有限元分析在脊柱外科中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

肖廣潤 楊建東 林升元 張玉杰 田原

有限元分析是最初應(yīng)用于工程力學(xué)的一種方法。多項(xiàng)研究均證實(shí)，它不但可以很好地應(yīng)用于骨科生物力學(xué)研究，而且是在計(jì)算機(jī)輔助下模擬脊柱病理最有效的工具[1]。有限元分析在脊柱疾病及植入物生物力學(xué)研究方面具有無可比擬的優(yōu)越性[2]。隨著社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，脊柱損傷病例逐年增加。由于脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之周圍毗鄰重要神經(jīng)、血管，因此脊柱損傷常給外科醫(yī)生帶來巨大挑戰(zhàn)。雖然影像學(xué)檢查可以作為治療過程中有效的輔助手段，但其無法預(yù)測內(nèi)植物在體內(nèi)的受力情況和取出時(shí)機(jī)，存在一定的局限性。通過有限元分析制定可視化術(shù)前計(jì)劃可以很好地彌補(bǔ)這一缺陷[3]。此外，與傳統(tǒng)尸體實(shí)驗(yàn)相比，有限元分析具有操作簡便、模型獲取方便、實(shí)驗(yàn)可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

1 有限元分析與脊柱生物力學(xué)

人類脊柱解剖結(jié)構(gòu)較其他部位更復(fù)雜，且毗鄰重要神經(jīng)、血管，常給外科醫(yī)生帶來巨大挑戰(zhàn)。有限元分析自應(yīng)用于脊柱生物力學(xué)研究以來，已對(duì)脊柱的各個(gè)解剖結(jié)構(gòu)和各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了大量的研究分析，同時(shí)對(duì)各節(jié)段的建模、材料屬性進(jìn)行了論證，可為后續(xù)研究提供可靠的參考依據(jù)。然而，脊柱有限元模型的有效性必須通過將其預(yù)測值與臨床或?qū)嶒?yàn)結(jié)果進(jìn)行比較才能得到證實(shí)。這種有效性僅表明模型盡可能接近某一解剖結(jié)構(gòu)，有助于在施加不同載荷時(shí)或不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下預(yù)測真實(shí)的脊柱受力情況[6]。

1.1 頸椎有限元研究

關(guān)于人體頸椎的有限元研究僅限于靜態(tài)分析，因此尚不能用于人體頸椎對(duì)復(fù)雜沖擊負(fù)荷的反應(yīng)及相關(guān)損傷機(jī)制的研究。Mustafy等[7]以全面真實(shí)的脊柱幾何數(shù)據(jù)建立頸椎C2～3節(jié)段的有限元模型，發(fā)現(xiàn)在不同載荷模式下，小關(guān)節(jié)、松質(zhì)骨及黃韌帶和關(guān)節(jié)囊韌帶等是最易受傷害的結(jié)構(gòu)。頸椎是脊柱活動(dòng)范圍最大的節(jié)段，頸部肌肉、韌帶的協(xié)調(diào)性是頸椎活動(dòng)度的重要保證，有關(guān)頸椎活動(dòng)范圍影響因素的有限元研究較少。Lasswell等[8]通過建立上頸椎有限元模型，將實(shí)驗(yàn)所得的活動(dòng)范圍(ROM)值與生理?xiàng)l件下的ROM值和Ⅱ型齒狀突骨折發(fā)生時(shí)增大的ROM值分別進(jìn)行比較，可預(yù)測頸部韌帶松弛對(duì)ROM的影響。

1.2 胸腰段脊柱有限元研究

胸腰段脊柱是脊柱活動(dòng)的過渡區(qū)域，常受到高能損傷，由此導(dǎo)致椎體骨折脫位、脊髓損傷。胸腰椎骨折的有限元模型對(duì)骨折椎體骨缺損范圍的設(shè)置迄今尚無定論。Liu等[9]以健康男性脊柱CT圖像和布爾代數(shù)為基礎(chǔ)，在切除T12椎體下半部分同時(shí)保留其椎體后部結(jié)構(gòu)的情況下，建立T9～L3節(jié)段胸腰椎不穩(wěn)定性骨折的三維有限元模型，該方法可為建立胸腰椎骨折傷椎骨缺損范圍的設(shè)置提供參考依據(jù)。Guo等[10]建立T12～L1運(yùn)動(dòng)節(jié)段的非線性有限元模型，研究在13 J、30 J和56 J 等3種不同能量的垂直沖擊載荷下脊柱爆裂性骨折的發(fā)生機(jī)制，以便進(jìn)一步了解交通事故和高處墜落等高能量導(dǎo)致的爆裂性骨折，并有助于減輕神經(jīng)系統(tǒng)損傷和指導(dǎo)臨床治療。

