(shù)(sagittal index，SI)、傷椎椎體前緣壓縮百分比(percentage of anterior body compression，ABC)及椎間隙高度丟失百分比(percentage of intervertebral space height loss，ISH)[34-35](見圖3)。

圖3 在第二代中國數(shù)字化人體(活體數(shù)字人)脊柱模型上表示傷椎測量指標(biāo)SI、ABC、ISH的計(jì)算。(a)傷椎SI的計(jì)算；(b)傷椎A(chǔ)BC、ISH的計(jì)算Fig.3 The calculating conceptual diagram of SI, ABC, ISH of the injuried thoracolumbar vertebra based on the spine model of F2-CDH (The living digital human).(a) The calculating conceptual diagram of SI of the injuried thoracolumbar vertebra; (b) The calculating conceptual diagram of ABC and ISH of the injuried thoracolumbar vertebra

根據(jù)圖3，計(jì)算公式如下：

SI=Cobb-Npc1-Npc2

(1)

式中，Npc為椎體正常生理曲線角。

(2)

ISH=

×100%

(3)

2 結(jié)果

2.1 兩種融合模型的內(nèi)在生物力學(xué)差異

在單純壓縮Ⅰ、單純壓縮Ⅱ、前屈(Ⅲ)與后伸(Ⅳ)4種生理荷載作用下，兩種融合模型的三柱荷載分享比例、椎間盤最大壓縮位移與應(yīng)變、關(guān)節(jié)突與棘突植骨區(qū)最大von Mises應(yīng)力等分別見表2～表4。FSF融合模型的后柱荷載比FF融合模型增加了22%～24%，而前中柱荷載比FF融合模型減小了約30%，這大大加強(qiáng)了FSF融合的后柱承載力和穩(wěn)定性。FSF模型的前柱軸向壓縮位移比FF模型減小了15%～16%，后凸變形比FF模型明顯減小，減小量為31%～33%。FSF融合模型的椎間盤豎向壓縮位移與應(yīng)變比FF融合模型明顯減小，減小量分別為22%～27%和20%～35%，這有利于減小術(shù)后椎間隙高度的丟失。FSF融合模型的雙側(cè)關(guān)節(jié)突植骨區(qū)的最大Von Mises應(yīng)力比FF融合模型減小了5.5%～-13%，降低了因高應(yīng)力集中而引發(fā)植骨區(qū)微骨折的危險(xiǎn)性。

表2 FSF和FF模型的三柱荷載分享比例

Tab. 2 The load sharing proportion of spinal three columns in the two surgical models (FSF, FF)

荷載量/NFSF的三柱荷載/NFF的三柱荷載/NA?CM?CP?CA?CM?CP?C400704728310365232520966336114187292

注：A-C, 前柱; M-C, 中柱; P-C, 后柱。

Note：A-C: the anterior column; M-C: the middle column; P-C: the posterior column.

表3 FSF和FF模型的椎間盤最大壓縮位移和應(yīng)變

Tab.3 The maximum disc compressive displacement and strain in the two surgical models (FSF, FF)

荷載椎間盤最大軸向壓縮位移/mmFSFFFFSF-FFFF/%椎間盤最大軸向壓縮應(yīng)變FSFFFFSF-FFFF/%ModeⅠ2 2343 045-270 6110 942-35ModeⅡ2 8713 659-220 8701 217-29ModeⅢ3 0843 996-230 9551 342-29ModeⅣ1 3061 703-230 4210 529-20

注：Mode Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅵ為4種加載模式。

Note：Mode Ⅰ,Ⅱ, Ⅲ, Ⅵ represent the four different load patterns.

表4 FSF和FF模型的植骨區(qū)最大von Mises應(yīng)力

Tab. 4 The maximum bone graft von Mises stress in the two surgical models (FSF, FF)

荷載棘上韌帶或棘突間植骨的最大應(yīng)力/MPaFSFFFFSF-FFFF/%棘上韌帶或棘突間植骨的最大應(yīng)力/MPaFSFFFFSF-FFFF/%ModeⅠ13 42915 292-125 7740 4351230ModeⅡ17 32918 610-6 97 3982 135250ModeⅢ19 03020 137-5 58 0131 409470ModeⅣ10 30311 810-133 5660 0—

注：Mode Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ為4種加載模式。

Note：Mode Ⅰ,Ⅱ, Ⅲ, Ⅵ represent the four different load patterns.

