斜外側(cè)腰椎椎間融合術(shù)結(jié)合4釘固定法治療兩節(jié)段腰椎退變性疾病的有限元分析

葛挺 胡佰文 肖進(jìn) 張峭霖 吳小川 夏冬冬

摘要：目的 探討斜外側(cè)腰椎椎間融合術(shù)（OLIF）結(jié)合4釘固定法治療兩節(jié)段腰椎退變性疾病的可行性。方法 構(gòu)建并驗(yàn)證L3～S1節(jié)段腰椎有限元模型（M0），于M0模型上模擬L3/4及L4/5兩節(jié)段OLIF手術(shù)構(gòu)建M1模型。在M1模型上附加后路4釘或6釘固定，建立3個(gè)4釘固定模型（M2～M4）和1個(gè)6釘固定模型（M5）。分析不同內(nèi)固定條件下融合節(jié)段和整體活動(dòng)度以及上終板、融合器、后路釘棒所受應(yīng)力峰值的變化。結(jié)果 在前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)6種運(yùn)動(dòng)下，與M1模型比較，M2模型L3/4和M3模型L4/5節(jié)段活動(dòng)度增加，M4和M5模型L3/4、L4/5節(jié)段活動(dòng)度明顯下降。在不同運(yùn)動(dòng)下，M2模型L4上終板von Mises應(yīng)力峰值最大，M3模型L5上終板von Mises應(yīng)力峰值最大，M4和M5模型L4及L5上終板von Mises應(yīng)力峰值較為接近；M2模型L3/4融合器von Mises應(yīng)力峰值最大，M3模型L4/5融合器von Mises應(yīng)力峰值最大，M4和M5模型各融合器von Mises應(yīng)力峰值較為接近；M2～M5模型內(nèi)固定最大應(yīng)力峰值較為接近。結(jié)論 在兩節(jié)段OLIF手術(shù)中，4釘固定可以有效替代6釘固定用于腰椎退變性疾病的治療。

關(guān)鍵詞：斜外側(cè)腰椎椎間融合術(shù)；有限元模型；椎弓根螺釘；4釘固定；6釘固定

中圖分類號(hào)： R687.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? 文章編號(hào)：1000-503X（2024）03-0341-07

DOI：10.3881/j.issn.1000-503X.15878

Oblique Lumbar Interbody Fusion Combined With 4-Screw Fixation for Treating Two-Level Degenerative Lumbar Diseases：A Finite Element Study

GE Ting HU Baiwen XIAO Jin ZHANG Qiaolin2，WU Xiaochuan XIA Dongdong1

1Department of Orthopedics，The First Affiliated Hospital of Ningbo University，Ningbo，Zhejiang 315010，China

2Faculty of Sports Science，Ningbo University，Ningbo，Zhejiang 31521 China

Corresponding author：GE Ting Tel：18868627987，E-mail：gt511512@163.com

ABSTRACT：Objective To demonstrate the feasibility of oblique lumbar interbody fusion （OLIF） combined with 4-screw fixation for treating two-level lumbar degenerative diseases.Methods An intact finite element model of L3-S1 （M0） was constructed and validated.Then，we constructed the M1 model by simulating OLIF surgery at L3/4 and L4/5 segments on the M0 model.By attachment of posterior 4-screw or 6-screw fixation to the M1 model，three 4-screw fixation models （M2-M4） and one 6-screw fixation model （M5） were established.The segmental and overall range of motion （ROM） and the peak von Mises stresses of superior endplate，cage，and posterior screw-rod were investigated under each implanted condition.Results Under the motion modes of forward flexion，backward extension，bilateral （left and right） flexion，and left and right rotation，the L3/4 ROM of M2 model and L4/5 ROM of M3 model increased，while the L3/4 and L4/5 ROM of M4 and M5 models significantly decreased compared with those of M1 model.Under all motion modes，the L4 superior endplate in M2 model and the L5 superior endplate in M3 model showed the maximum peak von Mises stress，and the peak von Mises stresses of L4 and L5 superior endplates in M4 and M5 models were close.The L3/4 cage in M2 model and the L4/5 cage in M3 model showcased the largest peak von Mises stress，and the peak von Mises stresses of cages in M4 and M5 models were close.The peak stresses of internal fixation in M2-M5 models were close.Conclusion Four-screw fixation can replace 6-screw fixation in the OLIF surgery for treating two-level degenerative lumbar diseases.

