胸腰椎骨內(nèi)固定手術(shù)仿真模型優(yōu)化研究

李雨辰， 鄒任玲， 孫元良， 范虓杰， 汪圣舟，李智超， 胡秀枋

（上海理工大學(xué) 健康科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200093）

人體脊柱由脊椎骨及椎間盤構(gòu)成，在整個人體骨骼構(gòu)造中是人體軀干的支柱，有著十分重要的作用。作為脊柱中極易受損的節(jié)段，胸腰椎受損約占脊柱受損總數(shù)的50%～70%[1]，椎弓根螺釘內(nèi)固定方式則是目前應(yīng)用最廣泛的治療胸腰椎受損的手術(shù)方式[2]。對于脊柱胸腰椎骨置釘手術(shù)的臨床效果與損傷分析的研究，是通過構(gòu)建內(nèi)固定系統(tǒng)的置釘胸腰椎三維模型，并對其進(jìn)行有限元分析，獲得在脊柱不同運動狀態(tài)的力學(xué)分析結(jié)果，用以觀察置釘手術(shù)效果[3]。手術(shù)模型主要有胸腰椎模型和椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)，Liu 等[4]在CT 圖像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上重建出腰椎L3-L4 兩節(jié)段有限元模型用于螺釘生物力學(xué)的評測。賈宏禹等[5]利用CT 圖像數(shù)據(jù)重建出T12-L1 節(jié)段正常椎骨與壓縮性骨折模型并進(jìn)行了模型有效性驗證。宋元進(jìn)等[6]重建出T11-L1 三節(jié)胸腰椎有限元模型用來分析不同固定方式對于胸腰段骨折的影響，這些模型研究多為兩節(jié)到三節(jié)， 但臨床研究表明，內(nèi)固定手術(shù)后路長節(jié)段內(nèi)固定方式相比較于短節(jié)段內(nèi)固定方式來說，在患者康復(fù)過程中康復(fù)效果明顯優(yōu)于短節(jié)段[7]，因此，多節(jié)段模型的建立對臨床分析更具有客觀性。手術(shù)模型的另一個重要環(huán)節(jié)是椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)，Grob 等[8]對于植入Dynesys內(nèi)固定系統(tǒng)的患者康復(fù)情況進(jìn)行了調(diào)查總結(jié)，依舊存在臨近關(guān)節(jié)退變術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生幾率，Lee等[9]采用Coflex 內(nèi)固定系統(tǒng)對腰椎管狹窄患者康復(fù)情況進(jìn)行了調(diào)查隨訪，研究術(shù)后患者生理變化，發(fā)現(xiàn)了一些內(nèi)固定失敗的個例。這些固定方式大都采用堅強(qiáng)固定系統(tǒng)，臨床上這種固定方式會引起臨近關(guān)節(jié)退變、內(nèi)固定失敗等一系列術(shù)后并發(fā)癥[10-12]，目前一種新型的可旋動固定系統(tǒng)可以減輕術(shù)后并發(fā)癥。因此，重建一種可旋動椎弓根螺釘?shù)男滦蛢?nèi)固定系統(tǒng)，結(jié)合多節(jié)段三維胸腰椎模型，進(jìn)行有限元方法手術(shù)植入方式分析，并對內(nèi)固定旋動的影響等問題進(jìn)行分析，模擬真實手術(shù)過程，能降低術(shù)后影響，對于提高手術(shù)成功率具有重要的臨床意義。

1 材料與方法

1.1 多節(jié)段胸腰椎三維模型優(yōu)化

為了更加直觀地分析手術(shù)前期仿真置釘效果，克服傳統(tǒng)短節(jié)段胸腰椎模型不全面、分析受限的缺點，構(gòu)建四節(jié)長節(jié)段胸腰椎模型，胸腰椎模型采用醫(yī)院提供的正常人體全脊柱CT 圖像，共使用721 張。重建初期采用Mimics 分析軟件，使用成熟的區(qū)域增長法與灰度閾值法提取人體椎骨模型[13]。將721 張DICOM 格式胸腰椎CT 圖像導(dǎo)入到Mimics 醫(yī)學(xué)三維重建軟件中，用圖像分割技術(shù)分離出所需的四節(jié)段胸腰椎骨模型[14]，并使用多層提取的方法與布爾操作，以椎骨上下表面為基礎(chǔ)，利用目標(biāo)數(shù)據(jù)點集（Mask）填充兩節(jié)椎骨間的間隙，單獨重建出完全契合的椎間盤，使模型更加精細(xì)真實。然后使用計算（Calculate）功能可以由蒙版模型生成三維點云模型，生成圖1 所示的三維模型。