2.2 FSF融合模型表現(xiàn)出的后部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化張力帶

FSF和FF兩種融合模型在加載模式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ作用下，均呈現(xiàn)明顯的前屈運(yùn)動；FSF模型的后部結(jié)構(gòu)受到棘突間植骨體的牽拉，F(xiàn)F模型的后部結(jié)構(gòu)受到ISL與SSL的牽拉，兩者均表現(xiàn)出與骨小梁排列相一致的張拉應(yīng)力矢量流。但是，棘突間植骨體的牽拉效果更為強(qiáng)烈，棘突張拉應(yīng)力的矢量流箭頭更密、更大，建立了一個(gè)新的強(qiáng)化張力帶，見圖4(a)、(b)。FSF融合模型的棘突間植骨區(qū)最大von Mises應(yīng)力比FF融合模型的ISL與SSL大幅增加，增量在2.5～12.3倍。在后伸模式(Ⅳ)下，F(xiàn)F融合模型的ISL與SSL出現(xiàn)了松弛，棘突未出現(xiàn)應(yīng)力矢量流，但是FSF融合模型由于棘突間骨性融合，仍出現(xiàn)了應(yīng)力矢量流。

2.3 兩組的放射學(xué)隨訪及其統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果

圖4 壓縮荷載作用下由計(jì)算機(jī)生成的腰椎主應(yīng)力矢量流跡線及治療組病例術(shù)后融合情況(A1、A2分別顯示FSF右側(cè)及左側(cè)關(guān)節(jié)突植骨融合部位，A3顯示FSF棘突間植骨融合的部位，①表示強(qiáng)化張力帶，②表示較弱張力帶，圖中箭頭(→←)表示壓應(yīng)力流；箭頭(←→)表示張應(yīng)力流；箭頭的長短和密度表示力流的大小，箭頭的排列表示力流的方向)。(a) FSF融合模型；(b) FF融合模型；(c)腰1爆裂骨折病例行FSF術(shù)后19個(gè)月(內(nèi)固定拆除后7個(gè)月)的3個(gè)矢狀位CT片，顯示與(a)對應(yīng)的雙側(cè)關(guān)節(jié)突和棘突間植骨3D融合Fig.4 The FE model-produced vector diagrams of the isostatic stress flows in the lumbar region under the compression load and the fusion of the treatment group after operation(A1,A2 show right and left articular process area respectively, A3 shows the area of interspinous process; ① shows strengthened tension band, ② shows weak tension band; The arrows represent the transfer of compression(→←) and tension (←→);the length and density of arrows signify the magnitude of stress flow; the alignment of arrows signify the orientation of stress flow).(a) FSF model; (b) FF model; (c) CT sagittal images show the bony 3D fusion of bilateral articular process and interspinous process correspond to graph (a) from a case of L1 burst fracture treated with FSF intervention at postoperative 19 months.

由治療組(FSF)和對照組(FF)的正側(cè)位X線片測量發(fā)現(xiàn)，在術(shù)前和術(shù)后1周，治療組(FSF)和對照組(FF)的SI、ABC、ISH無明顯差異(P>0.05)，但在術(shù)后6個(gè)月和13個(gè)月(內(nèi)固定拆除后)，治療組(FSF)和對照組(FF)的SI、ABC、ISH具有明顯差異(P<0.05)，見圖5。治療組(FSF)的SI、ABC在術(shù)后早期和晚期均基本維持在正常生理指標(biāo)范圍之內(nèi)，SI 為4.64±1.85～5.96±1.99 (術(shù)前為27.92±6.16)，ABC為4.50±3.25～7.51±3.04(術(shù)前為30.86±3.81)，見圖5(a)、(b)，說明FSF對預(yù)防早期矯正丟失和預(yù)防晚期矯正丟失均有效。對照組(FF)的SI、ABC在術(shù)后初期基本正常，SI為4.35±2.25 (術(shù)前為27.21±8.36)，ABC為3.95±4.32(術(shù)前為32.17±4.73)；然而，在術(shù)后晚期明顯變大，SI為11.63±3.02，ABC為13.26±3.69，均約為FSF的2倍(見圖5 (a)、(b))，說明FF對預(yù)防早期矯正丟失具有一定的效果，但其預(yù)防晚期矯正丟失幾乎無效。對比顯示，術(shù)后晚期治療組(FSF)及對照組(FF)的隨訪結(jié)果與治療組模型(FSF)及對照組模型(FF)的有限元分析結(jié)果相符。