Key words：oblique lumbar interbody fusion；finite element model；pedicle screw；4-screw fixation；6-screw fixation

Acta Acad Med Sin，2024，46（3）：341-347

斜外側(cè)腰椎椎間融合術(shù)（oblique lumbar interbody fusion，OLIF）已被廣泛應(yīng)用于腰椎退變性疾病的治療，該技術(shù)具有微創(chuàng)手術(shù)的常規(guī)優(yōu)點(diǎn)，并且還保留了關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎旁肌肉等組織結(jié)構(gòu)，最大限度地維持腰椎的穩(wěn)定性，避免神經(jīng)損傷的發(fā)生［1-2］。單純OLIF技術(shù)應(yīng)用于單節(jié)段腰椎退變性疾病取得了良好的手術(shù)效果。而對(duì)于兩節(jié)段OLIF手術(shù)通常需要通過附加后路6釘固定來提高脊柱的穩(wěn)定性和融合率，但這種固定方式會(huì)增加手術(shù)的創(chuàng)傷程度和操作難度。本研究擬探討4釘固定法治療兩節(jié)段腰椎退變性疾病的可行性，通過構(gòu)建非線性三維有限元模型，對(duì)比3種不同4釘固定模式與6釘固定的差異，為4釘固定的臨床應(yīng)用奠定生物力學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 構(gòu)建三維有限元模型

采集1名健康成年男性（身高175 cm，體重65 kg）的腰椎64排螺旋CT圖像，掃描范圍L3～S 層厚1 mm，導(dǎo)入比利時(shí)Materialise公司MIMICS 20.0軟件，對(duì)圖像進(jìn)行分割處理，以獲得腰椎的三維圖像模型。采用Geomagic Studio 2013軟件（Geomagic公司，美國(guó)）對(duì)模型進(jìn)行光滑處理，并導(dǎo)入Solidworks 2020軟件（SolidWorks公司，美國(guó)）以獲得腰椎有限元模型。根據(jù)腰椎的解剖特點(diǎn)，在Soliodworks 2020軟件中建立纖維環(huán)、髓核、終板和關(guān)節(jié)軟骨，椎間盤由44％的髓核和56%的纖維環(huán)組成，骨皮質(zhì)和終板的厚度都為1 mm［3-4］。在Ansys Workbench 19.0軟件（Ansys公司，美國(guó)）中建立前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘上韌帶、橫突間韌帶及棘間韌帶，并使用彈簧元件來模擬椎體之間韌帶。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，骨、軟骨及其他組織均采用四面體固體單元網(wǎng)格類型，經(jīng)網(wǎng)格敏感性測(cè)試確定網(wǎng)格長(zhǎng)度為0.5 mm。本研究通過寧波大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)審批（倫理審查編號(hào)：2022RS017）。

1.2 椎弓根螺釘和融合器的建立與裝配

融合器由上海三友醫(yī)療器械股份有限公司生產(chǎn)，長(zhǎng)、寬、高分別為50、18、12 mm。椎弓根螺釘?shù)拈L(zhǎng)度和直徑分別為40.0、6.5 mm，連接棒直徑為5.5 mm，按其規(guī)格由Solidworks 2020軟件建立并進(jìn)行裝配。模擬兩節(jié)段OLIF手術(shù)，從左側(cè)將椎間盤中部纖維環(huán)及髓核去除，將融合器放置于L3/4及L4/5。M0模型為完整L3～S1節(jié)段，不放置融合器與椎弓根螺釘。4釘固定模型設(shè)計(jì)如下：M1模型僅放置L3/4及L4/5融合器，不放置椎弓根螺釘；M2模型放置L3/4及L4/5融合器，椎弓根螺釘固定L4/5節(jié)段；M3模型放置L3/4及L4/5融合器，椎弓根螺釘固定L3/4節(jié)段；M4模型放置L3/4及L4/5融合器，并用椎弓根螺釘固定L3及L5。M5模型為6釘固定模型，于L3/4及L4/5節(jié)段放置融合器，并用椎弓根螺釘固定L3～L5。最終共構(gòu)建6個(gè)非線性三維有限元模型（圖1）。