圖1 蒙版-三維模型Fig.1 Mask - 3D model

采用Mimics 導(dǎo)出點云的三維模型必須將其曲面化才能進(jìn)行后續(xù)有限元分析，而Geomagic 軟件具有曲面化的功能，可以后續(xù)進(jìn)行有限元分析。本處理將Mimics 的T12-L3 胸腰椎骨三維模型分別導(dǎo)出為STL 格式，并導(dǎo)入到Geomagic 軟件中進(jìn)行光滑、精確曲面等操作，從而得到NURBS 曲面模型，最后導(dǎo)出為IGS 格式，方便后續(xù)在SolidWorks軟件中進(jìn)行置釘手術(shù)模擬操作。為了進(jìn)一步優(yōu)化胸腰椎骨模型，還需要對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分與賦值操作。采用3-Matic 軟件可以對其進(jìn)行面-體網(wǎng)格劃分。在體網(wǎng)格劃分中整體采用10 節(jié)點的四面體單元，如圖2 所示。此種四面體單元可以較為契合地完成復(fù)雜模型網(wǎng)格劃分，對模型的適應(yīng)性很強(qiáng)，得到的模型更為精細(xì)。網(wǎng)格模型建立后在Mimics中直接根據(jù)灰度值法給胸腰椎骨進(jìn)行賦值。相較于為皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨等組織單獨賦予單一材料，利用CT 圖像中含有的灰度值HU數(shù)據(jù)對人體胸腰椎骨進(jìn)行賦值具有更加真實的優(yōu)點[15]，這對減少模擬誤差、提高手術(shù)成功率具有十分重要的意義。Mimics 本身具有人體不同骨組織的經(jīng)驗公式，經(jīng)驗公式主要采用表觀密度、彈性模量、泊松比定義材料，是較為完善的材料屬性定義，完全可以直接使用經(jīng)驗公式對其進(jìn)行賦值，如表1 所示。A-P，M-L，S-I 分別為前-后方向、內(nèi)-外方向、上-下方向。ρ為表觀密度。

表1 脊柱表觀密度-彈性模量經(jīng)驗公式Tab.1 Empirical formula of apparent density-modulus of elasticity of spine

圖2 正常胸腰椎有限元模型Fig.2 Finite element model of normal thoracolumbar spine

建立的正常腰椎有限元模型如圖2 所示。

1.2 長節(jié)段胸腰椎骨內(nèi)固定系統(tǒng)優(yōu)化

1.2.1 可旋動椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)設(shè)計

旋動型螺釘可以避免堅強(qiáng)固定手術(shù)方式引起的一系列術(shù)后并發(fā)癥，本文設(shè)計了一種旋動椎弓根螺釘系統(tǒng)[16]，該可旋動椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)內(nèi)含一種可以旋動以及微動的椎弓根螺釘，此種設(shè)計可以最大限度地避免患者術(shù)后關(guān)節(jié)活動度過分受限以及容易引起相鄰節(jié)段椎骨退化的后遺癥?？尚齽幼倒葆斀Y(jié)構(gòu)如圖3 所示，可旋動椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)的關(guān)鍵部分為可旋動椎弓根螺釘?？尚齽幼倒葆斦w上由螺釘和釘座組成。螺釘裝配在釘座中形成轉(zhuǎn)動副。螺釘可按照裝配槽口的不同設(shè)置不同的安裝角度，并可在釘座內(nèi)按限定角度實現(xiàn)輕微轉(zhuǎn)動，如圖3(b)中α與β角之差為微動角度范圍。內(nèi)釘座和外釘座之間可形成轉(zhuǎn)動關(guān)系，內(nèi)釘座和外釘座中間留有一定空隙，可有效減少摩擦力，內(nèi)釘座和外釘座凹槽內(nèi)裝有滾珠，如圖3(d)所示，紅色為滾珠，黑色加深邊框為滑槽，滾珠在滑槽內(nèi)往復(fù)滾動，可與內(nèi)釘座、外釘座形成滾動配合關(guān)系，三者共同配合下可在滑槽限定角度內(nèi)實現(xiàn)內(nèi)釘座和外釘座間的相對轉(zhuǎn)動，如圖3(c)所示γ與δ角之差為轉(zhuǎn)動角度范圍。

圖3 可旋動椎弓根螺釘及旋動部件Fig. 3 Rotable pedicle screws and rotating components

1.2.2 內(nèi)固定置釘模型建立與分析

置釘打孔方式會影響手術(shù)效果，一般由醫(yī)生經(jīng)驗確定，會造成一定主觀失誤和偏差，因此，采用多種置釘方式模擬手術(shù)效果，能夠優(yōu)化并制定置釘模型，避免醫(yī)生的主觀錯誤。本次模型優(yōu)化采用先進(jìn)的Magerl 法[17]和Krag 法[18]進(jìn)行置釘打孔。