1.3 腰椎有限元研究

腰椎有限元模型的參數(shù)通常不確定，故其判定能力常受到質(zhì)疑。Zander等[11]通過對(duì)一般腰椎有限元模型進(jìn)行1 200次模擬定量評(píng)估模型精度，發(fā)現(xiàn)椎骨材料特性對(duì)模型精度影響最小，而椎間盤材料特性和形態(tài)對(duì)模型精度影響最大，該結(jié)果可為其他研究建模選擇參數(shù)提供參考依據(jù)。經(jīng)椎弓根截骨術(shù)(PSO)可廣泛用于脊柱矢狀位畸形矯正。Ottardi等[12]建立模擬腰椎前凸(35°)有限元模型，證實(shí)PSO可矯正嚴(yán)重畸形。El-Rich等[13]在模擬高能量沖擊損傷研究中，通過采用5個(gè)不同的矢狀旋轉(zhuǎn)速率分析軟組織和骨結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，直至可能發(fā)生骨折為止，結(jié)果顯示最大速度時(shí)骨折由椎弓根區(qū)域開始，然后發(fā)生在下終板，矢狀旋轉(zhuǎn)速度超過0.51°/ms可能導(dǎo)致脊柱損傷。

1.4 椎間盤有限元研究

勞損和退變是導(dǎo)致腰椎間盤突出的主要原因。Guo等[14]為分析腰椎間盤突出機(jī)制，通過改變L1～S1節(jié)段有限元模型椎間盤彈性模量確定垂直振動(dòng)下材料屬性變化對(duì)椎間盤結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)影響，發(fā)現(xiàn)在垂直振動(dòng)載荷下環(huán)狀纖維屬性對(duì)椎間盤隆起影響較大，而髓核屬性對(duì)所有反應(yīng)參數(shù)影響均很小，證實(shí)椎間盤勞損、退變可導(dǎo)致環(huán)狀纖維破裂，髓核因此從破裂口膨出，從而引發(fā)一系列臨床癥狀。目前認(rèn)為，椎體融合會(huì)加速相鄰節(jié)段椎間盤退變過程。Goel等[15]通過建立Charite人工椎間盤模型發(fā)現(xiàn)，置入人工椎間盤可減小相鄰節(jié)段的ROM值并降低小關(guān)節(jié)載荷，表明人工椎間盤技術(shù)可恢復(fù)正常的脊柱生理結(jié)構(gòu)并在脊柱節(jié)段之間分擔(dān)載荷，從而減少相鄰節(jié)段椎間盤退變。

1.5 后方韌帶復(fù)合體有限元研究

后方韌帶復(fù)合體(PLC)是構(gòu)成脊柱后柱的主要組成部分，具有維持脊柱生物力學(xué)穩(wěn)定性的作用，可有效預(yù)防脊柱不穩(wěn)引發(fā)的彎曲畸形、椎體滑脫等情況。Wang等[16]通過設(shè)置每個(gè)韌帶的剛度并計(jì)算ROM值和椎間盤內(nèi)壓力研究這些參數(shù)對(duì)脊柱生物力學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)改變小關(guān)節(jié)囊的剛度對(duì)脊柱生物力學(xué)影響最大。然而，現(xiàn)有的韌帶屬性數(shù)據(jù)之間存在很大差異，可能對(duì)有限元分析模型研究結(jié)果產(chǎn)生重大影響。Naserkhaki等[17]對(duì)L4～5有限元模型中8個(gè)不同的韌帶特性數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)有限元韌帶參數(shù)選取提供參考，并有助于在個(gè)體差異較大的情況下選擇和分配最有效的韌帶屬性數(shù)據(jù)。

