有限元法在腰椎融合術(shù)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展

付坤飛，林福，全仁夫，杜偉斌

(浙江中醫(yī)藥大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

腰椎退行性疾病是臨床常見(jiàn)病，病情嚴(yán)重時(shí)多采用腰椎融合術(shù)等手術(shù)方法治療[1]。內(nèi)固定物或融合器移位、鄰近節(jié)段椎體加速退變是腰椎融合術(shù)的常見(jiàn)并發(fā)癥，容易影響手術(shù)效果。近年來(lái)，從生物力學(xué)角度研究腰椎融合術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生機(jī)制的文獻(xiàn)報(bào)道逐漸增多。有限元法可以通過(guò)數(shù)字研究方式，以完善的建模功能為相關(guān)研究提供幫助。有限元法在腰椎融合術(shù)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用內(nèi)容，包括正常腰椎的應(yīng)力分析，以及腰椎融合術(shù)后腰椎的生物力學(xué)特點(diǎn)、內(nèi)固定物或融合器的應(yīng)力特點(diǎn)等。為了對(duì)腰椎融合術(shù)的臨床應(yīng)用及并發(fā)癥預(yù)防提供生物力學(xué)參考，本文對(duì)有限元法在腰椎融合術(shù)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展綜述如下。

1 有限元法在腰椎融合術(shù)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用

1.1 評(píng)估腰椎的穩(wěn)定性腰椎融合術(shù)治療腰椎退行性疾病，主要目的是重建和維持腰椎的穩(wěn)定性。由于腰椎融合術(shù)的手術(shù)方案或具體術(shù)式不同，術(shù)后腰椎的穩(wěn)定性也不同[2-5]。

Song等[5]研究發(fā)現(xiàn)，斜外側(cè)腰椎間融合術(shù)(oblique lateral interbody fusion，OLIF)治療骨質(zhì)疏松性和非骨質(zhì)疏松性脊柱疾病，術(shù)后腰椎均可獲得良好的穩(wěn)定性，原因可能是OLIF術(shù)中應(yīng)用寬大的Cage增加了其與上下椎體之間的接觸面積；但是使用相同的OLIF固定方案時(shí)，骨質(zhì)疏松性脊柱的生物力學(xué)性能劣于非骨質(zhì)疏松性脊柱，這可能與骨質(zhì)疏松性脊柱的骨密度和骨強(qiáng)度下降有關(guān)。Song等[5]建議骨質(zhì)疏松癥患者行OLIF手術(shù)時(shí)應(yīng)用椎弓根釘棒系統(tǒng)來(lái)增加腰椎的穩(wěn)定性，這與Fang等[6-7]的觀點(diǎn)相同。侯坤鵬等[8-11]研究發(fā)現(xiàn)，OLIF聯(lián)合雙側(cè)椎弓根釘棒系統(tǒng)固定治療腰椎疾病可以良好恢復(fù)腰椎的穩(wěn)定性，由此認(rèn)為該方案可以作為OLIF的首選手術(shù)方案。Fan等[12]采用有限元法比較了后路腰椎椎間融合術(shù)(posterior lumbar interbody fusion，PLIF)和Coflex棘突間動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)對(duì)腰椎的生物力學(xué)作用，發(fā)現(xiàn)Coflex系統(tǒng)和PLIF均可降低L3～L4的活動(dòng)度，有利于改善腰椎的穩(wěn)定性；但PLIF術(shù)后鄰近節(jié)段椎體退變的發(fā)生率高于Coflex系統(tǒng)。

