經(jīng)椎間孔腰椎融合術(shù)的有限元應(yīng)用進(jìn)展

楊歡++++++宋紅星

[摘要] 近年來(lái)，隨著脊柱退行性疾病的發(fā)病率逐年增加，腰椎融合術(shù)不斷創(chuàng)新，相關(guān)三維有限元分析方法日益趨向成熟。本文對(duì)近10年來(lái)有限元在腰椎融合術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，詳細(xì)闡述了經(jīng)椎間孔腰椎融合術(shù)發(fā)展史、脊柱結(jié)構(gòu)的有限元模型構(gòu)建概要及經(jīng)椎間孔腰椎融合術(shù)、內(nèi)固定器械的有限元分析應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞] 腰椎融合術(shù)；有限元分析；生物力學(xué)；脊柱

[中圖分類號(hào)] R68 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673-7210（2017）11（b）-0043-04

[Abstract] In recent years， with the incidence of spinal degenerative diseases increasing year by year and the constant innovation of lumbar spinal fusion， the three-dimensional finite element method is becoming more and more mature. This article concludes that the application of finite element method in lumbar spinal fusion in recent 10 years and explains in detail the development history of transforaminal lumbar interbody fusion （TLIF）， the introduction for constructing finite element models of spine and the application of finite element analysis of TLIF and instrumentation system.

[Key words] Fusion； Finite element analysis； Biomechanics； Spine

脊柱退行性疾病包括腰椎間盤突出癥、腰椎管狹窄癥、腰椎滑脫癥、頸椎間盤突出癥、頸椎病、經(jīng)椎管狹窄癥等。椎間融合手術(shù)是目前國(guó)內(nèi)臨床廣泛應(yīng)用的治療脊柱退行性病變的手術(shù)方法之一，但是可能會(huì)導(dǎo)致手術(shù)相鄰節(jié)段椎間盤退變加速。融合手術(shù)后，通常需要進(jìn)行脊柱生物力學(xué)的重建，以防止手術(shù)引起的脊柱不穩(wěn)等并發(fā)癥。椎體間融合手術(shù)是臨床廣泛應(yīng)用的脊柱生物力學(xué)重建方法之一。然而，對(duì)于椎間盤退變問(wèn)題和生物力學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題是近年來(lái)學(xué)者研究的重點(diǎn)，也是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。有限元分析是把復(fù)雜整體分散成有限個(gè)簡(jiǎn)單個(gè)體，對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行數(shù)學(xué)方程解析，進(jìn)而研究復(fù)雜整體的生物力學(xué)特性，具有廣泛性、科學(xué)性。有限元分析方法的出現(xiàn)為現(xiàn)代脊柱外科學(xué)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。本文對(duì)脊柱外科融合術(shù)的發(fā)展、近年來(lái)有限元分析建模的具體步驟及有限元分析在脊柱外科融合術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)與展望。

1 經(jīng)椎間孔腰椎融合術(shù)概要

隨著生活進(jìn)步與社會(huì)發(fā)展，工作強(qiáng)度也越來(lái)越大。腰椎間盤突出、腰椎管狹窄、腰椎滑脫等[1]近年來(lái)發(fā)病率呈升高趨勢(shì)[2]。腰椎融合手術(shù)每年增加約77%[3]。這些疾病不僅造成疼痛，而且有可能影響肢體活動(dòng)，甚至造成殘疾，對(duì)患者心理和身體健康影響極大。腰椎椎體融合術(shù)可以起到固定作用，最常見(jiàn)的有經(jīng)椎間孔腰椎椎體間融合術(shù)（transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF）。近年來(lái)，微創(chuàng)脊柱外科發(fā)展迅速，2002年Foley等[4]在通道下完成了微創(chuàng)腰椎椎體間融合術(shù)（min？鄄imally invasive transforaminal lumbar interbody fusion，MIS-TLIF）。MIS-TLIF技術(shù)可以更好地保護(hù)肌肉神經(jīng)，避免持續(xù)高強(qiáng)度牽拉，具有術(shù)后恢復(fù)快、腰背疼痛輕、臥床時(shí)間短等特點(diǎn)[5]，得到廣泛認(rèn)可。

