可變向腰椎融合器在腰椎融合術(shù)中位置變化的生物力學(xué)研究*

張海平，郝定均，孫宏慧，朱 名，王 彪，鄭永宏，楊 明，姜永宏，白小帆

西安交通大學(xué)附屬紅會醫(yī)院脊柱外科(西安 710054)

近年來經(jīng)腰椎間孔椎體間融合(Transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF)聯(lián)合后路椎弓根螺釘固定已成為常規(guī)融合術(shù)式，腰椎融合器(Cage)的出現(xiàn)對椎間融合產(chǎn)生重大變革，可避免對患者取髂骨區(qū)帶來的疼痛、感染等并發(fā)癥。隨著科技及工業(yè)的飛速發(fā)展，Cage的材料不斷更新[1]，從最早的鈦金屬、碳纖維到現(xiàn)在應(yīng)用的PEEK材料。同時，Cage的植入方式及形態(tài)也同樣出現(xiàn)改變：植入方式由傳統(tǒng)的雙枚Cage植入轉(zhuǎn)變?yōu)閱蚊禖age斜向植入，經(jīng)過臨床應(yīng)用證實單枚Cage具有手術(shù)操作簡單、出血及并發(fā)癥少等優(yōu)點，逐漸成為當前流行的植入方式；形態(tài)上則從最早的圓柱形金屬螺紋開始變化，直到現(xiàn)在使用的類似解剖的腎形。隨著其廣泛應(yīng)用，與之相關(guān)的并發(fā)癥也逐漸突顯，如Cage移位、沉降、不融合等問題，始終未得到徹底的解決。分析后移及沉降的原因，主要為初始位置不佳及術(shù)中操作時Cage轉(zhuǎn)向不良等。我們針對Cage植入時位置不良及轉(zhuǎn)向等問題進行有關(guān)改良，在融合器尾端及把持器內(nèi)設(shè)置兩套推桿，通過旋轉(zhuǎn)把持器的螺母進行自動轉(zhuǎn)向，設(shè)計了可變向腰椎Cage并申請了國家發(fā)明專利。

目前文獻研究缺乏動態(tài)觀察腰椎Cage位于不同位置時的應(yīng)力分布情況，從生物力學(xué)上尋找最佳植入位置。本研究通過建立L4-5節(jié)段的TLIF模型，動態(tài)觀察位于4種不同位置時腰椎Cage模型，利用有限元分析探討Cage位置不同時其應(yīng)力分布特征，從力學(xué)上尋找到腰椎Cage應(yīng)力分布最小及最為均勻的位置，從而指導(dǎo)臨床脊柱外科醫(yī)生在植入腰椎Cage時明確最佳位置，以減少并發(fā)癥發(fā)生，對提高臨床療效有重大的意義，現(xiàn)報告如下。

材料與方法

1 建立腰椎L3-5節(jié)段模型 ①選取1例25歲健康男性志愿者行腰椎薄層CT掃描(層距0.625 mm)，取其L3-5椎體原始CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 19.01圖像處理軟件中，讀取影像數(shù)據(jù)，分割組織，修復(fù)處理幾何，建立實體椎體模型，導(dǎo)出STL文件。②將STL文件導(dǎo)入3-matic文件中進行修復(fù)、光滑處理，設(shè)計椎間盤、韌帶等，導(dǎo)出STL文件。③將STL文件導(dǎo)入Geomagic軟件中，將模型實體化。④文件導(dǎo)入Ansys Workbench 17.0軟件中，定義有限元模型材料屬性參考相關(guān)文獻[2]。韌帶包括前縱韌帶(Anterior longitudinal ligament，ALL)、后縱韌帶(Posterior longitudinal ligament，PLL)、黃韌帶(Ligamenta flava，LF)、棘上韌帶(Supraspinal ligament，SSL)、棘間韌帶(Interspinal ligaments，ISL)、橫突間韌帶(Intertransverse ligaments，ITL)、關(guān)節(jié)囊韌帶(Capsular ligament，CL)。精確模擬解剖位置結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 L3-5節(jié)段有限元模型

2 利用CREO建立可變向腰椎Cage模型 腰椎Cage的材料為PEEK，尺寸為30 mm×11 mm×10 mm(圖2)。

圖2 重建可變向腰椎Cage

3 建立在TLIF手術(shù)下植入可變向腰椎Cage模型 模擬TLIF手術(shù)模型：通過切除右側(cè)L4-5椎體單側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，保留棘突和棘上韌帶等結(jié)構(gòu)，將正常模型中椎間盤內(nèi)髓核移除，在上下終板間植入Cage，并輔以椎弓根螺釘系統(tǒng)固定(圖3)。在腰椎L4-5節(jié)段，通過在不同位置植入腰椎Cage，分別建立模型A-D，進行虛擬融合手術(shù)(圖4)。