2 有限元分析在脊柱外科的臨床應(yīng)用

2.1 骨質(zhì)疏松性椎體骨折

骨質(zhì)疏松性椎體骨折(OVCF)占骨質(zhì)疏松性骨折的50%[18]。保守治療OVCF的結(jié)局可能為骨不愈合、進(jìn)行性脊柱后凸和神經(jīng)功能損害，可增加患者死亡風(fēng)險(xiǎn)。椎體增強(qiáng)術(shù)(VA)包括椎體成形術(shù)(VP)和后凸成形術(shù)(KP)，是目前治療老年人骨質(zhì)疏松性骨折有效的方式[19]。VA雖然可以通過向壓縮骨折椎體內(nèi)注入骨水泥達(dá)到增強(qiáng)病變椎體強(qiáng)度、穩(wěn)定性和緩解脊柱疼痛的目的，但術(shù)后骨水泥滲漏可能引起椎管內(nèi)填塞和神經(jīng)根壓迫等并發(fā)癥[20]。Wang等[21]通過應(yīng)用Navier-Stokes動(dòng)量守恒運(yùn)動(dòng)方程得出VP的骨水泥最佳用量為4 mL，該用量既能增強(qiáng)病變椎體結(jié)構(gòu)，又能降低鄰近椎體發(fā)生繼發(fā)性骨折和骨水泥滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。Xu等[22]在去除L1椎體上半部分松質(zhì)骨后，分別對(duì)椎體進(jìn)行單側(cè)、雙側(cè)和中央?yún)^(qū)骨水泥增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)在不同載荷下雙側(cè)與中央?yún)^(qū)骨水泥支撐力相近，優(yōu)于單側(cè)骨水泥。

為解決強(qiáng)化椎體再骨折的問題，La Barbera等[23]提出了支架螺釘輔助內(nèi)固定(SAIF)技術(shù)，該技術(shù)采用支架擴(kuò)張病變椎體并維持球囊充氣，可實(shí)現(xiàn)椎體內(nèi)最佳填充并防止骨水泥滲漏；通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)VA和SAIF技術(shù)進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)SAIF技術(shù)可顯著改善上終板和皮質(zhì)壁的應(yīng)力分布，從而降低中柱再骨折的風(fēng)險(xiǎn)，為治療OVCF提供了可靠的生物力學(xué)依據(jù)。Zhu等[24]在用彈性模量接近天然骨的無鋁玻璃聚烯酸酯水泥(GPC)建立有限元模型后對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)GPC可在松質(zhì)骨中產(chǎn)生較低的剛度和應(yīng)力，GPC與椎體皮質(zhì)骨連接處的應(yīng)力值更接近于天然椎體的應(yīng)力值，因此顯示出良好的適應(yīng)性、機(jī)械性和生物相容性，GPC是可能替代傳統(tǒng)聚甲基丙烯酸甲酯水泥治療OVCF的材料。