2 有限元發(fā)展歷史

有限元（FE）的基本原理是將無(wú)限質(zhì)點(diǎn)組成的實(shí)體用有限個(gè)單元描述，單元之間用節(jié)點(diǎn)劃分，這種做法稱為離散化。根據(jù)單元描述類型而設(shè)置單元種類。加載邊界條件分析模擬應(yīng)力分布，通過(guò)計(jì)算機(jī)建立復(fù)雜的方程組求解。1972年，由Belytschko等[6]最先將有限元分析應(yīng)用到脊柱生物力學(xué)。有限元對(duì)脊柱生物力學(xué)研究有著重要作用，可以通過(guò)圖像與數(shù)據(jù)分析椎體和內(nèi)植物的應(yīng)力應(yīng)變，結(jié)果直觀并且準(zhǔn)確，避免了材料的浪費(fèi)與人體實(shí)驗(yàn)的局限性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。有限元分析已經(jīng)成為脊柱外科一種重要的研究手段。

3 經(jīng)椎間孔腰椎融合術(shù)的有限元模型建立

選取25～30歲正常成年人腰椎CT圖像（64排，層距1 mm），輸出為Dicom格式，無(wú)既往脊柱疾病史，無(wú)腰椎退行性變趨勢(shì)。一般TLIF需要涉及L3～S1椎體、椎間盤、附著韌帶和關(guān)節(jié)囊，圖像資料導(dǎo)入到醫(yī)用圖像處理軟件中，如Mimics，重建所需研究的相應(yīng)脊柱節(jié)段以及后柱結(jié)構(gòu)的三維模型，隨后導(dǎo)入Geomagic studio等模型光滑軟件中進(jìn)行打磨、光順，去除可能會(huì)使計(jì)算結(jié)果不收斂的角度，修飾模型中縫隙以及提高表面質(zhì)量。輸出為IGES文件后導(dǎo)入有限元分析軟件，如Ansys，設(shè)置材料屬性，單元類型，邊界條件。

椎體有松質(zhì)骨和0.5 mm厚的皮質(zhì)骨構(gòu)成[7]。椎間盤由髓核、纖維環(huán)構(gòu)成，髓核占40%[8]。韌帶包括前縱韌帶、后縱韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶和黃韌帶。材料屬性一般包括彈性模量、泊松比和橫截面積，具體數(shù)值參見(jiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在有限元分析過(guò)程開(kāi)始前，施加邊界條件，L5下方固定，L3上終板面加載垂直載荷，并在L3椎體各個(gè)節(jié)點(diǎn)加載扭矩，模擬前屈、后伸、側(cè)屈、軸向旋轉(zhuǎn)四種生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)。觀察指標(biāo)主要有腰椎活動(dòng)度（ROM），用角位移表示和Von Mises應(yīng)力等指標(biāo)。endprint

模型有效性驗(yàn)證是有限元分析中非常重要的一步。雖然用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算過(guò)程是準(zhǔn)確的，但是生物力學(xué)活動(dòng)是復(fù)雜的，不能完全通過(guò)模型來(lái)分析。因此，需要將模擬結(jié)果與離體實(shí)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)比較，用統(tǒng)計(jì)軟件分析其一致性，是否處于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)。

