腰椎椎間孔外椎體間融合術(shù)的三維有限元建模及分析

楊明杰， 曾　誠(chéng)， 李立鈞， 潘　杰， 郭　松， 譚　軍

(同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院脊柱外科，上?！?00120)

目前，腰椎融合術(shù)仍為治療腰椎退變性疾病的最常用術(shù)式[1]，臨床上達(dá)到的共識(shí)是盡可能保留后方的張力結(jié)構(gòu)，減小附加創(chuàng)傷，可以保證術(shù)后短期的穩(wěn)定性以及長(zhǎng)期的融合率。本研究設(shè)計(jì)的椎間孔外腰椎椎體間融合術(shù)(extraforaminal lumbar interbody fusion, ELIF)，術(shù)中只切除增生內(nèi)聚的上關(guān)節(jié)突，而保留下關(guān)節(jié)突及其后方附著軟組織，較之傳統(tǒng)的經(jīng)椎間孔椎體間融合術(shù)(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF)更加完整地保留后方結(jié)構(gòu)，提高腰椎術(shù)后即刻穩(wěn)定性[2-4]。本研究建立了正常L3～L5的三維有限元模型，并在此基礎(chǔ)上建立了采用不同內(nèi)固定融合方式的有限元模型，測(cè)量前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)各工況下模型的穩(wěn)定性、椎弓根螺釘連接棒上的應(yīng)力及各種固定融合方式對(duì)于鄰近節(jié)段的影響，為臨床應(yīng)用提供理論力學(xué)依據(jù)。本研究比較ELIF手術(shù)與傳統(tǒng)經(jīng)典TLIF手術(shù)在各種內(nèi)固定條件下的腰椎運(yùn)動(dòng)節(jié)段的穩(wěn)定性。

1　資料與方法

1.1　建立三維有限元模型

健康成年男性志愿者1例(26歲，身高172cm，體質(zhì)量67kg)，既往無(wú)腰椎疾病史，拍攝腰椎X線片排除腰椎病變。用64排螺旋CT機(jī)從L3上終板至L5下終板進(jìn)行連續(xù)掃描，層厚3mm，以通用DICOM 3.0格式讀入醫(yī)學(xué)有限元建模軟件Simpleware 2.0，建立L3～L5的三維幾何模型。利用有限元軟件Hypermesh，采用合適的單元類型和材料性質(zhì)，對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，將各部位材料的彈性模量、泊松比等材料系數(shù)及特征值輸入模型[5-9]，見表1，完成人正常L3～L5節(jié)段有限元模型(INT)的建立，見圖1。

表1　有限元模型各部分材料力學(xué)參數(shù)

1.2　建立不同融合內(nèi)固定模型

將IGES格式的椎弓根螺釘系統(tǒng)與椎間融合器(DePuy spine,美國(guó)強(qiáng)生公司)圖像文件導(dǎo)入Hyperm-esh，根據(jù)以下要求分別對(duì)ELIF組與TLIF組進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。兩組螺釘彈性模量為110000MPa，泊松比為0.3。椎間融合器為子彈頭型融合器，尺寸為9mm×11mm×27mm，彈性模量為3700MPa，泊松比為0.25。螺釘直徑6.0mm，長(zhǎng)45mm。ELIF組融合器與矢狀面成80°，從右側(cè)斜行置入椎間隙內(nèi)。TLIF組融合器與矢狀面成45°，從右側(cè)斜行置入椎間隙內(nèi)。利用三維重建軟件分別建立正常標(biāo)本對(duì)照組(C組)，單邊固定ELIF(E1組)，單邊固定TLIF(T1組)，雙邊固定ELIF(E2組)，雙邊固定TLIF(T2組)，單邊固定ELIF+對(duì)側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘內(nèi)固定(E3組)，單邊固定TLIF+對(duì)側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘內(nèi)固定(T3組)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)完全按臨床手術(shù)方法： E1，去除L5上關(guān)節(jié)突，切除L4～L5間隙全部髓核及右后2/3纖維環(huán)，保留后方的棘上韌帶、棘間韌帶、棘突及左側(cè)結(jié)構(gòu)，于L4、L5右側(cè)椎弓根各置入1枚螺釘(螺釘?shù)娜朦c(diǎn)選擇上關(guān)節(jié)突與橫突轉(zhuǎn)折部中點(diǎn)，角度約與矢狀面呈45°)；T1，去除L4下關(guān)節(jié)突及L5上關(guān)節(jié)突，切除L4～L5間隙全部髓核及右后2/3纖維環(huán)，保留后方的棘上韌帶、棘間韌帶、棘突及左側(cè)結(jié)構(gòu)，于L4、L5右側(cè)椎弓根各置入1枚螺釘(螺釘?shù)娜朦c(diǎn)選擇人字嵴的頂點(diǎn)，角度約與矢狀面呈30°)；T2減壓范圍同T1，于L4、L5雙側(cè)椎弓根各置入2枚螺釘(置釘方法同T1)；E2為雙邊固定ELIF；E3減壓范圍同E1，于L4、L5右側(cè)椎弓根各置入1枚螺釘，并經(jīng)椎板置入對(duì)側(cè)關(guān)節(jié)突螺釘；T3為單邊固定TLIF并經(jīng)椎板置入對(duì)側(cè)關(guān)節(jié)突螺釘，見圖2和圖3。

