有限元分析在腰椎疾病治療中的研究進(jìn)展

趙鵬，趙巖

（1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特；2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特）

0 引言

隨著人口老齡化的到來(lái)，腰腿痛患者逐年增加，腰椎退行性疾病是引起這類(lèi)癥狀的主要病因，相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，腰椎退行性疾病是致殘的最大原因之一[1]。多數(shù)經(jīng)保守治療可緩解，對(duì)保守治療無(wú)效的病人，特別是腰椎穩(wěn)定性下降的患者，需進(jìn)行手術(shù)治療，達(dá)到解除神經(jīng)壓迫癥狀和維持腰椎穩(wěn)定性的目的[2]。目前，腰椎融術(shù)合是治療腰椎間盤(pán)突出、腰椎不穩(wěn)、椎管狹窄、滑脫等腰椎退變性疾病的常用手術(shù)方式之一。腰椎間融合技術(shù)在腰椎退行性疾病治療中的應(yīng)用呈上升趨勢(shì)，從1999年到2011年，腰椎間融合手術(shù)治療腰椎退行性疾病的患者比例從13.6%顯著增加到32%[3]。術(shù)后多數(shù)患者臨床效果滿意，但術(shù)后螺釘松動(dòng)、斷裂、融合器沉降、鄰近節(jié)段退變、下腰痛等影響遠(yuǎn)期效果，這些并發(fā)癥與術(shù)后生活方式及手術(shù)操作情況密切相關(guān)，脊柱的生物力學(xué)研究有助于明確并解決這一問(wèn)題。

1 脊柱的生物力學(xué)研究

傳統(tǒng)生物力學(xué)的研究可分為體外、體內(nèi)兩類(lèi)。體外研究通常使用動(dòng)物及尸體上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)，這些研究被廣泛認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)范圍（rom）測(cè)量的金標(biāo)準(zhǔn)，用于研究性別、生活方式和病理學(xué)對(duì)脊柱運(yùn)動(dòng)的影響[4,5]。但是這些研究的缺點(diǎn)是無(wú)法模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的肌肉力量。體內(nèi)研究是利用各種放射學(xué)技術(shù)和設(shè)備來(lái)獲得整體和節(jié)段的脊柱分析[6,7]。然而這些研究中所采用的方法存在各種缺點(diǎn)，包括不同的生理負(fù)荷條件和測(cè)量技術(shù)的局限性。1972年Belytschko等[8]首次將有限元分析應(yīng)用于脊柱力學(xué)領(lǐng)域，1975年Liu[9]等第一次通過(guò)有限元方法建立了立體腰椎模型，隨后Hakim等[10]在腰椎有限元模型中添加了后方韌帶復(fù)合體等結(jié)構(gòu)，并分析了這一腰椎節(jié)段的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)的相關(guān)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)不斷完善，有限元建模正被廣泛應(yīng)用于與人體相關(guān)的各領(lǐng)域，包括植入物的研究以及脊柱在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的生物力學(xué)[11,12]。與體內(nèi)和體外試驗(yàn)相比，有限元分析以較低的成本提供更高的效率，同時(shí)有限元研究能夠獲取脊柱骨和結(jié)締組織內(nèi)部的生物力學(xué)參數(shù)，這是實(shí)驗(yàn)方法難以測(cè)量的。因此對(duì)脊柱研究非常有用[13]。

2 有限元在治療及研究腰椎退行性疾病中的應(yīng)用

有限元模型能夠模擬脊柱中骨骼和結(jié)締組織內(nèi)的生物力學(xué)參數(shù)，對(duì)脊柱正常結(jié)構(gòu)、病理狀態(tài)及手術(shù)后的運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力進(jìn)行分析，對(duì)疾病認(rèn)識(shí)及臨床手術(shù)改進(jìn)提供客觀證據(jù)。