2.2 脊柱創(chuàng)傷

90%的脊柱骨折發(fā)生在脊柱胸腰段，其中18%為爆裂性骨折。該區(qū)域是脊柱從剛性胸椎到移動(dòng)腰椎的過渡區(qū)域，是脊柱中相對(duì)薄弱的部分。胸腰椎骨折不僅復(fù)雜程度高，且合并神經(jīng)損傷的可能性大[25]。后路內(nèi)固定術(shù)治療胸腰椎骨折具有失血少、住院時(shí)間短等優(yōu)勢，已成為目前的主要手術(shù)方式。椎弓根螺釘固定系統(tǒng)雖然具有良好的生物力學(xué)穩(wěn)定性，但螺釘松動(dòng)仍時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致矯形失敗和骨不連。Wang等[26]通過研究脊柱通用內(nèi)固定系統(tǒng)(USS)椎弓根螺釘固定模型發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)椎弓根釘?shù)?TT)、椎弓根皮質(zhì)骨釘?shù)?CBT)椎弓根螺釘固定模型相比，USS椎弓根螺釘系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)、彎曲和側(cè)向彎曲程度最低，并且釘斷裂風(fēng)險(xiǎn)最小，提示USS椎弓根螺釘系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性。對(duì)于胸腰椎骨折病例，如果僅采用單純的后路內(nèi)固定術(shù)復(fù)位骨折椎體可能造成骨缺損，從而導(dǎo)致內(nèi)固定應(yīng)力增加、松動(dòng)甚至斷裂。VA中的骨水泥填充可明顯降低內(nèi)固定和脊柱應(yīng)力。Xu等[22]通過建立8個(gè)T11～L1節(jié)段的三維有限元模型并采用后路固定術(shù)復(fù)位對(duì)內(nèi)固定和脊柱應(yīng)力進(jìn)行骨水泥強(qiáng)化評(píng)估，發(fā)現(xiàn)骨水泥增強(qiáng)可明顯降低模型內(nèi)固定和終板的von Mises應(yīng)力，從而有效預(yù)防內(nèi)固定松動(dòng)和矯形失敗。Xu等[27]建立可模擬胸腰椎爆裂性骨折的T11、T12單節(jié)段固定模型和短節(jié)段固定模型，并在軸向壓縮、前屈、后伸彎曲、側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)等情況下分別測量模型的ROM值和von Mises應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)單節(jié)段固定與短節(jié)段固定在生物力學(xué)方面并無顯著差異，且更符合微創(chuàng)理念。

2.3 人工椎間盤置換

椎體融合術(shù)是治療椎間盤退變的常用手術(shù)方式，但可能導(dǎo)致鄰近節(jié)段退變，人工椎間盤置換可彌補(bǔ)這一缺陷。Li等[28]在C4～6模型間隙置入頸椎動(dòng)態(tài)穩(wěn)定器(DCI)、人工頸椎間盤Mobi-C和人工頸椎間盤PCM 3種人工椎間盤，發(fā)現(xiàn)雖然3種人工椎間盤的生物力學(xué)特性各有優(yōu)劣，但DCI特性與正常椎間盤更相似，且軟骨應(yīng)力更低，可在一定程度上避免小關(guān)節(jié)退變。椎間盤置換術(shù)可保留脊柱活動(dòng)度，進(jìn)而降低鄰近節(jié)段退變的發(fā)生率。此外，髓核置換被認(rèn)為是全椎間盤置換和椎體融合的一種微創(chuàng)替代方案。植入記憶螺旋置換髓核對(duì)纖維環(huán)造成的開口較小，不僅可以降低操作難度，而且可使手術(shù)創(chuàng)傷最小化。對(duì)這種假體的生物力學(xué)行為進(jìn)行有限元分析可發(fā)現(xiàn)，其在壓縮載荷下具有與普通椎間盤相似的生物力學(xué)行為[29]。

2.4 脊柱側(cè)凸畸形

脊柱側(cè)凸是一種脊柱和軀干的三維畸形，青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸個(gè)體化支具支撐治療是輕度脊柱側(cè)彎患者生長期間的主要治療選擇，可有效防止曲度進(jìn)展和糾正畸形。有限元分析結(jié)合患者的3D軀干形狀和計(jì)算角度，可預(yù)測最適合患者的矯形支具。Nie等[30]對(duì)特發(fā)性脊柱側(cè)凸提出單個(gè)支具的設(shè)計(jì)方法，在支具背面加載3種標(biāo)準(zhǔn)的肩帶張力，當(dāng)肩帶張力為60 N時(shí)，冠狀曲率可減小約60%，骶骨斜度和前凸部分也減小，可改善變形椎體的軸向旋轉(zhuǎn)，提示個(gè)體支具在生物力學(xué)方面具有可行性。成人退行性脊柱側(cè)彎的原因是脊柱運(yùn)動(dòng)節(jié)段退化，可導(dǎo)致脊柱不平衡、背痛和神經(jīng)功能缺損，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量。后路脊柱切除術(shù)(PVCR)可有效矯正脊柱側(cè)彎畸形。Chen等[31]建立的脊柱側(cè)彎PVCR有限元模型，對(duì)后續(xù)的PVCR生物力學(xué)分析具有重要的研究和參考價(jià)值。