圖3 可變向腰椎Cage的TLIF有限元模型

4 模型受力及邊界條件設(shè)置 將L5椎體下表面固定，在L3椎體上表面添加150 N向下的預(yù)載荷、橫向8 N·m的力矩來模擬椎體前屈、后伸、左彎、右彎、左旋、右旋運動[3]。以上所有計算過程均輸入到Ansys Workbench 17.0中，并觀察融合節(jié)段(L4-5)可變向腰椎Cage不同模型下最大Von Mises應(yīng)力變化情況。

圖4 可變向腰椎Cage不同位置模型

結(jié) 果

1 驗證模型有效性 各種模型完善后，在Ansys軟件中約束L5椎體下方。本研究使用Ansys求解器計算椎體的6種運動工況(前屈、后伸、左彎、右彎、左旋及右旋)，確定L3-4椎體移動度(Range of motion，ROM)。本研究結(jié)果與文獻[4]相近，證實了模型的合理性。

2 TLIF手術(shù)下各種模型Cage所受應(yīng)力 給予相同的預(yù)載荷，約束L5椎體下方，在L3椎體上表面添加150 N向下的預(yù)載荷。在L3椎體上表面加載橫向8 N·m的力矩來模擬椎體前屈、后伸、左彎、右彎、左旋、右旋運動。根據(jù)4種不同位置時TLIF手術(shù)模型中腰椎Cage的Von Mises應(yīng)力云圖(圖5)測量最大應(yīng)力值，見表1?？勺兿蜓礐age的應(yīng)力分布也隨著生理活動和植入位置不同而存在差異，模型A在6種生理運動下Cage右旋時最大應(yīng)力約是模型C的3.5倍，模型B約是模型C的3.1倍，而模型D約為模型C的2.45倍。由以上結(jié)果趨勢可以推斷：模型C中Cage表面應(yīng)力分布較為均勻并最小。

圖5 模型C可變向腰椎Cage生理活動應(yīng)力云圖

表1 不同模型在生理活動時Cage最大應(yīng)力(MPa)

討 論

自1988年Bagby[5]和Kuslish首次報道Cage應(yīng)用以來，Cage聯(lián)合后路椎弓根螺釘內(nèi)固定技術(shù)已經(jīng)成為目前腰椎融合術(shù)的經(jīng)典術(shù)式。臨床醫(yī)生最初從后路進行腰椎間融合，多采用雙枚平行Cage植入，其優(yōu)點在于即刻增加融合節(jié)段穩(wěn)定性，缺點在于雙枚植入時出血較多，手術(shù)時間延長，并增加了硬膜撕裂的風(fēng)險及手術(shù)費用等。隨后趙杰等[6]先后進行斜向單枚BAK植入生物力學(xué)研究和臨床應(yīng)用單雙枚Cage進行比較研究，研究結(jié)論認為手術(shù)中使用單枚Cage和單側(cè)螺釘固定能夠獲得與雙枚Cage同樣的穩(wěn)定作用，達到相同融合效果。Rahman等[7]的研究同樣證實了此觀點。單側(cè)斜向植入解決了雙側(cè)放置的缺點，然而隨著臨床應(yīng)用和隨訪，發(fā)現(xiàn)單側(cè)植入Cage后移率明顯大于雙側(cè)。張凱等[8]報道術(shù)后Cage退出再手術(shù)的9例病例中，7例患者為單枚Cage植入，2例為雙枚Cage植入，并在翻修時建議調(diào)整Cage植入位置，盡量將Cage橫行放置，這樣操作可以減少Cage從原植入通道再次退出。隨著椎間融合材料的不斷更新，有學(xué)者提出對融合器形狀進行相關(guān)改進，以減少其后移的并發(fā)癥。王曉峰等[9]首選通過有限元分析論證了腎形Cage比單側(cè)斜行植入子彈頭形Cage終板應(yīng)力分布更為均勻。而后Zhao等[10]通過5個脊柱外科中心對腰椎滑脫術(shù)后進行研究，發(fā)現(xiàn)腎形Cage后移發(fā)生率(0.28%)明顯低于矩形(3.11%)。同樣，趙軍然[11]對241例腰椎融合進行術(shù)后隨訪，發(fā)現(xiàn)Cage后移有8例，其中腎形3枚(占37.5%)，子彈頭形5枚(占62.5%)。因此，形態(tài)改進后的腎形Cage后移發(fā)生率確實低于其他形狀的Cage。從理論上來講，出現(xiàn)腎形Cage后移較為困難，因位于中線的Cage退出時要進行自身轉(zhuǎn)向方可從原植入口滑出。分析腎形Cage后移的原因發(fā)現(xiàn)，主要為初始位置不佳以及術(shù)中操作時損傷上終板所致等。因此，除了提高術(shù)者操作水平外，發(fā)現(xiàn)問題根源在于腎形Cage自身設(shè)計缺陷。我們對傳統(tǒng)腎形Cage進行分析后發(fā)現(xiàn)，將其推入椎間隙后，其前端會觸及不平整的終板、纖維環(huán)或之前植入顆粒骨后受阻，Cage前端被P點卡住，此時對B點施加推力F(圖6)，整個Cage實際是以P點為軸進行順時針旋轉(zhuǎn)，而Cage前端側(cè)是完全阻擋、無法移動的，因此Cage更不可能到達理想的最終位置，這時再繼續(xù)敲擊推桿會導(dǎo)致Cage后部撞擊椎體后上緣及終板而出現(xiàn)損傷。Zhang等[12]報道，使用腎形融合器后有7例患者出現(xiàn)后移，分析原因，均有間隙上終板后部的損傷。而我們設(shè)計的可變向腰椎Cage解決了該問題的關(guān)鍵(圖7)，同樣是推入極限位置后通過把持器上的卡勾勾住A點，使得旋轉(zhuǎn)軸從B點轉(zhuǎn)移到了A點，再施加推力F，可繞A點形成轉(zhuǎn)矩(M=FL)，推動Cage繞軸A旋轉(zhuǎn)，整個Cage是以A點為軸順時針旋轉(zhuǎn)變向，跨越前端阻礙并向前移動，利用把持器內(nèi)裝的推桿將Cage精確安放于脊柱的前中線上(圖8)。