圖1　正常腰椎L3～L5三維有限元建模Fig.1　3D-finite element models of normal lumbar

圖2　ELIF的三維有限元建模Fig.2　3D-finite element model of ELIFA： 單邊固定， B： 雙邊固定， C： 單邊+關(guān)節(jié)突螺釘固定

圖3　TLIF三維有限元建模Fig.3　3D-finite element model of TLIFA： 單邊固定， B： 雙邊固定， C： 單邊+關(guān)節(jié)突螺釘固定

1.3　加載和記錄方法

將L5椎體的下表面全固定，在L3椎體上表面施加面載荷，壓力方向垂直向下，均勻分布在整個(gè)L3椎體的上終板。對(duì)模型所施加的載荷為400N，運(yùn)動(dòng)附加力為6N·m。進(jìn)入Abaqus 6.10，在腰椎前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)六種工況下進(jìn)行計(jì)算。主要觀察指標(biāo)有： (1) L4～L5活動(dòng)范圍(range of motion, ROM)，用節(jié)段角位移表示，測(cè)量L4、L5上表面最前點(diǎn)、最后點(diǎn)、最左點(diǎn)、最右點(diǎn)共4點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)連接成線，各線間夾角代表相鄰兩椎體上表面間的夾角，加載前后夾角差值的絕對(duì)值即為L(zhǎng)4～L5節(jié)段角位移。(2) 以應(yīng)力云圖的形式表示各工況下椎弓根螺釘連接棒及上位椎間盤的應(yīng)力。(3) 記錄L3～L4活動(dòng)范圍，用L3～L4節(jié)段角位移表示。

1.4　統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2　結(jié)　　果

2.1　模型有效性驗(yàn)證

整個(gè)L3～L5三維非線性有限元模型包括皮質(zhì)骨殼、松質(zhì)骨核心、后部結(jié)構(gòu)(包括關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié))、椎間盤(基質(zhì)、膠原纖維和髓核)和7種韌帶，共14種材料。模型總共含124528個(gè)單元、49235個(gè)節(jié)點(diǎn)。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)六種工況下，計(jì)算L4～L5節(jié)段角位移。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[10]、陳志明等[11]的有限元研究結(jié)果基本一致，見圖4。認(rèn)為本模型在一定條件下有效，可以應(yīng)用于臨床和試驗(yàn)研究。