1.3 接觸關(guān)系、材料屬性、載荷和邊界條件

有限元模型的接觸關(guān)系在Ansys Workbench 19.0軟件中定義，根據(jù)腰椎的生理解剖結(jié)構(gòu)，椎間盤的纖維環(huán)和髓核之間的接觸設(shè)置為綁定；椎體和椎間關(guān)節(jié)可在一定負(fù)荷下滑動(dòng)，其之間的接觸設(shè)置為摩擦，但由于存在滑膜結(jié)構(gòu)，本研究摩擦系數(shù)確定為0.1。骨結(jié)構(gòu)和椎間盤被模擬為各向同性的彈性材料。骨、椎間盤和韌帶的材料特性通過實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)確定［5-7］，根據(jù)楊氏模量、泊松比和剛度的差異來區(qū)分不同材料（表1）。將邊界條件設(shè)置為S1椎體底部固定，所有結(jié)點(diǎn)無位移和旋轉(zhuǎn)。在L3椎體上表面沿6個(gè)方向施加10 Nm的力矩和500 N［8］的軸向載荷以模擬6種動(dòng)作：前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋轉(zhuǎn)和右旋轉(zhuǎn)，探究6種負(fù)載下腰椎模型的活動(dòng)度和應(yīng)力分布情況。

2 結(jié)果

2.1 模型有效性驗(yàn)證

在前屈、后伸、左右側(cè)屈和軸向旋轉(zhuǎn)施加相同負(fù)載條件下，M0模型活動(dòng)度與尸體生物力學(xué)研究結(jié)果［9］相近（圖2），驗(yàn)證了M0模型的有效性。

2.2 腰椎活動(dòng)度

在前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)6種運(yùn)動(dòng)下，M1～5模型L3/4、L4/5、L3～5活動(dòng)度相較于M0模型均有所減少。與M1模型比較，M2模型L3/4節(jié)段活動(dòng)度增加，M3模型L4/5節(jié)段活動(dòng)度增加，M4和M5模型L3/4和L4/5活動(dòng)度明顯下降。各模型L3～5活動(dòng)度由小到大依次為M5、M4、M2、M3、M1、M0模型（表2）。

2.3 終板應(yīng)力峰值

在前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)6種運(yùn)動(dòng)下，M2模型L4上終板von Mises應(yīng)力峰值最大，其次為M1模型，M3、M4、M5模型L4上終板von Mises應(yīng)力峰值較為接近；M3模型L5上終板von Mises應(yīng)力峰值最大，其次為M1模型，M2、M4、M5模型L5上終板von Mises應(yīng)力峰值較為接近（表3）。

2.4 椎間融合器應(yīng)力峰值

在前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)6種運(yùn)動(dòng)下，M2模型L3/4融合器von Mises應(yīng)力峰值最大，其次為M1模型，M3、M4、M5模型的L3/4融合器von Mises應(yīng)力峰值較為接近；M3模型L4/5融合器von Mises應(yīng)力峰值最大，其次為M1模型，M2、M4、M5模型的L4/5融合器von Mises應(yīng)力峰值較為接近（表4）。