費(fèi)琦等[13]應(yīng)用有限元法模擬了腰椎后外側(cè)融合術(shù)(posterolateral lumbar fusion，PLF)和PLIF，并對(duì)PLF和PLIF手術(shù)前后腰椎失穩(wěn)節(jié)段預(yù)定載荷下的活動(dòng)度進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)兩者術(shù)后的腰椎失穩(wěn)節(jié)段活動(dòng)度均較術(shù)前下降，由此認(rèn)為兩者均可恢復(fù)腰椎失穩(wěn)節(jié)段的穩(wěn)定性；但是該研究并沒(méi)有比較PLF和PLIF的手術(shù)優(yōu)劣性。Yang等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)，椎間孔外腰椎椎體間融合術(shù)(extraforaminal lumbar interbody fusion，ELIF)單側(cè)椎弓根釘內(nèi)固定的腰椎穩(wěn)定性優(yōu)于經(jīng)椎間孔腰椎椎體間融合術(shù)(tranforaminal lumbar interbody fusion，TLIF)單側(cè)椎弓根釘內(nèi)固定，原因可能是ELIF單側(cè)椎弓根釘內(nèi)固定對(duì)腰椎解剖結(jié)構(gòu)的破壞較小；TLIF雙側(cè)椎弓根釘內(nèi)固定的腰椎穩(wěn)定性優(yōu)于ELIF單側(cè)椎弓根釘內(nèi)固定，認(rèn)為行ELIF單側(cè)椎弓根釘內(nèi)固定時(shí)可聯(lián)合應(yīng)用椎板關(guān)節(jié)突螺釘固定，提高腰椎的穩(wěn)定性。Guo等[16]研究發(fā)現(xiàn)，單側(cè)椎弓根釘固定聯(lián)合對(duì)側(cè)椎板關(guān)節(jié)突螺釘固定可以改善腰椎的穩(wěn)定性，認(rèn)為該法可用作單節(jié)段TLIF的替代方案。Liu等[17]應(yīng)用有限元法對(duì)側(cè)路腰椎椎體間融合術(shù)的手術(shù)方案進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)單側(cè)或雙側(cè)椎弓根釘固定均有利于提高腰椎的穩(wěn)定性。

由上可知：有限元法可以模擬腰椎的內(nèi)部應(yīng)力，有助于設(shè)計(jì)和修改手術(shù)方案，從而提高術(shù)后腰椎的穩(wěn)定性；行腰椎融合術(shù)時(shí)，聯(lián)合應(yīng)用內(nèi)固定，可以提高術(shù)后腰椎的穩(wěn)定性；與雙側(cè)內(nèi)固定相比，單側(cè)內(nèi)固定同樣可以改善腰椎的穩(wěn)定性，且不容易破壞腰椎的解剖結(jié)構(gòu)。

1.2 評(píng)估內(nèi)固定物和融合器的性能有限元法可用于評(píng)估腰椎融合過(guò)程中內(nèi)固定物和融合器的生物力學(xué)性能，有助于優(yōu)化治療方案。

Lv等[18]在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的L4～L5有限元模型上建立新型椎弓根釘系統(tǒng)和雙側(cè)椎弓根釘系統(tǒng)固定模型，發(fā)現(xiàn)新型椎弓根釘系統(tǒng)固定模型的最大峰值應(yīng)力出現(xiàn)在屈曲(182.58 MPa)和伸展(272.75 MPa)時(shí)，而雙側(cè)椎弓根釘系統(tǒng)固定模型的最大峰值應(yīng)力出現(xiàn)在左旋(180.84 MPa)和右旋(169.76 MPa)時(shí)。在進(jìn)行有限元模型應(yīng)力測(cè)試時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力峰值的區(qū)域，是螺釘應(yīng)力集中處，容易發(fā)生螺釘疲勞斷裂。Sin等[19]應(yīng)用有限元法在L4～L5建立PLIF和TLIF模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)行PLIF和TLIF時(shí)采用皮質(zhì)螺釘固定可以獲得良好的生物力學(xué)性能。續(xù)彬等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在直立狀態(tài)下，植入融合器的腰椎模型椎體最大位移小于健康腰椎模型，認(rèn)為植入融合器有利于提高腰椎的穩(wěn)定性。