圖4　本實(shí)驗(yàn)所用模型與正常模型的比較Fig.4　Comparison of different models

2.2　L4～L5活動(dòng)范圍

單側(cè)椎弓根螺釘固定時(shí)E1組與T1組活動(dòng)度均較正常模型C組明顯減小。當(dāng)E1組與T1組相比時(shí)，E1組各工況下的活動(dòng)度小于T1組，尤以左側(cè)屈及右旋時(shí)明顯。這可能是由于在E1組中，減壓側(cè)保留的部分上關(guān)節(jié)突能夠與下關(guān)節(jié)突相關(guān)節(jié)，限制了腰椎的左側(cè)屈及右旋，使得穩(wěn)定性有所提高，另外在E1組中，螺釘?shù)耐鈨A更大，也有助于穩(wěn)定性的提高。當(dāng)E1組與T2組相比時(shí)，E1組活動(dòng)度明顯高于T2組，這表明即使ELIF單邊固定較傳統(tǒng)TLIF單邊固定穩(wěn)定性明顯提高，但是仍無(wú)法達(dá)到經(jīng)典TLIF雙邊固定的穩(wěn)定性。在E1組基礎(chǔ)上輔以對(duì)側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘固定的E3組各工況下的活動(dòng)度，較E1組的活動(dòng)度明顯減小，并且在試驗(yàn)載荷范圍內(nèi)與T2相比未見明顯差異，見表2。

表2　各模型在不同工況下L4～L5節(jié)段角位移

2.3　L3～L4活動(dòng)范圍

4試驗(yàn)組L3～L4節(jié)段的活動(dòng)度與正常對(duì)照組相比無(wú)明顯差異，這表明無(wú)論采用椎弓根螺釘固定或椎弓根螺釘固定輔以對(duì)側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘固定，均不會(huì)對(duì)鄰近椎體間的活動(dòng)造成明顯影響，見表3。

表3　各模型在不同工況下L3～L4節(jié)段角位移

2.4　ELIF及TLIF有限元模型椎弓根螺釘連接棒及椎間融合器的應(yīng)力分析

ELIF組及TLIF組連接棒上的最大應(yīng)力集中部位在釘帽結(jié)合處，而且近端應(yīng)力大于遠(yuǎn)端；單側(cè)椎弓根螺釘固定時(shí)各工況下的連接棒應(yīng)力大于雙側(cè)椎弓根螺釘固定，見圖5。比較E1組與T1組連接棒應(yīng)力時(shí)，E1組應(yīng)力小于T1組，尤以右側(cè)屈時(shí)明顯，見圖6。這是因?yàn)樵贓LIF組中所保留的下關(guān)節(jié)突能夠分擔(dān)連接棒上的部分應(yīng)力，所以，理論上看ELIF組斷棒的概率較TLIF組偏低。在單側(cè)椎弓根螺釘固定的基礎(chǔ)上輔以對(duì)側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘，連接棒的應(yīng)力較單側(cè)固定時(shí)減小。腰椎模型前屈后伸時(shí)，上位椎間盤纖維環(huán)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在其前部；左側(cè)彎時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在其左半部分；右側(cè)彎時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在其右半部分；椎弓根螺釘固定組與完整組并無(wú)明顯差異。當(dāng)比較ELIF與TLIF的融合器所受的應(yīng)力時(shí)，兩組在各工況下無(wú)明顯差異，因融合器的作用在于前柱支撐，后柱結(jié)構(gòu)的保留對(duì)其應(yīng)力影響不大，見圖7。

圖5　單邊固定ELIF(A)及雙邊固定ELIF(B)之連接棒的應(yīng)力比較Fig.5　Comparison of load share in rod between unilateral(A) and bilateral ELIF(B)

圖6　單邊固定ELIF(A)與單邊固定TLIF(B)的連接棒的應(yīng)力比較Fig.6　Comparison of load share in rod between unilateral ELIF(A) and TLIF(B)

圖7　單邊固定ELIF(A)與單邊固定TLIF(B)的融合器的應(yīng)力比較Fig.7　Comparison of load share in cage between unilateral ELIF(A) and TLIF(B)