筆者在臨床中發(fā)現(xiàn)，植入Cage時的位置主要依靠術(shù)者經(jīng)驗，術(shù)中通過利用推桿敲擊Cage尾部并借助C形臂X線機透視來完成手術(shù)，但在調(diào)整Cage時仍有困難，術(shù)后CT顯示腎形Cage旋轉(zhuǎn)不足或旋轉(zhuǎn)至對側(cè)常有發(fā)生。本研究模擬臨床出現(xiàn)的現(xiàn)象，通過有限元分析設(shè)計4種逐步植入模型，模型A和模型B多見于開展該手術(shù)早期，模型C為該手術(shù)植入理想位置。Grant等[13]應(yīng)用11具尸體收集55個腰椎終板并進行生物力學(xué)研究的結(jié)果表明，腰椎終板的力學(xué)結(jié)構(gòu)強度中央最弱，邊緣最強，終板前部小于后部，最強的部分位于終板后外側(cè)，而下終板的力學(xué)強度比上終板高40%，從解剖上推測Cage植入在終板前方或后方下沉應(yīng)該小于其中央?yún)^(qū)。黃誠謙等[14]回顧性研究了83例行單節(jié)段L4-5TLIF手術(shù)的腰椎患者，發(fā)現(xiàn)中央組Cage的沉降率為32.4%，明顯大于邊緣組的13.0%，建議術(shù)中植入Cage時應(yīng)放于終板邊緣區(qū)域，以降低術(shù)后Cage沉降的風(fēng)險。Fukuta等[15]發(fā)現(xiàn)，中心位置組的Cage下沉程度均較植入椎間前緣組的大，下沉的程度和Cage終板外側(cè)占有率之間存在顯著的線性關(guān)系，因此Cage應(yīng)盡量放于椎間隙的前緣，以防下沉。本研究中發(fā)現(xiàn)，預(yù)載荷后模型C中Cage所占用終板外側(cè)的面積最大且應(yīng)力分布最為均勻；從模型A到模型C，Cage應(yīng)力分布出現(xiàn)由高到低的趨勢；當Cage偏右側(cè)、前屈時，模型A應(yīng)力為58.58 MPa，旋轉(zhuǎn)至模型C時可降為20.94 MPa，Cage承受應(yīng)力大幅下降；在模型C中，Cage應(yīng)力分布在左右側(cè)彎時分別有20.24 MPa和18.28MPa，轉(zhuǎn)向模型D后則為53.25 MPa、46.19 MPa，應(yīng)力分布增加2.5～2.6倍，而模型D多見于臨床醫(yī)生選擇的Cage過小或擊入時力量過大而旋轉(zhuǎn)至對側(cè)。這對臨床有很大指導(dǎo)意義，若發(fā)現(xiàn)位置不佳時考慮術(shù)后延長佩戴腰部支具的時間，因腰部支具對左右側(cè)屈有明顯限制作用。

綜上所述，本研究通過對比4種模型探討Cage位置變化時應(yīng)力分布的特性，發(fā)現(xiàn)腰椎Cage放于椎體前中線(模型C)可以獲得最佳生物力學(xué)穩(wěn)定性，應(yīng)力分布最為均勻且最小，建議單枚Cage植入時選擇可變向Cage，其優(yōu)勢明顯大于斜向植入。但因建模時無法精確模擬人體脊柱肌肉組織結(jié)構(gòu)，以及建模時采用的材料屬性多為國外研究數(shù)據(jù)，缺乏中國人的數(shù)據(jù)，因此有限元分析存在誤差。今后需要進一步總結(jié)和研究國人數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，以更加真實地模擬中國人的人體生物力學(xué)特性。