融合器在脊柱融合領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，近年來(lái)其設(shè)計(jì)和材質(zhì)均有改進(jìn)[21-25]。彭祥等[23]報(bào)道了一種利用解剖型納米羥基磷灰石/聚酰胺66設(shè)計(jì)的椎間融合器，其在OLIF模型上的生物力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)子彈頭形融合器。新型材料的應(yīng)用及更符合腰椎解剖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是解剖型融合器的優(yōu)勢(shì)所在。Zhu等[24]將自體骨(棘突和椎板)、鈦、聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)3種材質(zhì)的融合器應(yīng)用于PLIF模型，發(fā)現(xiàn)3種材質(zhì)的融合器均有助于改善手術(shù)節(jié)段的穩(wěn)定性、自體骨材質(zhì)融合器的終板最大應(yīng)力低于PEEK和鈦質(zhì)融合器，由此認(rèn)為采用自體骨融合器進(jìn)行植骨融合可以獲得與鈦質(zhì)或PEEK融合器相近的固定效果，且能夠減少融合器下沉的風(fēng)險(xiǎn)。Lee等[25]研究發(fā)現(xiàn)，新型融合器聯(lián)合雙側(cè)內(nèi)固定在TLIF模型上的腰椎穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)融合器，原因可能是新型融合器最大限度地增加了移植物與椎體之間的接觸面積。張海平等[26]報(bào)道了一種可變向的腰椎融合器，并在TLIF模型上觀察融合器在椎體間不同位置的生物力學(xué)特性，結(jié)果顯示融合器在不同位置的應(yīng)力分布存在差異，當(dāng)融合器位于椎體前中部時(shí)應(yīng)力分布效果最理想。易新等[27]通過(guò)建立有限元模型發(fā)現(xiàn)，在生理載荷下新型融合器可以提供足夠的強(qiáng)度，在極限載荷下融合器所承受的最大應(yīng)力超過(guò)了螺釘屈服強(qiáng)度，因此建議腰椎融合術(shù)患者術(shù)后注意佩戴腰部支具，并減少高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)。

采用有限元法觀察內(nèi)固定物和融合器對(duì)腰椎的生物力學(xué)影響，有助于臨床選擇合適的手術(shù)方式。Shen等[28]通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，不同的內(nèi)固定物對(duì)腰椎的生物力學(xué)性能有不同的影響，雙側(cè)椎弓根釘內(nèi)固定在穩(wěn)定手術(shù)節(jié)段椎體方面更有優(yōu)勢(shì)，原因可能是雙側(cè)椎弓根釘內(nèi)固定在靜態(tài)和振動(dòng)條件下均減小了終板和融合器的應(yīng)力。張振軍等[29]報(bào)道了一種新型3D打印多孔腰椎融合器，并利用有限元法對(duì)新型融合器在不同入路腰椎融合術(shù)中的生物力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新型融合器在外側(cè)入路椎體間融合術(shù)模型上可以獲得理想效果。劉藝等[30]在L4～L5單側(cè)固定和雙側(cè)固定模型上對(duì)椎弓根釘、cage和相鄰節(jié)段椎間盤的應(yīng)力進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)單側(cè)經(jīng)皮椎弓根釘固定融合術(shù)可以獲得和雙側(cè)經(jīng)皮椎弓根釘固定融合術(shù)相同的生物力學(xué)效果，這與高鑫等[31]的研究結(jié)論相近。陸向東等[32-33]研究發(fā)現(xiàn)，與單側(cè)椎弓根釘固定相比，雙側(cè)椎弓根釘固定的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，更有利于患者恢復(fù)。