2.5 內(nèi)固定應(yīng)力峰值

在前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)6種運(yùn)動(dòng)下，M2模型內(nèi)固定von Mises應(yīng)力峰值分別為300.25、321.61、486.82、475.41、153.91、129.80 MPa，M3模型內(nèi)固定von Mises應(yīng)力峰值分別為326.31、384.32、505.61、480.54、77.27、90.15 MPa，M4模型內(nèi)固定von Mises應(yīng)力峰值分別為291.14、353.61、539.94、566.89、137.81、128.62 MPa，M5模型內(nèi)固定von Mises應(yīng)力峰值分別為284.40、310.47、476.54、467.91、133.35、123.54 MPa，M2～M5模型內(nèi)固定von Mises應(yīng)力峰值較為接近，其中M2模型與M5模型最接近，M4模型略高于M5模型；在前屈、后伸、左右側(cè)屈4種運(yùn)動(dòng)下，M5模型內(nèi)固定von Mises應(yīng)力峰值最小。

3 討論

兩節(jié)段OLIF手術(shù)為保證手術(shù)效果通常需要附加后路內(nèi)固定來增加脊柱的穩(wěn)定性，并促進(jìn)脊柱融合。但后路附加選擇4釘固定還是6釘固定相關(guān)生物力學(xué)研究報(bào)道較少。本研究構(gòu)建了4釘及6釘固定的兩節(jié)段OLIF手術(shù)有限元模型，結(jié)果顯示從活動(dòng)度上看，M5模型的穩(wěn)定性最佳，其次是M4模型，M1模型最差。M4模型的4釘固定模式可以為兩節(jié)段OLIF手術(shù)提供足夠的生物力學(xué)穩(wěn)定性。從終板及融合器應(yīng)力分析上看，相較于M4及M5模型，M1模型的L4和L5上終板以及椎間融合器所受應(yīng)力最大，容易出現(xiàn)融合器下沉甚至終板骨折的情況。融合器下沉可導(dǎo)致椎間隙高度下降，進(jìn)而造成椎間孔狹窄，再次壓迫神經(jīng)，是Stand-alone術(shù)后需要行翻修手術(shù)的主要原因［10］。目前，附加后路椎弓根螺釘固定是預(yù)防融合器下沉最有效的方法［11］。本研究發(fā)現(xiàn)附加后路椎弓根螺釘固定后，無論M4或M5模型均可以顯著減少L4及L5上終板所受應(yīng)力。因此，與M5模型的6釘固定相比，M4模型的4釘固定可同樣有效地減少終板應(yīng)力并預(yù)防融合器下沉。

本研究中M2和M3模型將兩節(jié)段OLIF手術(shù)改良為后路4釘固定其中1個(gè)節(jié)段，另1個(gè)節(jié)段采取Stand-alone模式。經(jīng)有限元模型分析發(fā)現(xiàn)，M2模型L4/5節(jié)段在附加內(nèi)固定后，其活動(dòng)度、L5上終板及融合器最大應(yīng)力均顯著低于M1模型，且與M5模型較為接近。而M2模型L3/4節(jié)段因無附加內(nèi)固定，同時(shí)受下方L4/5節(jié)段內(nèi)固定的影響，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致L3/4活動(dòng)度、L4上終板及融合器最大應(yīng)力均高于M1模型。同樣，M3模型L4/5節(jié)段也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。已有生物力學(xué)研究表明，腰椎融合術(shù)后會(huì)導(dǎo)致臨近節(jié)段應(yīng)力增加，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象［12-13］。但這種壓力增加量通常并不顯著，這表明OLIF融合器可以提供較強(qiáng)的生物力學(xué)穩(wěn)定性，在沒有附加內(nèi)固定的情況下仍能保證融合節(jié)段的穩(wěn)定，降低融合器下沉的發(fā)生率［14-15］。此外，本研究發(fā)現(xiàn)M2模型L3～5活動(dòng)度低于M3模型，其原因可能是由于L4/5節(jié)段的特殊解剖位置［16］導(dǎo)致M3模型因應(yīng)力集中引起L4/5活動(dòng)度增加量大于M2模型所致。在左右側(cè)屈及右旋轉(zhuǎn)上，M3模型L4/5融合器所受最大應(yīng)力相較于M1模型有較為明顯的增加，而M2模型L3/4融合器所受最大應(yīng)力相較于M1模型增加并不顯著。本研究結(jié)果表明L4/5節(jié)段相較于L3/4節(jié)段更容易發(fā)生應(yīng)力集中，Stand-alone OLIF手術(shù)對(duì)維持L4/5節(jié)段的穩(wěn)定性具有一定的難度，采用M2模型的4釘固定模式要優(yōu)于M3模型，而M4和M5模型在L3/4及L4/5兩節(jié)段整體穩(wěn)定性上均優(yōu)于M2和M3模型。