3　討　　論

腰椎退變性疾病主要表現(xiàn)為腰椎間盤突出癥、腰椎管狹窄癥，該病已成為腰腿痛的最常見原因[12-14]。研究[1]表明，腰椎融合術(shù)已成為保守治療無(wú)效的腰椎病的重要治療手段。腰椎融合術(shù)包括減壓、固定、融合三大內(nèi)容。減壓是解除患者癥狀的關(guān)鍵步驟；固定以提供術(shù)后的即刻穩(wěn)定性，便于早期活動(dòng)，避免臥床并發(fā)癥；而融合則是長(zhǎng)期效果的保障。腰椎管狹窄癥包含了中央椎管狹窄和側(cè)方椎管狹窄兩種類型，對(duì)于側(cè)方椎管狹窄，椎間隙高度降低、椎間盤突出特別是上關(guān)節(jié)突的相對(duì)內(nèi)聚、增生肥大是最主要的原因。相對(duì)于PLIF手術(shù)，TLIF手術(shù)對(duì)側(cè)方椎管的減壓具有更好的針對(duì)性，但是為了達(dá)到手術(shù)目的首先切除了與病變無(wú)關(guān)的下關(guān)節(jié)突。因?yàn)橄玛P(guān)節(jié)突在大多數(shù)情形下不涉及椎管，不參與椎間孔區(qū)域結(jié)構(gòu)構(gòu)成，切除下關(guān)節(jié)突的惟一目的是為切除上關(guān)節(jié)突創(chuàng)造視野和空間條件，所以切除入路必經(jīng)的下關(guān)節(jié)突屬于無(wú)效創(chuàng)傷[15-16]，破壞了脊柱穩(wěn)定性。因此，常規(guī)TLIF手術(shù)均需要輔以后方雙側(cè)椎弓根螺釘固定，以提高術(shù)后即刻穩(wěn)定性。然而，雙側(cè)椎弓根螺釘固定使得手術(shù)時(shí)間及出血增加，神經(jīng)損傷風(fēng)險(xiǎn)增加，手術(shù)費(fèi)用加大。近年來，TLIF單邊固定成為研究熱點(diǎn)[10,17-19]，但是在該技術(shù)中，Sluckv等[20]的生物力學(xué)研究表明，單側(cè)椎弓根螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度僅有雙側(cè)椎弓根螺釘固定時(shí)的一半；而且由于其固有的不對(duì)稱，使得抗旋轉(zhuǎn)力較差，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中；另外，單側(cè)內(nèi)固定有造成側(cè)凸及內(nèi)固定失效的風(fēng)險(xiǎn)[21]。在保證手術(shù)療效的基礎(chǔ)上，本著更加微創(chuàng)、更加穩(wěn)定的原則，本研究設(shè)計(jì)了ELIF手術(shù)，其手術(shù)理念即是在TLIF入路的基礎(chǔ)上繼續(xù)向外側(cè)延伸，將下關(guān)節(jié)突旋出視野，完全暴露上關(guān)節(jié)突，就可以在不切除下關(guān)節(jié)突的基礎(chǔ)上切除上關(guān)節(jié)突，對(duì)側(cè)方椎管進(jìn)行有效的減壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)椎間融合。ELIF手術(shù)較TLIF手術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于： 最大程度保留了后方結(jié)構(gòu)、下關(guān)節(jié)突及其背側(cè)關(guān)節(jié)囊以及附著的韌帶、肌肉組織，對(duì)保證脊柱術(shù)后即刻穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)明顯。此外，ELIF的手術(shù)入路決定了術(shù)中植入椎間融合器的外傾角度較傳統(tǒng)入路加大(例如本模型的椎間融合器的植入角度為80°，能夠有效避免TLIF手術(shù)植入單側(cè)椎間融合器不對(duì)稱的問題[22]，提高穩(wěn)定性，防止沉降；同時(shí)由于手術(shù)入路偏外，椎弓根螺釘?shù)娜朦c(diǎn)可以較常規(guī)TLIF更加偏外，加大螺釘?shù)耐鈨A角度，增加穩(wěn)定性。為明確以上穩(wěn)定性的增加能否使得ELIF手術(shù)單邊固定成為可能，本試驗(yàn)構(gòu)建了不同內(nèi)固定條件下的有限元模型，并將經(jīng)典TLIF雙邊固定模型的穩(wěn)定性作為參照。該模型數(shù)據(jù)分析表明，ELIF單邊固定后，各工況下的穩(wěn)定性均優(yōu)于TLIF單邊固定，其中尤以左側(cè)屈及右旋時(shí)明顯；但明顯弱于TLIF雙邊固定模型。這點(diǎn)提示，ELIF單邊固定后即使其穩(wěn)定性較TLIF單邊固定有所提高，但仍無(wú)法達(dá)到雙側(cè)固定時(shí)的穩(wěn)定性。因此，不論TLIF與ELIF均存在單邊固定失穩(wěn)的可能。此時(shí)，當(dāng)在ELIF單邊固定的基礎(chǔ)上，輔以對(duì)側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘時(shí)，其活動(dòng)度均較ELIF單邊固定時(shí)明顯減小，與經(jīng)典TLIF雙邊固定模型相比活動(dòng)度無(wú)明顯差異。該結(jié)果提示ELIF單邊固定加用對(duì)側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘可以明顯提高穩(wěn)定性，而且其穩(wěn)定性與雙側(cè)椎弓根螺釘固定相當(dāng)，因此該技術(shù)滿足融合手術(shù)所需的穩(wěn)定性要求。近年來，為避免常規(guī)腰椎融合術(shù)(PLIF與TLIF)的創(chuàng)傷較大的弊端，融合方法的改進(jìn)頗多，如ALIF和XLIF分別采用前方入路和側(cè)方入路[23-24]，完全保留了后方結(jié)構(gòu)，具有明顯微創(chuàng)優(yōu)勢(shì)；但是該兩種手術(shù)目前只能對(duì)后方椎管及神經(jīng)根管進(jìn)行間接減壓，手術(shù)適應(yīng)證相對(duì)較窄。而ELIF較ALIF和XLIF，則可以進(jìn)行更有效的直接減壓操作，且手術(shù)范圍局限在脊柱外科醫(yī)生熟悉的后方入路，避免了經(jīng)前路手術(shù)及側(cè)路手術(shù)的并發(fā)癥，增加手術(shù)的安全性、可靠性。此外，ELIF單邊固定輔以對(duì)側(cè)經(jīng)椎板關(guān)節(jié)突螺釘，僅需單側(cè)切開皮膚，既能完成減壓，融合過程又可以固定對(duì)側(cè)關(guān)節(jié)突，提高術(shù)后即刻穩(wěn)定性，手術(shù)創(chuàng)傷更小，出血更少，美容效果更佳。因此，該手術(shù)能夠成為一種更加有效的微創(chuàng)腰椎融合術(shù)。然而，ELIF也有其一定的局限性： 由于其暴露范圍小，術(shù)中切除的骨性結(jié)構(gòu)較少。減壓的范圍較傳統(tǒng)術(shù)式(TLIF和PLIF)相對(duì)較小。隨著手術(shù)技巧的提高，其減壓范圍可以達(dá)到椎管中線。另外，對(duì)于L5～S1側(cè)方椎管狹窄，由于髂骨的遮擋，使得手術(shù)操作難以完成。

