UPS固定對(duì)TILF術(shù)后鄰近節(jié)段生物力學(xué)影響的有限元分析

陳 偉,黃明光,馮杰榮,殷海東,吳宇寧,邱耿韜,王智運(yùn)

(南方醫(yī)科大學(xué)順德醫(yī)院脊柱外科，廣東 順德 528300)

單側(cè)椎弓根螺釘(Unilateral Pedicle Screw Fixation，UPS)固定技術(shù)是經(jīng)椎間孔入路腰椎椎間融合術(shù)(Transforaminal Lumbar Interbody Fusion，TLIF)的一種內(nèi)固定方式，其主要是對(duì)既往TLIF術(shù)中采用雙側(cè)椎弓根螺釘(Bilateral Pedicle Screw，BPS)固定的方式進(jìn)行改良，通過(guò)僅在患側(cè)置入椎弓根螺釘進(jìn)行固定，避免雙側(cè)堅(jiān)強(qiáng)固定，保留健側(cè)正常解剖結(jié)構(gòu)和活動(dòng)度[1]。目前已有大量文獻(xiàn)表明UPS技術(shù)所提供的臨床療效及融合率與傳統(tǒng)手術(shù)方式之間并無(wú)明顯差異，且該技術(shù)還可明顯減少手術(shù)時(shí)間和術(shù)中出血量[2]，具有較好的生物力學(xué)穩(wěn)定性[3-4]。與此同時(shí)，還有部分學(xué)者認(rèn)為相較于BPS，UPS能對(duì)鄰近節(jié)段退變起一定預(yù)防作用[5-6]，但目前尚未得到相關(guān)生物力學(xué)研究支持。因此，本研究擬通過(guò)腰椎三維有限元模型模擬TLIF術(shù)后椎間融合前與椎間融合后的生物力學(xué)狀態(tài)，對(duì)比分析UPS和BPS技術(shù)在該手術(shù)中應(yīng)用時(shí)，模型整體位移和椎間盤(pán)、小關(guān)節(jié)應(yīng)力應(yīng)變情況以及椎間融合器和椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力情況，明確UPS對(duì)鄰近節(jié)段穩(wěn)定性和局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。

1 資料與方法

1.1 三維有限元模型的建立和載荷加載

利用三維重建軟件Mimics(Materialise’s interactive medical image control system)提取CT掃描中正常志愿者的脊柱形態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)Geomagic獲取優(yōu)化處理后的L2-5節(jié)段脊柱三維模型。通過(guò)Solidworks模擬仿真構(gòu)建椎間融合器、椎弓根釘棒系統(tǒng)并將其與完成L3左側(cè)椎板、L3/4左側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)和椎間盤(pán)切除的椎體模型進(jìn)行組配，采用Ansys Workbench對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并重建韌帶及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)(圖1)。

對(duì)模型各部位的彈性模量，泊松比等材料系數(shù)進(jìn)行賦值[7]，并假設(shè)模型骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)、椎間盤(pán)、小關(guān)節(jié)以及內(nèi)固定均為連續(xù)、各向同性和均勻的線彈性材料。同時(shí)定義椎間融合前融合器與上下椎體間采用不分離接觸，允許微小切向滑動(dòng)；而融合后等效成已經(jīng)融合，此時(shí)椎間融合器與上下椎體間采用綁定接觸，不允許滑動(dòng)。L5椎體底端全固定，L2椎體頂端施加400N軸向荷載，以及施加10N.m力矩來(lái)分別模擬前伸、后屈、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)6個(gè)方向的活動(dòng)(圖2)[8]。

圖1 TLIF三維有限元模型A，B：UPS組；C，D： BPS組

圖2 前屈加載示意圖

1.2 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)UPS以及BPS在TLIF中應(yīng)用的三維有限元模型，在前屈/后伸，左/右側(cè)屈，左/右旋轉(zhuǎn)六種工況下，分析其椎間融合前/后的模型整體位移和鄰近椎間盤(pán)、小關(guān)節(jié)應(yīng)力情況以及椎間融合器和椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力情況，并記錄其峰值用于具體分析。

2 結(jié) 果

2.1 模型整體位移

在六種工況下分析UPS組和BPS組椎間融合前/后的模型整體位移峰值(圖3)，其結(jié)果顯示椎間融合前/后，UPS組平均位移峰值分別較BPS組增高了10.00%和12.14%，且均在右傾工況下出現(xiàn)顯著增加，分別增加了26.07%和25.90%；UPS組椎間融合前平均位移峰值與椎間融合后差異為27.87%，而B(niǎo)PS組為29.58%，其兩者之間的差異不大，總體變化趨勢(shì)基本保持一致。