由上可知：一款性能良好的融合器應(yīng)具備減小融合節(jié)段活動(dòng)度、分散接觸面應(yīng)力分布、降低下沉率、增加椎間孔高度及實(shí)現(xiàn)間接減壓目的等條件；單側(cè)內(nèi)固定可以減少對(duì)椎體周圍軟組織的剝離，有利于減少內(nèi)固定物對(duì)鄰近節(jié)段退變的影響，但是單側(cè)內(nèi)固定存在應(yīng)力分布不均的問(wèn)題，遠(yuǎn)期容易出現(xiàn)椎弓根釘疲勞斷裂，而雙側(cè)內(nèi)固定則可以降低該風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 評(píng)估融合節(jié)段對(duì)鄰近節(jié)段的影響雖然融合器聯(lián)合內(nèi)固定物有利于提高腰椎融合術(shù)的融合率，但存在術(shù)后鄰近節(jié)段退變等問(wèn)題[34-35]。Okuda等[36]對(duì)接受PLIF椎弓根釘固定治療的患者進(jìn)行了8年左右的隨訪，發(fā)現(xiàn)術(shù)后鄰近節(jié)段疾病的發(fā)生率為9%。腰椎融合術(shù)后，鄰近節(jié)段的活動(dòng)度增加和應(yīng)力增大是引起其退變的主要因素[37-39]。Du等[39]在L4～L5構(gòu)建了OLIF模型，并與健康腰椎模型進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)OLIF模型的L3～L4和L5S1活動(dòng)范圍、椎間盤內(nèi)壓力、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)應(yīng)力均大于健康腰椎模型。Jiang等[40]研究發(fā)現(xiàn)，PLIF術(shù)后鄰近節(jié)段退變可能與鄰近節(jié)段的活動(dòng)度和椎間盤內(nèi)壓力改變等有關(guān)，這與黃宇峰等[41-42]的研究結(jié)論一致。Srinivas等[43]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)固定物和融合節(jié)段長(zhǎng)度是影響鄰近節(jié)段退變的重要因素。Zhao等[44]采用有限元法將L4～L5前凸程度對(duì)TLIF后腰椎的生物力學(xué)影響進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)L4～L5前凸程度減小可引起鄰近節(jié)段應(yīng)力增加，從而導(dǎo)致鄰近節(jié)段退變。Wang等[45]研究發(fā)現(xiàn)，不同入路的腰椎融合術(shù)均有鄰近節(jié)段退變的風(fēng)險(xiǎn)。Disch等[46]對(duì)L4～S1單節(jié)段或雙節(jié)段融合術(shù)對(duì)鄰近節(jié)段的影響進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)單節(jié)段融合更容易導(dǎo)致鄰近節(jié)段退變。Umehara等[47]在尸體標(biāo)本上研究了后外側(cè)腰椎融合經(jīng)椎弓根內(nèi)固定對(duì)腰椎的生物力學(xué)影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)固定節(jié)段活動(dòng)度降低可導(dǎo)致鄰近節(jié)段的后柱負(fù)荷增加。Tsuang等[48]通過(guò)建立有限元模型發(fā)現(xiàn)，腰椎融合術(shù)后去除內(nèi)固定物可以降低鄰近節(jié)段的椎間盤內(nèi)壓力和關(guān)節(jié)突接觸力，從而防止或延緩鄰近節(jié)段退變。Mesbah 等[49-50]研究發(fā)現(xiàn)，可通過(guò)減小鄰近節(jié)段的壓力負(fù)荷達(dá)到延緩臨近節(jié)段退變的目的。Huang等[51]研究發(fā)現(xiàn)，在PLIF術(shù)中保留后方韌帶復(fù)合體可減小術(shù)后鄰近節(jié)段的屈曲活動(dòng)度和椎間盤內(nèi)壓力。侯繼春等[52]通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)椎弓根釘固定對(duì)手術(shù)節(jié)段的固定強(qiáng)度更高，但容易影響腰椎的活動(dòng)度；單側(cè)椎弓根釘固定對(duì)手術(shù)節(jié)段的穩(wěn)定性相對(duì)較低；單側(cè)椎弓根釘聯(lián)合經(jīng)椎板對(duì)側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)螺釘固定，可以克服單側(cè)椎弓根釘固定穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，而且可以避免雙側(cè)固定對(duì)鄰近節(jié)段的影響。Tan等[53]應(yīng)用有限元法將不同方案TLIF對(duì)鄰近節(jié)段的影響進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)其中雙側(cè)連接棒固定具有軟組織剝離少、手術(shù)節(jié)段穩(wěn)定性高、并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)。Zhang等[54]研究發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松癥可能減輕前路椎體間融合術(shù)對(duì)鄰近節(jié)段的不利影響；但該研究結(jié)論具有局限性，沒(méi)有考慮骨質(zhì)疏松癥可能造成cage下沉、螺釘松動(dòng)等情況，然而該研究結(jié)論仍有助于了解腰椎融合術(shù)后鄰近節(jié)段退變的發(fā)生機(jī)制。Kumaran 等[55]將肌肉力量整合到有限元模型中進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)TLIF術(shù)中腰椎醫(yī)源性肌肉損傷會(huì)導(dǎo)致鄰近節(jié)段應(yīng)力改變，進(jìn)而造成術(shù)后腰背痛。