另外，術(shù)后6個(gè)月與術(shù)后13個(gè)月(內(nèi)固定拆除后1個(gè)月) 薄層CT掃描及三維重建等影像學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，治療組病例的雙側(cè)關(guān)節(jié)突和棘突間植骨3-D融合良好,見圖4(c)。

圖5 治療組(11例)和對照組(13例)的隨訪比較(術(shù)后13個(gè)月內(nèi)固定已拆除))。(a) SI； (b) ABC； (c) ISHFig.5 Comparison of clinic index between the treatment group (11 cases. The internal fixation have been removed at postoperative thirteen weeks) and control group (13 cases). (a) SI; (b) ABC; (c) ISH

3 討論

胸腰椎骨折合并椎間盤嚴(yán)重?fù)p傷，行后路手術(shù)發(fā)生遲發(fā)性矯正丟失，在國內(nèi)外脊柱外科仍然是一個(gè)突出的臨床問題[1-4]。針對這一并發(fā)癥，設(shè)計(jì)了手術(shù)治療組(FSF)模型和手術(shù)對照組(FF)模型，具備了解剖精確性、材料可靠性和術(shù)式靈敏性等特性。通過治療組模型和對照組模型的有限元分析，以及治療組和對照組的隨機(jī)對照試驗(yàn)、隨訪檢查[25]，較好地評估了FSF和FF對防止晚期矯正丟失的生物力學(xué)機(jī)制和臨床效果。

基于Denis脊柱三柱理論[31]，Kummer認(rèn)為當(dāng)脊柱結(jié)構(gòu)完整時(shí)，直立時(shí)前中柱受力為80～90%，后柱受力為10%～20%[33]，這與本研究中正常有限元模型的前中柱與后柱的荷載分享比例為79%:21%基本相近。Rohlmann對其載荷分布做了定量研究, 認(rèn)為前、中柱損傷后屈曲載荷容量喪失67.7%, 軸向載荷容量喪失61.2%，載荷轉(zhuǎn)移由后柱承載，實(shí)現(xiàn)了后柱的荷載分享[36]，這也符合了Bridwell KH的脊柱載荷分享原理[32]。本研究的有限元分析發(fā)現(xiàn)，在400和520 N軸向荷載作用下，治療組模型(FSF)的前中柱與后柱的荷載分享比例約為29%∶71%和31%∶69%(前中柱負(fù)載下降60.8%～63.3%)，對照租模型(FF)的前中柱與后柱的荷載分享比例約為42%∶58%和44%∶56%(前中柱負(fù)載下降44.3%～46.8%)。因此，治療組模型(FSF)后柱比對照組模型(FF)后柱承擔(dān)了更多比例的內(nèi)力載荷，增加了22%～24%，可見脊柱后方3D融合手術(shù)對預(yù)防術(shù)后晚期矯正丟失起到了積極作用。

張力帶原則是胸腰椎骨折手術(shù)的一個(gè)重要的生物力學(xué)原則，它與載荷分享原則是共存的。James 等強(qiáng)調(diào)后柱穩(wěn)定的重要性，認(rèn)為后柱韌帶的主要作用是對抗屈曲，對防止晚期后凸畸形至關(guān)重要[37]。有限元研究發(fā)現(xiàn)，單純雙側(cè)關(guān)節(jié)突植骨融合(FF)后，后柱韌帶僅僅構(gòu)成了較弱的張力帶(見圖4(b))；但當(dāng)棘突間獲得骨性融合后，后柱建立了一個(gè)新的強(qiáng)化張力帶(見圖4(a))。FSF模型的后柱張拉能力明顯，超過FF模型(見表4)，進(jìn)一步說明強(qiáng)化張力帶能夠更好地預(yù)防受損椎間盤的塌陷，避免脊柱后凸畸形的發(fā)生(見表3)。