圖3 各種工況下模型整體位移峰值

2.2 椎間融合器應(yīng)力

在六種工況下分析UPS組和BPS組椎間融合前/后的椎間融合器應(yīng)力峰值(圖4)。其結(jié)果顯示椎間融合前/后，UPS組融合器的平均應(yīng)力峰值較BPS組分別增高了18.63%和51.55%；UPS組椎間融合前與椎間融合后椎間融合器的平均應(yīng)力峰值的差異為-3.81%，而B(niǎo)PS組為38.19%，其兩者之間的差異較大，變化趨勢(shì)不一致；UPS組椎間融合后融合器應(yīng)力峰值在后伸、左/右側(cè)傾工況下較椎間融合前增加，分別為20.64%、20.87%和13.60%。

圖4 各種工況下椎間融合器應(yīng)力峰值

2.3 椎弓根螺釘應(yīng)力

在六種工況下分析UPS組和BPS組椎間融合前/后的椎弓根螺釘應(yīng)力峰值(圖5)。其結(jié)果顯示椎間融合前/后，UPS組的椎弓根螺釘平均應(yīng)力峰值較BPS組分別增高了32.44%和 29.65%；右傾及左旋情況下，兩組之間椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力峰值區(qū)別不大，特別是右傾工況下UPS組的椎弓根螺釘應(yīng)力峰值甚至小于BPS組；UPS組其椎間融合前與椎間融合后椎弓根螺釘?shù)钠骄鶓?yīng)力峰值差異為21.08%，而B(niǎo)PS組為17.81%，其兩者之間的差異不大，總體變化趨勢(shì)基本保持一致。

圖5 各種工況下椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力峰值

2.4 鄰近小關(guān)節(jié)應(yīng)力

在六種工況下分析UPS組和BPS組椎間融合前/后的鄰近節(jié)段小關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值(圖6)。其結(jié)果顯示椎間融合前/后，UPS組L2/3以及L4/5小關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值與BPS組之間無(wú)明顯差異；UPS組其融合前與融合后L2/3與L4/5小關(guān)節(jié)的平均應(yīng)力峰值差異分別為19.76%和16.03%，而B(niǎo)PS組則分別為19.76%和15.94%，其兩者之間的差異不大，總體變化趨勢(shì)保持一致。

圖6 各種工況下鄰近節(jié)段小關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值A(chǔ)：L2/3小關(guān)節(jié)；B：L4/5小關(guān)節(jié)

2.5 鄰近椎間盤(pán)應(yīng)力應(yīng)變

在六種工況下分析UPS組和BPS組椎間融合前/后的鄰近節(jié)段椎間盤(pán)應(yīng)力應(yīng)變峰值(圖7)。其結(jié)果顯示椎間融合前/后，UPS組鄰近椎間盤(pán)應(yīng)力應(yīng)變峰值較BPS組均無(wú)明顯差異；在左/右旋轉(zhuǎn)工況下，UPS組和BPS組其椎間融合后的鄰近椎間盤(pán)應(yīng)力應(yīng)變峰值均較融合前下降超過(guò)50%，而后伸工況下，兩組僅L4/5節(jié)段椎間盤(pán)下降超過(guò)50%；其他各工況下，兩組應(yīng)力應(yīng)變峰值差異并不明顯，并且其變化趨勢(shì)基本保持一致。

圖7 鄰近節(jié)段椎間盤(pán)應(yīng)力應(yīng)變峰值A(chǔ)， C： L2/3椎間盤(pán)；B，D： L4/5椎間盤(pán)

3 討 論

腰椎經(jīng)椎間孔腰椎椎體間融合術(shù)(Transforaminal Lumbar Interbody Fusion，TLIF)是一種治療腰椎退行性疾病的經(jīng)典手術(shù)方式，其具有治療效果確切、手術(shù)節(jié)段穩(wěn)定、術(shù)后融合率高的優(yōu)點(diǎn)[9]，但傳統(tǒng)TLIF為增強(qiáng)手術(shù)節(jié)段穩(wěn)定性通常采用雙側(cè)椎弓根螺釘固定(Bilateral Pedicle Screw，BPS)進(jìn)行手術(shù)節(jié)段的堅(jiān)強(qiáng)固定。而Kabins等[1]于1992年率先采用單側(cè)椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)(Unilateral Pedicle Screw Fixation，UPS)對(duì)傳統(tǒng)TLIF技術(shù)進(jìn)行改良，該技術(shù)并未改變TILF的基本原理，只是僅在患側(cè)置入單側(cè)椎弓根螺釘進(jìn)行手術(shù)節(jié)段固定。目前已有文獻(xiàn)表明，UPS所帶來(lái)的臨床療效及融合率與BPS并無(wú)明顯差異，且可大大減少手術(shù)時(shí)間和術(shù)中出血量[2]，降低醫(yī)療費(fèi)用[10]，同時(shí)該技術(shù)良好的穩(wěn)定性已得到生物力學(xué)測(cè)試的驗(yàn)證[3-4]。但針對(duì)部分學(xué)者認(rèn)為UPS技術(shù)相較于BPS技術(shù)能對(duì)鄰近節(jié)段退變起一定預(yù)防作用[5-6]，目前尚無(wú)直接性生物力學(xué)研究支持。