由上可知：將腰椎鄰近肌肉加入不同融合術(shù)有限元模型中來(lái)比較融合術(shù)后腰椎的各項(xiàng)生物力學(xué)數(shù)據(jù)，有助于臨床醫(yī)師制定手術(shù)計(jì)劃；利用有限元法研究腰椎不同融合術(shù)式的生物力學(xué)特點(diǎn)，不僅有助于了解術(shù)后鄰近節(jié)段退變的發(fā)生機(jī)制，而且有利于臨床醫(yī)師根據(jù)生物力學(xué)依據(jù)改進(jìn)手術(shù)方案。

2 有限元法在腰椎融合術(shù)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和局限性

2.1 優(yōu) 勢(shì)應(yīng)用有限元法研究腰椎融合術(shù)的生物力學(xué)特點(diǎn)，可以將內(nèi)固定系統(tǒng)和椎體等的應(yīng)力結(jié)構(gòu)在有限元模型中量化。有限元模型的構(gòu)建相對(duì)簡(jiǎn)單，且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行重復(fù)測(cè)試，有利于提高實(shí)驗(yàn)效率、節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。在有限元模型上設(shè)計(jì)和修改不同的手術(shù)方法，有利于制定合理的治療方案。

2.2 局限性有限元法在腰椎融合術(shù)生物力學(xué)研究中的局限性相對(duì)較多。脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力環(huán)境復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要忽略肌肉等組織對(duì)腰椎應(yīng)力的影響，因此無(wú)法將腰椎承受的主要外力體現(xiàn)在腰椎應(yīng)力中，可能對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生影響[56]。在建立腰椎有限元模型時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化操作，模型網(wǎng)格化程度越小越能反映模型的實(shí)際狀況，而無(wú)盡的網(wǎng)格化操作會(huì)造成計(jì)算無(wú)限循環(huán)，因此不容易尋找最適合的數(shù)據(jù)點(diǎn)[57]。有限元法僅能模擬靜態(tài)環(huán)境下的力學(xué)情況，而人體的生物力學(xué)狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的，因此有限元模型不能完全反映人體腰椎的受力情況。在構(gòu)建有限元模型的過(guò)程中，雖然單元的劃分、節(jié)點(diǎn)和邊界條件的選擇及相關(guān)載荷的加載均由研究人員完成，但目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大的誤差。此外，CT圖像的分辨率、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有限元軟件的更新，均不同程度制約著腰椎有限元模型的準(zhǔn)確性[32]。

3 小 結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元法在腰椎融合術(shù)生物力學(xué)研究中的應(yīng)用逐漸增多。有限元法不僅可用于觀察不同腰椎融合術(shù)對(duì)腰椎的生物力學(xué)影響、評(píng)估腰椎融合術(shù)的手術(shù)效果，還可用于評(píng)價(jià)椎弓根釘和cage的生物力學(xué)性能，有助于臨床制定合理的治療方案。未來(lái)應(yīng)推動(dòng)有限元模型向精細(xì)化方向發(fā)展，并注意解決軟件引起的相關(guān)問(wèn)題。此外，實(shí)現(xiàn)肌肉等重要軟組織在有限元模型中的添加及由靜態(tài)受力向動(dòng)態(tài)受力轉(zhuǎn)變，將提高我們對(duì)融合手術(shù)前后腰椎生物力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)，而對(duì)腰椎融合術(shù)進(jìn)行個(gè)性化模擬將是未來(lái)的發(fā)展方向之一。