國內(nèi)外研究顯示，防止內(nèi)固定器械失效以及術(shù)后獲得骨性融合，對預(yù)防術(shù)后矯正丟失具有重要作用[4,8,11]。 Eno等回顧分析了2005—2009年行單純后路短節(jié)段椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)的患者[38]。長期隨訪發(fā)現(xiàn)，螺釘松動斷裂、內(nèi)固定器械失敗率高、矯正丟失多，故常需結(jié)合植骨融合、椎體成形術(shù)等方法糾正；Fang報(bào)道一例陳舊性胸腰椎骨折患者行椎體間植骨融合，效果滿意[39]；He 等運(yùn)用微創(chuàng)內(nèi)固定結(jié)合椎體后凸成形術(shù)，治療老年胸腰椎爆裂骨折，同樣取得良好的手術(shù)效果[40]。要達(dá)到成功的植骨融合，涉及移植骨中的成骨細(xì)胞活性、骨誘導(dǎo)能力和骨爬行替代等，而這些生物學(xué)因素與植骨床的血管化、局部穩(wěn)定性、應(yīng)力集中與應(yīng)力遮擋等生物力學(xué)內(nèi)環(huán)境有關(guān)[4]。有限元研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)F模型的后柱主要由雙側(cè)小關(guān)節(jié)兩點(diǎn)負(fù)荷(見圖2(d))，導(dǎo)致關(guān)節(jié)突植骨區(qū)高應(yīng)力集中(見表4)，可能引起術(shù)后植骨區(qū)疲勞微骨折。而FSF模型的后柱承載主要由雙側(cè)小關(guān)節(jié)和棘突三點(diǎn)承擔(dān)(見圖2(c))，增強(qiáng)了損傷節(jié)段后柱的三維穩(wěn)定性。FSF融合時(shí)，雙側(cè)關(guān)節(jié)突植骨區(qū)應(yīng)力比FF融合時(shí)減小了5.5%～13%，一定程度地降低了FSF術(shù)后植骨區(qū)疲勞微骨折的風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)了植骨區(qū)新骨的生長與融合。可見，F(xiàn)SF手術(shù)的3D植骨融合的生物力學(xué)內(nèi)環(huán)境優(yōu)于FF手術(shù)的生物力學(xué)內(nèi)環(huán)境。

Viceconti等的評論指出，有臨床價(jià)值的有限元分析(FEA)需要得到前瞻性臨床試驗(yàn)的檢驗(yàn)[25]。本研究設(shè)計(jì)了與其相關(guān)的小樣本隨機(jī)對照試驗(yàn)(RCT)。FEA發(fā)現(xiàn)，治療組(FSF)模型的后凸程度、椎間盤壓縮位移和應(yīng)變均明顯小于對照組(FF)模型，減小量分別為31%～33%、22%～27%和20%～35%。RCT發(fā)現(xiàn)，內(nèi)固定拆除后，治療組的SI、ABC、ISH均明顯小于對照組，差異具有顯著意義(P<0.05)。治療組(FSF)模型的FEA顯示，棘突間植骨處形成了強(qiáng)化張力帶，雙側(cè)關(guān)節(jié)突植骨處疲勞骨折危險(xiǎn)性降低(見圖4(a)、(b))。RCT中治療組(FSF)的CT檢查顯示，內(nèi)固定拆除后，棘突間和雙側(cè)關(guān)節(jié)突的植骨處均獲得了融合(見圖4(c))。FEA表明，治療組(FSF)模型預(yù)防矯正丟失的力學(xué)機(jī)制優(yōu)于對照組(FF)模型(見表2～4)。RCT表明，治療組(FSF)預(yù)防矯正丟失的臨床療效優(yōu)于對照組(FF) (見圖5)。因此，F(xiàn)EA結(jié)合小型RCT，提高了FSF手術(shù)3D融合預(yù)防術(shù)后矯正丟失的醫(yī)學(xué)證據(jù)的質(zhì)量和安全性。