在本研究中，UPS組的模型整體位移在椎間融合前/后較BPS組呈增加趨勢(shì)，但增加的幅度不大，且主要在右傾工況下出現(xiàn)較大幅度增加，而其他工況下增幅并不明顯?？紤]這可能是由于UPS技術(shù)并未在健側(cè)采用椎弓根螺釘固定，相較于BPS技術(shù)保留了一定正常生理范圍的活動(dòng)度，其活動(dòng)范圍的增加并非內(nèi)固定系統(tǒng)松動(dòng)所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，進(jìn)一步證實(shí)了UPS技術(shù)具有良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性。通常保留生理范圍下的腰椎活動(dòng)度可以在一定程度上緩解鄰近節(jié)段退變[11]，同時(shí)腰椎退行性改變是由于椎間盤(pán)或關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的應(yīng)力發(fā)生改變所引起的[12]，因此推測(cè)文獻(xiàn)所報(bào)道UPS技術(shù)可減緩鄰近節(jié)段退變的現(xiàn)象，是否是通過(guò)保留手術(shù)節(jié)段的部分活動(dòng)度，從而減輕鄰近椎間盤(pán)和關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力，最終減緩鄰近節(jié)段退變。但本研究結(jié)果顯示在TLIF中無(wú)論椎間是否融合，UPS組鄰近節(jié)段椎間盤(pán)的應(yīng)力應(yīng)變以及鄰近節(jié)段小關(guān)節(jié)應(yīng)力較BPS組并無(wú)明顯差異。因此，從生物力學(xué)角度分析，可明確UPS技術(shù)并不能減緩鄰近節(jié)段椎間盤(pán)以及關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的退變，這與其他類(lèi)似研究結(jié)果一致[13]。

同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)UPS組和BPS組其椎間融合后位移、椎弓根螺釘應(yīng)力以及鄰近節(jié)段椎間盤(pán)、小關(guān)節(jié)應(yīng)力應(yīng)變較椎間融合前均有一定程度下降，且兩者之間下降趨勢(shì)基本相同。特別是旋轉(zhuǎn)工況下，其融合后模型整體位移和鄰近椎間盤(pán)應(yīng)力應(yīng)變均較融合前明顯降低，這提示椎間融合仍是維持手術(shù)節(jié)段穩(wěn)定、保障手術(shù)成功的關(guān)鍵因素。并且本研究還發(fā)現(xiàn)UPS組在椎間融合前/后，其椎間融合器及椎弓根螺釘應(yīng)力均較BPS組明顯增加，這說(shuō)明UPS組在手術(shù)節(jié)段固定強(qiáng)度上相對(duì)較弱。同時(shí)UPS組在椎間融合后，其椎間融合器應(yīng)力較椎間融合前增加，這與BPS組椎間融合前/后的變化趨勢(shì)明顯不同，這可能是由于UPS技術(shù)對(duì)手術(shù)節(jié)段健側(cè)小關(guān)節(jié)活動(dòng)限制不足所導(dǎo)致的。綜合以上觀點(diǎn)，UPS技術(shù)相較于BPS技術(shù)，雖具有較好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，但并不能減緩鄰近節(jié)段退變的發(fā)生，同時(shí)還可能導(dǎo)致TLIF發(fā)生植入物相關(guān)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)增加[14-15]。

綜上所述，目前UPS技術(shù)已被明確可提供較好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，并且在手術(shù)時(shí)間、術(shù)中出血量以及經(jīng)濟(jì)費(fèi)用等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。但從生物力學(xué)的角度來(lái)分析，相較于BPS技術(shù)，該技術(shù)并不能減緩鄰近節(jié)段退變，同時(shí)還因其存在椎弓根螺釘和椎間融合器應(yīng)力集中的情況，易導(dǎo)致內(nèi)植物松動(dòng)或下沉等內(nèi)植物相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生。因此在手術(shù)病例選擇過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格把握適應(yīng)癥與禁忌癥，在保證患者因UPS技術(shù)獲益的情況下，降低UPS技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中內(nèi)固定相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生幾率。