Somovilla等[14]通過(guò)有限元分析肥胖對(duì)功能性脊柱單元（fsu）的相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，如果超重或體重指數(shù)高，功能性脊柱單元結(jié)構(gòu)可能受到影響，并指出可能導(dǎo)致L3-4水平腰椎單元損傷，這種情況在男性中比女性和老年人更突出，會(huì)影響他們的生活質(zhì)量。王林等[15]研究彎腰挺立手法治療腰骶關(guān)節(jié)紊亂的有限元分析發(fā)現(xiàn)，在腰骶關(guān)節(jié)紊亂的有限元模型中，下腰椎應(yīng)力集中在下終板中部及椎間盤(pán)中心，骶椎的應(yīng)力集中在椎體前后緣，模擬手法后，應(yīng)力主要集中在腰椎椎體上終板的前、后和中央?yún)^(qū)域，進(jìn)而得出彎腰挺立手法的作用機(jī)理明確，對(duì)治療腰骶關(guān)節(jié)疾病是安全有效的。

目前有限元法在腰椎生物力學(xué)分析中廣泛應(yīng)用，對(duì)內(nèi)固定器械作用原理，手術(shù)方案改進(jìn)等提供重要作用。Newcomb等[16]通過(guò)有限元方法分析椎弓根螺釘置入位置對(duì)內(nèi)固定載荷傳遞發(fā)現(xiàn)，置釘位置對(duì)螺釘松動(dòng)及斷釘?shù)陌l(fā)生有著非常重要的影響，并指出置入螺釘在軸向面的橫行椎弓根螺釘來(lái)降低松質(zhì)骨及螺釘?shù)膽?yīng)力，進(jìn)而減少螺釘松動(dòng)及斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。Ling等[17]建立了腰椎有限元模型，對(duì)腰4/5節(jié)段模擬OLIF手術(shù)，模型施加500N載荷及7.5NM力矩，手術(shù)模型與正常腰椎模型相比，運(yùn)動(dòng)范圍（ROM）顯著降低了88%，屈伸時(shí)降低了91%，右側(cè)彎曲和左側(cè)彎曲降低了85%，右和左軸向旋轉(zhuǎn)降低了75%，屈曲產(chǎn)生的最高應(yīng)力在融合器和終板，窄面融合器具有支持脊柱活動(dòng)的強(qiáng)度，建議OLIF手術(shù)中使用9mm寬的融合器，本研究為進(jìn)一步完善融合器的設(shè)計(jì)提供了工程依據(jù)和技術(shù)建議。預(yù)測(cè)融合手術(shù)的臨近節(jié)段生物力學(xué)效應(yīng)是有限元生物力學(xué)的一個(gè)挑戰(zhàn)，Ke等[18]通過(guò)有限元方法來(lái)分析骶骨傾斜角不同對(duì)椎間融合的生物力學(xué)影響發(fā)現(xiàn)，骶骨傾斜角等矢狀位參數(shù)對(duì)ASD的發(fā)生有顯著影響，當(dāng)L4-L5節(jié)段行TLIF手術(shù)后，隨著SS角度的增加，L5-S1的運(yùn)動(dòng)范圍和椎間盤(pán)壓力逐漸降低，而L3-L4沒(méi)有顯著差異，腰椎融合術(shù)后ss的降低可能會(huì)增加asd的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在融合手術(shù)前的決策過(guò)程中，應(yīng)考慮恢復(fù)適當(dāng)?shù)膕s，以降低臨近節(jié)段退變退變的風(fēng)險(xiǎn)。

近年來(lái)，各種腰椎間融合技術(shù)在腰椎退行性疾病治療呈百花齊放。與后外側(cè)融合（plf）相比，lif在前方提供了強(qiáng)有力的支持，在手術(shù)段脊柱能達(dá)到360°融合，同時(shí)可增加腰椎前凸和間接椎間孔減壓術(shù)等優(yōu)勢(shì)[3,19]。最常用的lif技術(shù)是包括(PLIF)、(TLIF)、(ALIF)、(OLIF)等，TLIF是對(duì)后路入路的一種微創(chuàng)改進(jìn)，通過(guò)單側(cè)入路獲得前后側(cè)聯(lián)合融合。許多研究報(bào)道了用tlif實(shí)現(xiàn)腰椎融合的安全性和有效性[20-22]。與傳統(tǒng)的后路入路相比，tlif能有效的實(shí)現(xiàn)椎間融合，同時(shí)使穿過(guò)神經(jīng)根的牽連減小，有效降低了神經(jīng)損傷的發(fā)生率。