4 經(jīng)椎間孔融合術(shù)的有限元研究應(yīng)用

4.1 椎間融合器的有限元研究

隨著脊柱融合術(shù)治療腰椎退行性疾病的普及，單純椎弓根螺釘固定已經(jīng)不能滿足更高的穩(wěn)定性，而且應(yīng)力集中使其容易疲勞損壞。融合器能夠有效改變應(yīng)力分布，并且分散應(yīng)力至下椎板[9]。然而，在臨床上，最佳的融合器形狀和數(shù)量還沒(méi)有確定，融合器的置入角度不同也會(huì)很大程度影響穩(wěn)定性，有限元分析為解決這些問(wèn)題提供了新思路。付誠(chéng)等[10]對(duì)融合器置入角度進(jìn)行了生物力學(xué)研究，結(jié)果顯示應(yīng)力分布會(huì)隨著融合器角度不同而存在差異，認(rèn)為斜向45°配合單邊椎弓根螺釘固定可以更好地應(yīng)用于TLIF技術(shù)。一些學(xué)者認(rèn)為，單雙枚融合器不存在生物力學(xué)穩(wěn)定性的差異[11]。但是，由Xu等[12]認(rèn)為兩枚融合器可以使椎弓根釘應(yīng)力集中減小。此外，融合器的形狀也會(huì)影響椎體穩(wěn)定性和融合器下沉率。TLIF技術(shù)從椎間孔入路進(jìn)入，具有切口小、不易損傷神經(jīng)、融合率高的特點(diǎn)[13]。Faizan等[14]認(rèn)為適合TLIF入路的大尺寸融合器可以獲得更好的應(yīng)力分散，減少椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力分布并且能減少融合器的下沉率。最近，有學(xué)者認(rèn)為，由于患者自身骨質(zhì)結(jié)構(gòu)和病理不同，有必要通過(guò)生物力學(xué)技術(shù)研究符合每個(gè)患者自身特點(diǎn)的融合器，這將有助于提供最佳生物力學(xué)融合率以及加快患者術(shù)后恢復(fù)時(shí)間[15]。

4.2 TLIF雙側(cè)固定與MIS-TLIF單側(cè)固定的生物力學(xué)對(duì)比研究

TLIF技術(shù)早期通常使用雙側(cè)椎弓根螺釘固定維持正常椎間隙，由于其高度穩(wěn)定性，越來(lái)越受到大家關(guān)注[16]。傳統(tǒng)的TLIF技術(shù)通過(guò)后正中切口，而隨著醫(yī)療器械發(fā)展，MIS-TLIF技術(shù)逐漸成熟，具有更小的切口和更高的穩(wěn)定性，減少椎體骨組織和骶棘肌破壞。一些學(xué)者認(rèn)為可以使用單側(cè)固定，更大程度減少手術(shù)創(chuàng)傷、縮短手術(shù)時(shí)間、減少出血。但是，一些研究者反對(duì)使用單側(cè)固定，原因是一些臨床證據(jù)表明單側(cè)固定不會(huì)帶來(lái)更大的優(yōu)勢(shì)[17]，而且會(huì)造成內(nèi)固定失敗和假關(guān)節(jié)形成[18]，也有一些生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明了這種觀點(diǎn)[19]。即便如此，也有一些學(xué)者認(rèn)為過(guò)強(qiáng)的脊柱穩(wěn)定性不能起到更好的穩(wěn)定作用，反而會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)疏松[20]。對(duì)于這種爭(zhēng)議，一些學(xué)者應(yīng)用有限元法探究單雙側(cè)固定的穩(wěn)定性，Chen等[21]認(rèn)為TLIF手術(shù)不適合應(yīng)用非對(duì)稱的融合器，并且存在軸向旋轉(zhuǎn)和側(cè)屈不穩(wěn)時(shí)最好使用雙側(cè)固定。Ambati等[22]證明雙側(cè)固定時(shí)有更高的穩(wěn)定性，并且對(duì)內(nèi)植物的壓力減小，融合器的數(shù)目和形狀在雙側(cè)固定時(shí)對(duì)穩(wěn)定性沒(méi)有影響。