Park等[25]關(guān)于腰椎鄰近節(jié)段退變(adjacent segment degeneration, ASD)的研究認(rèn)為，內(nèi)固定可能是ASD早期發(fā)展的危險(xiǎn)因素。但本研究通過分析不同手術(shù)組L3～L4椎間盤的活動(dòng)度和纖維環(huán)的最大應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)各內(nèi)固定組并沒有增加L3～L4的活動(dòng)度及椎間盤的應(yīng)力。Adams等[26]研究表明，退變的椎間盤，其應(yīng)力分布高度不規(guī)則，纖維環(huán)特別是后外側(cè)部位應(yīng)力明顯升高。退變椎間盤即使較小的活動(dòng)度變化也可能導(dǎo)致明顯的應(yīng)力升高，加速其退變。然而，對(duì)于健康沒有退變的椎間盤，其分布應(yīng)力是基本均勻的，活動(dòng)度的變化不會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力的明顯升高，因此，本試驗(yàn)未出現(xiàn)固定后L3～L4椎間盤應(yīng)力的增加。

本研究存在的不足： (1) 是對(duì)模型進(jìn)行部分簡(jiǎn)化和材料特性的理想化，雖然這些簡(jiǎn)化都是在合理的前提下進(jìn)行的，但是不可避免對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定影響，所得的結(jié)果并不是精確的數(shù)值，而是代表一種趨勢(shì)。(2) 未建立包括椎旁肌肉在內(nèi)的全腰椎模型，僅選取了其中2個(gè)腰椎的運(yùn)動(dòng)節(jié)段，不能完全模擬ELIF與TLIF的軟組織環(huán)境。(3) 受條件所限，研究?jī)H停留在三維幾何模型分析，對(duì)尸體標(biāo)本的生物力學(xué)研究將在后期開展。