2.5 脊柱退行性變疾病

神經(jīng)根型頸椎病(CSR)是最常見的脊椎疾病，頸椎前路間盤切除融合術(shù)(ACDF)一直是治療CSR的最有效方法，但術(shù)后可能引起脊柱功能單位退變。經(jīng)皮全內(nèi)鏡頸椎間盤摘除術(shù)(PEACD)和頸椎后路椎間孔切開術(shù)(PCF)均為公認(rèn)的微創(chuàng)手術(shù)，但這兩種微創(chuàng)術(shù)式對(duì)頸椎的生物力學(xué)影響尚不清楚。Yuchi等[32]建立完整的頸椎C5～6有限元模型，比較PCF與PEACD在不同載荷條件下的關(guān)節(jié)ROM值、椎間盤壓力(IDP)、小關(guān)節(jié)接觸面積和接觸壓力，結(jié)果顯示兩種方法均可改變小關(guān)節(jié)受力的傳遞路徑，因而可能加速小關(guān)節(jié)退化。與PEACD相比，PCF可能是治療CSR的更好選擇，可為外科醫(yī)生選擇手術(shù)方式提供參考。一項(xiàng)將U形彈性非融合棘間器械放置在相鄰棘突之間的新技術(shù)被稱為Topping-off技術(shù)，其有望降低相鄰上段退變。Fan等[33]在以改變L3～4椎間盤材料特性方式建立椎間盤退變模型的基礎(chǔ)上，分別建立融合模型和Topping-off模型，并對(duì)L3椎體終板施加500 N載荷，發(fā)現(xiàn)與融合模型相比，Topping-off模型椎間盤、小關(guān)節(jié)應(yīng)力顯著降低，證實(shí)Topping-off技術(shù)可降低相鄰節(jié)段的應(yīng)力和活動(dòng)度，并可減緩其退變。

2.6 中醫(yī)推拿

中醫(yī)推拿手法是治療椎間盤突出癥的非手術(shù)方法，可有效緩解疼痛癥狀，提高患者生活質(zhì)量。有限元分析有望成為探究中醫(yī)推拿手法生物力學(xué)機(jī)制的方法。Deng等[34]通過建立健康志愿者的C2～T1節(jié)段有限元模型并在先前的體外研究基礎(chǔ)上模擬傳統(tǒng)頸椎推拿手法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)推拿力量作用在棘突根部附近而非棘突頂部時(shí)，它可能導(dǎo)致椎間盤應(yīng)力減小。Li等[35]研究坐姿和側(cè)臥位模擬腰椎旋轉(zhuǎn)操作中健康和退變椎間盤的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)中度退變椎間盤纖維環(huán)內(nèi)的椎間盤內(nèi)壓和最大von Mises應(yīng)力增加，提示操作者在對(duì)中度退變椎間盤患者進(jìn)行推拿時(shí)需謹(jǐn)慎，同時(shí)選取側(cè)臥位較坐位更安全。

3 結(jié)語

有限元分析在脊柱生物力學(xué)研究方面已日趨完善，可有效評(píng)估植入物變異、外科技術(shù)和病理機(jī)制等，有助于優(yōu)化手術(shù)設(shè)計(jì)和預(yù)測疾病治療結(jié)果。有限元分析已廣泛用于臨床常見疾病研究，通過對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行CT掃描建立的個(gè)性化有限元模型不僅可以真實(shí)反映臨床實(shí)際情況，最大程度模擬疾病狀態(tài)，而且可以直觀反映模型在不同載荷下的受力情況。然而，目前大多數(shù)有限元研究僅限于靜態(tài)分析，而脊柱狀況多為動(dòng)態(tài)，因而無法全面反映疾病發(fā)展過程，同時(shí)對(duì)脊柱有限元材料屬性、載荷施加、模型設(shè)置等尚缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，所以有限元分析尚存缺陷。盡管如此，有限元分析在脊柱生物力學(xué)上的表現(xiàn)仍值得肯定。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元分析軟件的發(fā)展，動(dòng)態(tài)有限元分析將有助于更加真實(shí)地模擬臨床疾病的生物力學(xué)狀態(tài)。