此外，近年來(lái)，隨著機(jī)器人輔助微創(chuàng)腰椎融合術(shù)的發(fā)展，一些回顧性研究已經(jīng)顯示了比較滿意的效果[23]。Kim等[24]用有限元方法對(duì)兩種不同的固定技術(shù)進(jìn)行分析，認(rèn)為機(jī)器輔助的腰椎融合術(shù)增大了椎弓根螺釘與關(guān)節(jié)面之間的距離，會(huì)減小螺釘?shù)呐c關(guān)節(jié)面的壓力和椎間盤壓力，這與之前的研究結(jié)果一致[25]。當(dāng)使用機(jī)器輔助系統(tǒng)，患者特殊的模擬對(duì)于理想的螺釘軌跡是可能的，并且可以根據(jù)患者的特殊的解剖學(xué)不同顯示理想的側(cè)方進(jìn)入點(diǎn)和軌跡，而且機(jī)器輔助系統(tǒng)能夠重復(fù)這種模擬準(zhǔn)確性和可靠性。

4.3有限元在TLIF術(shù)后鄰近節(jié)段退變的研究

相鄰節(jié)段退變是脊柱融合的常見(jiàn)問(wèn)題。由于腰椎融合術(shù)后，融合節(jié)段的移動(dòng)度下降，剛性增高，可能會(huì)加劇相鄰節(jié)段發(fā)生退變的風(fēng)險(xiǎn)。脊柱融合術(shù)后鄰近節(jié)段在影像學(xué)及癥狀均有退變表現(xiàn)，稱為鄰近節(jié)段疾?。ˋSD）。ASD發(fā)病率為6.3%～27.4%[26]。目前，鄰近節(jié)段退變的發(fā)生機(jī)制沒(méi)有明確結(jié)論。有學(xué)者認(rèn)為，融合節(jié)段上下ROM增大，而上方ROM增大程度較下方更為明顯，可能是導(dǎo)致鄰近節(jié)段退變因素之一[27]。Rao等[28]用體外生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法得出ALIF相鄰節(jié)段椎間壓力增高、移動(dòng)度增大的結(jié)論。但是，由于其脊柱材料特性，試驗(yàn)重復(fù)性差。Tang等[29]分別在L3～5建立了ALIF和TLIF模型，加載800 N垂直載荷和10 Nm力矩在L3上終板面，模擬前屈、后伸、側(cè)彎、扭轉(zhuǎn)，結(jié)果顯示L3～4椎盤內(nèi)壓力增加，椎間扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)增大，屈服應(yīng)力增加，提示TLIF會(huì)增加鄰近節(jié)段的退變和失穩(wěn)。此外，也有人認(rèn)為，相鄰椎間盤應(yīng)力的變化也是導(dǎo)致鄰近節(jié)段退變因素之一。椎間融合可能增大相鄰節(jié)段椎間盤壓力，并且頭側(cè)大于尾側(cè)[30]。最近，Hsieh等[31]發(fā)現(xiàn)，融合術(shù)后去除固定器有可能緩解臨近節(jié)段壓力。在融合固定后，鄰近節(jié)段間盤壓力和關(guān)節(jié)面應(yīng)力增加了57.6%、47.3%，但是在去除了固定裝置后，分別減小到22.7%、27.0%

5 小結(jié)

隨著脊柱融合術(shù)廣泛應(yīng)用于脊柱退行性變，因?yàn)槠渚哂信R床安全性、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。但是，也有一些局限性。材料屬性設(shè)置不夠真實(shí)，無(wú)法精確模擬組織結(jié)構(gòu)的材料特性及非均質(zhì)性。不能精確模擬一些非線彈性的組織，如韌帶、肌肉、脂肪等。而韌帶、肌肉組織在脊柱生物力學(xué)中起到非常重要的作用，維持脊柱穩(wěn)定性。因此，腰椎韌帶、肌肉的有限元分析的深入研究將會(huì)給經(jīng)椎間孔腰椎融合術(shù)的研究帶來(lái)突破。

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