研究發(fā)現(xiàn)前柱的椎體間支撐可以有效減輕后路釘棒的應(yīng)力，降低后路釘棒斷裂的風(fēng)險(xiǎn)［17］。與腰椎后路椎體間融合相比，側(cè)方融合器具有更好的生物力學(xué)支撐效果，可顯著降低后路內(nèi)固定應(yīng)力［18］。Wu等［19］研究表明所有4釘及6釘固定的釘棒應(yīng)力峰值均顯著低于鈦合金屈服強(qiáng)度（825～895 MPa）。因此，后路椎弓根螺釘數(shù)量的減少并不會(huì)增加4釘固定模型內(nèi)固定斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于存在Stand-alone禁忌證的患者，不推薦使用M2和M3模型的4釘固定模式，可采用M4模型的4釘固定模式替代6釘固定。對(duì)于不存在Stand-alone禁忌證的患者，首選M4模型的4釘固定模式，其次是M2模型，最后推薦M3模型。

本研究存在一定的局限性。首先，有限元模型未能考慮體重、椎旁肌肉、椎體形態(tài)等因素的個(gè)體差異性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。其次，本研究?jī)H檢測(cè)了靜態(tài)生物力學(xué)的即時(shí)特征，動(dòng)態(tài)力學(xué)特性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，為了便于計(jì)算，對(duì)融合器表面鋸齒形狀做了光滑處理，融合器與終板的接觸界面與實(shí)際情況有一定出入。最后，未能在尸體脊柱標(biāo)本上進(jìn)一步驗(yàn)證研究結(jié)果，有限元分析結(jié)果不能完全等同于臨床實(shí)際結(jié)論，還需要進(jìn)一步的臨床研究加以證實(shí)。

綜上，本研究結(jié)果表明，對(duì)于兩節(jié)段OLIF手術(shù)4釘固定可以有效替代6釘固定，并根據(jù)模型的力學(xué)穩(wěn)定性明確了3種4釘固定模式的具體臨床應(yīng)用場(chǎng)景，這為腰椎退變性疾病的治療提供了一種更為經(jīng)濟(jì)且微創(chuàng)的治療思路，具有較廣闊的臨床應(yīng)用前景。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突

作者貢獻(xiàn)聲明 葛挺：研究選題、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、論文起草、數(shù)據(jù)分析及解釋、文稿定稿、對(duì)研究誠(chéng)信問題負(fù)責(zé)；胡佰文：研究選題、對(duì)重要學(xué)術(shù)性內(nèi)容做出關(guān)鍵性修訂、學(xué)術(shù)問題解答、對(duì)研究誠(chéng)信問題負(fù)責(zé)；肖進(jìn)：對(duì)重要學(xué)術(shù)性內(nèi)容做出關(guān)鍵性修訂、數(shù)據(jù)搜集、文稿審閱、對(duì)研究誠(chéng)信問題負(fù)責(zé)；張峭霖：對(duì)重要學(xué)術(shù)性內(nèi)容做出關(guān)鍵性修訂、學(xué)術(shù)問題解答、數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)分析及解釋、對(duì)研究誠(chéng)信問題負(fù)責(zé)；吳小川：對(duì)重要學(xué)術(shù)性內(nèi)容做出關(guān)鍵性修訂、數(shù)據(jù)搜集、文稿審閱、對(duì)研究誠(chéng)信問題負(fù)責(zé)；夏冬冬：數(shù)據(jù)分析及解釋、文稿定稿、對(duì)研究誠(chéng)信問題負(fù)責(zé)

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-10-11）