但是，筆者構(gòu)建的FSF和FF融合有限元模型是對實(shí)際手術(shù)的模擬研究，仍然具有一定的近似性和局限性。首先，F(xiàn)SF手術(shù)的適應(yīng)證為胸腰椎骨折伴單一相鄰終板和椎間盤嚴(yán)重?fù)p傷(荷載分享指數(shù)為5～6分)，但是椎間盤損傷程度的界定尚無明確的標(biāo)準(zhǔn)，且術(shù)后椎間盤修復(fù)程度也具有不確定性。筆者建立的失效椎間盤模型僅僅代表術(shù)后的最不利狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)分析[25]，但相信隨著椎間盤的逐步修復(fù)，F(xiàn)SF和FF融合預(yù)防術(shù)后矯正丟失的療效將進(jìn)一步增加。其次，臨床上發(fā)現(xiàn)部分Gertzbein A3型骨折病例伴有ISL和SSL的損傷與斷裂[37]，這可能進(jìn)一步加劇FF融合術(shù)后的矯正丟失，而對FSF融合術(shù)后無影響?？梢姡g韌帶(ISL)和棘上韌帶(SSL)損傷與斷裂也屬于FSF手術(shù)的適應(yīng)證。第三，臨床上植骨床面積及融合率等也具有不確定性，不同術(shù)者可能造成不同的融合效果，本研究的模型僅僅反映并選擇了最為典型的手術(shù)模型[8,30]。第四，F(xiàn)SF手術(shù)的禁忌證主要包含棘突骨折、嚴(yán)重骨質(zhì)疏松、棘突發(fā)育過小者，以及行前路融合的病例。對于荷載分享指數(shù)≥7分的患者，推薦行前路融合，以防止內(nèi)固定失效[41]。最后，雖然經(jīng)過一個(gè)24例病例的小樣本隨機(jī)對照試驗(yàn)檢驗(yàn)了FSF模型和FF模型，但是FSF手術(shù)3D植骨融合的臨床實(shí)用性仍然有待于大樣本病例的臨床觀察、長期隨訪，以及循證醫(yī)學(xué)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

(致謝：感謝王正國院士、戴尅戎院士、李蘭娟院士和池永龍教授、徐華梓教授在基礎(chǔ)與臨床結(jié)合的數(shù)字醫(yī)學(xué)和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究中給予熱情的指導(dǎo)；感謝溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第五醫(yī)院和附屬第二醫(yī)院脊柱外科組的醫(yī)生們以及數(shù)字化醫(yī)學(xué)研究所的工程師們在放射學(xué)隨訪測量、數(shù)值計(jì)算中提供了有力幫助，感謝大連理工大學(xué)提供Ansys計(jì)算平臺。)

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Three-Dimensional Fusion of Posterior Spinal Column to Prevent Postoperative Late Correction Loss in Thoracolumbar Fractures: Finite Element Analysis and Randomized Controlled Trial

Wu Lijun1*Yu Fengjiao1He Dengwei2*Zhong Shizhen3

1(DigitizedMedicalInstitute,WenzhouMedicalUniversity,Wenzhou325035,Zhejiang,China)2(DepartmentofOrthopedics, 5thAffiliatedHospital,WenzhouMedicalUniversity,Lishui323000,Zhejiang,China)3(LaboratoryofMedicalBiomechanics,SouthernMedicalUniversity,Guangzhou510515,China)

To assess the biomechanics and clinical effects of facet joint plus interspinous process graft 3D fusion on preventing postoperative late correct loss in thoracolumbar fractures with disc damage treated with posterior approach. By simulating the internal fixation removal postoperatively, two surgical finite element models of the L1-L2 segments for facet joint plus interspinous process fusion (treatment group model) and single-level facet joint fusion (control group model) were established. The compression, flexion and extension were modeled on the basis of a three-column spine theory. The radiologic follow-up of a prospective clinical randomized controlled trial for the treatment group (11 cases) and control group (13 cases) were conducted to detect clinical effects of these two surgical models. The disc vertical compressive displacement and strain of the treatment group model were significantly reduced when compared to those of the control group model. The stress level on bilateral articular process bone graft was decreased. Furthermore, the posterior tension band of the treatment model was stronger and more stable than that of the control model. Accordingly, radiologic follow-up results of the trial at postoperative late stage of the treatment group were significantly better than those of the control group, which had statistically significant difference (P<0.05). Bilateral facet joints plus interspinous process 3D fusion is able to model the three-dimensional spinal stability more effectively than single-level facet joints fusion and was superior in bony fusion to prevent postoperative late correction loss in the patients treated with posterior approach alone. Finite element analysis associated with small randomized controlled trial is useful to design, evaluate and optimize surgical interventions.

thoracolumbar fracture; late correction loss; posterior column 3D fusion; finite element analysis (FEA); randomized controlled trial (RCT)

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 02.009

2015-07-08， 錄用日期: 2015-11-20

國家自然科學(xué)基金(81271663,31471146); 浙江省溫州醫(yī)學(xué)院重大科研專項(xiàng)(QTJ06012)

R318

A

0258-8021(2016) 02-0184-01

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: biomech@163.com;hedw120@163.com