Magerl 法采用“向前”或“前內(nèi)”進(jìn)釘法，以上關(guān)節(jié)突外緣的縱垂線與橫突中軸線的交點為進(jìn)釘點，進(jìn)釘方向與錐體終板平行，與矢狀面向內(nèi)成角15°。而Krag 法采用“向上方向”法，進(jìn)釘點較Magerl 法更靠外，其水平線為橫突的上2/3 與下1/3 交線，進(jìn)釘方向朝上，以不穿破終板為度。由于個體胸腰椎骨間存在差異，單純采用某種置釘方法會有偏差，所以，在模擬過程中，根據(jù)多節(jié)段胸腰椎的個體差異略微修正了打孔位置。圖4 為胸腰椎骨打孔進(jìn)釘模型。仿真結(jié)果表明，使用Magerl 法在植入內(nèi)固定物手術(shù)操作時，螺釘與棘突骨組織間隙大，阻礙減少，進(jìn)釘較為簡便。平行終板的進(jìn)釘方式也不易刺透椎骨造成手術(shù)二次損傷，是研究三維模型優(yōu)化的最佳置釘方式。采用修正內(nèi)固定模型可以為醫(yī)生提供更為直觀可靠的臨床手術(shù)參考。

圖4 胸腰椎骨打孔進(jìn)釘模型Fig. 4 Model of thoracolumbar spine perforation and nail insertion

2 結(jié) 果

2.1 旋動椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)手術(shù)模型優(yōu)化

為了進(jìn)一步分析旋動椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)手術(shù)療效情況，在四節(jié)段胸腰椎模型基礎(chǔ)上重建傳統(tǒng)堅強(qiáng)固定組的內(nèi)固定系統(tǒng)三維裝配模型用于對比研究[19]。并將重建出的兩種模型分別導(dǎo)入Ansys 軟件進(jìn)行力學(xué)分析。以健康未植入模型作為對照，以最為典型的脊柱扭轉(zhuǎn)運動作為變量，分別對3 組模型施加同等邊界條件，并進(jìn)行有限元分析，得到位移應(yīng)力云圖，并以此分析活動度的差異。結(jié)果如圖5 所示。

圖5 活動度對比Fig.5 Comparison of activity levels

由圖5 可以發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)堅強(qiáng)固定組模型來說，可旋動椎弓根螺釘內(nèi)固定系統(tǒng)模型在扭轉(zhuǎn)工況下的活動度比堅強(qiáng)固定組模型活動度更大，與健康未植入模型更為接近。這說明采用新型內(nèi)固定系統(tǒng)可以最大限度地避免患者術(shù)后關(guān)節(jié)活動度過分受限而引起的術(shù)后并發(fā)癥，也可降低椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)力峰值，避免因日?；顒釉斐傻氖中g(shù)植入物斷裂受損等問題。

2.2 多節(jié)段手術(shù)模型優(yōu)化

為了分析后路多節(jié)段模型對內(nèi)固定手術(shù)的影響，重建基于四節(jié)段胸腰椎模型與兩節(jié)短節(jié)段胸腰椎模型可旋動置釘模型。將重建出的四節(jié)段胸腰椎模型與兩節(jié)段胸腰椎模型分別導(dǎo)入Ansys 進(jìn)行分析，將前屈、后伸、側(cè)彎、扭轉(zhuǎn)這4 種運動狀態(tài)下的兩組模型活動度與位移進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 活動度與位移云圖Fig.6 Activity and displacement nephogram

由位移云圖6 可知，長節(jié)段胸腰椎模型比兩節(jié)短節(jié)段胸腰椎模型具有更大的活動度與位移，在前屈、后伸、側(cè)彎、扭轉(zhuǎn)這4 種運動狀態(tài)下，四節(jié)長節(jié)段胸腰椎模型均比兩節(jié)短節(jié)段胸腰椎模型的位移大。這說明長節(jié)段胸腰椎模型在仿真分析中可以直觀地表達(dá)出更為明顯的胸腰椎活動情況，后路節(jié)段越多，活動越明顯，在屈伸、側(cè)彎及扭轉(zhuǎn)工況下保留了一定程度的脊柱運動功能，因此，長節(jié)段的內(nèi)固定手術(shù)也更有利于術(shù)后康復(fù)。

3 討 論

采用Mimics，Geomagic，SolidWorks 等軟件重建了T12-L3 共四節(jié)含椎間盤的胸腰椎骨優(yōu)化模型，相比較于傳統(tǒng)的短節(jié)段胸腰椎骨模型，提供了一種更為直觀的觀察胸腰椎手術(shù)治療結(jié)果的方式，在此基礎(chǔ)上，采用胸腰椎骨內(nèi)固定模型進(jìn)行了手術(shù)植入法比較。結(jié)果表明，以Magerl 法進(jìn)行釘孔輕微調(diào)整，進(jìn)一步確定進(jìn)釘位置，進(jìn)釘手術(shù)簡便，平行的進(jìn)釘方式也不易刺透椎骨，避免了手術(shù)二次損傷。采用可旋動椎弓根螺釘進(jìn)行了手術(shù)過程力學(xué)優(yōu)化分析，并與傳統(tǒng)的堅強(qiáng)內(nèi)固定方式進(jìn)行對比分析。仿真結(jié)果表明，可旋動螺釘能提供更大的椎間活動度，可有效保護(hù)置釘脊骨，也進(jìn)一步說明了新型內(nèi)固定系統(tǒng)的優(yōu)越性，為醫(yī)生提供一定的臨床手術(shù)模擬結(jié)果作為參考。