隨著微創(chuàng)技術(shù)的發(fā)展，腰椎側(cè)方入路應(yīng)運(yùn)而生。極外側(cè)融合（xlif）是由ozgur等人于2006年首次報(bào)道的。使用側(cè)入路切開(kāi)腰大肌，xlif允許椎間植入較大的融合器，以很好地恢復(fù)椎間高度和減少對(duì)后方結(jié)構(gòu)的破壞[23-24]。在2012年，引入了斜側(cè)椎間融合（olif）[25]。與xlif相比，olif的侵襲性更小，因?yàn)樗ㄟ^(guò)腹腔大血管和腰大肌之間的一個(gè)間隙到達(dá)腰椎。與TLIF相比，側(cè)入路的優(yōu)點(diǎn)包括保留后柱、縮短手術(shù)時(shí)間、術(shù)后恢復(fù)更快、椎間孔和中央管減壓更好[26]。TengLu1等[27]比較了后外側(cè)融合術(shù)（plf）與經(jīng)口、極、斜腰椎椎體間融合術(shù)（tlif、xlif和olif）的生物力學(xué)差異，等建立了完整的l3-l5腰椎有限元模型。在l4-l5水平上模擬了plf手術(shù)、使用腎行融合器的tlif及長(zhǎng)方形融合器的tlif、xlif和olif手術(shù)。比較5種手術(shù)在終板、松質(zhì)骨和后路器械的運(yùn)動(dòng)范圍和各結(jié)構(gòu)應(yīng)力。由于后路器械的rom和應(yīng)力峰值較大，plf的穩(wěn)定性不如其他3種融合方法。與tlif相比，olif和xlif在軟骨終板和松質(zhì)骨中產(chǎn)生的應(yīng)力峰值較少，有利于對(duì)抗沉降、恢復(fù)椎間盤(pán)高度和矢狀位平衡的維持。

3 總結(jié)及展望

有限元法是研究脊柱生物力學(xué)重要工具，他是對(duì)傳統(tǒng)標(biāo)本生物力學(xué)及實(shí)驗(yàn)研究的有效補(bǔ)充，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，有限元模型已經(jīng)完成從線性到三維立體的過(guò)度，其強(qiáng)大的還原了脊柱的解剖結(jié)構(gòu)，包括了脊柱的骨性結(jié)構(gòu)、椎間盤(pán)、韌帶及肌肉等，可模擬脊柱動(dòng)態(tài)生理狀態(tài)及手術(shù)后的運(yùn)動(dòng)情況，被普遍運(yùn)用在腰椎退行性疾病的理論研究及臨床治療中，其研究成果得到普遍認(rèn)可，同時(shí)隨著模型建立方式及圖像精細(xì)化操作的發(fā)展，有限元分析可解決更加復(fù)雜的脊柱疾病及改進(jìn)手術(shù)方案?？捎邢拊治鲆彩茉S多方面的制約，例如在建模是時(shí)，不同模型的幾何形狀及材料屬性定義的不同等。與其他傳統(tǒng)體外標(biāo)本相比較，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。體外實(shí)驗(yàn)對(duì)一些周?chē)浗M織的處理有一定困難，生物力學(xué)只能通過(guò)表面的變化來(lái)估算，而無(wú)法對(duì)骨及軟組織的內(nèi)部的情況進(jìn)行分析，有限元技術(shù)在這方面得到了補(bǔ)充。然而有限元技術(shù)作為一種數(shù)值仿真手段，需要結(jié)合臨床對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)及術(shù)后隨訪，同時(shí)配合體外實(shí)驗(yàn)等才能提供比較全面及精準(zhǔn)數(shù)據(jù)參照及理論指導(dǎo)。