经椎间孔腰椎融合术的有限元应用进展

杨欢++++++宋红星

[摘要] 近年来，随着脊柱退行性疾病的发病率逐年增加，腰椎融合术不断创新，相关三维有限元分析方法日益趋向成熟。本文对近10年来有限元在腰椎融合术的应用进展进行总结，详细阐述了经椎间孔腰椎融合术发展史、脊柱结构的有限元模型构建概要及经椎间孔腰椎融合术、内固定器械的有限元分析应用。

[关键词] 腰椎融合术；有限元分析；生物力学；脊柱

[中图分类号] R68 [文献标识码] A [文章编号] 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间盘突出症、腰椎管狭窄症、腰椎滑脱症、颈椎间盘突出症、颈椎病、经椎管狭窄症等。椎间融合手术是目前国内临床广泛应用的治疗脊柱退行性病变的手术方法之一，但是可能会导致手术相邻节段椎间盘退变加速。融合手术后，通常需要进行脊柱生物力学的重建，以防止手术引起的脊柱不稳等并发症。椎体间融合手术是临床广泛应用的脊柱生物力学重建方法之一。然而，对于椎间盘退变问题和生物力学稳定性问题是近年来学者研究的重点，也是争论的焦点。有限元分析是把复杂整体分散成有限个简单个体，对每个个体进行数学方程解析，进而研究复杂整体的生物力学特性，具有广泛性、科学性。有限元分析方法的出现为现代脊柱外科学的发展作出了重要贡献。本文对脊柱外科融合术的发展、近年来有限元分析建模的具体步骤及有限元分析在脊柱外科融合术的應用进行总结与展望。

1 经椎间孔腰椎融合术概要

随着生活进步与社会发展，工作强度也越来越大。腰椎间盘突出、腰椎管狭窄、腰椎滑脱等[1]近年来发病率呈升高趋势[2]。腰椎融合手术每年增加约77%[3]。这些疾病不仅造成疼痛，而且有可能影响肢体活动，甚至造成残疾，对患者心理和身体健康影响极大。腰椎椎体融合术可以起到固定作用，最常见的有经椎间孔腰椎椎体间融合术（transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF）。近年来，微创脊柱外科发展迅速，2002年Foley等[4]在通道下完成了微创腰椎椎体间融合术（min？鄄imally invasive transforaminal lumbar interbody fusion，MIS-TLIF）。MIS-TLIF技术可以更好地保护肌肉神经，避免持续高强度牵拉，具有术后恢复快、腰背疼痛轻、卧床时间短等特点[5]，得到广泛认可。

2 有限元发展历史

有限元（FE）的基本原理是将无限质点组成的实体用有限个单元描述，单元之间用节点划分，这种做法称为离散化。根据单元描述类型而设置单元种类。加载边界条件分析模拟应力分布，通过计算机建立复杂的方程组求解。1972年，由Belytschko等[6]最先将有限元分析应用到脊柱生物力学。有限元对脊柱生物力学研究有着重要作用，可以通过图像与数据分析椎体和内植物的应力应变，结果直观并且准确，避免了材料的浪费与人体实验的局限性，弥补了传统实验的不足。有限元分析已经成为脊柱外科一种重要的研究手段。

3 经椎间孔腰椎融合术的有限元模型建立

选取25～30岁正常成年人腰椎CT图像（64排，层距1 mm），输出为Dicom格式，无既往脊柱疾病史，无腰椎退行性变趋势。一般TLIF需要涉及L3～S1椎体、椎间盘、附着韧带和关节囊，图像资料导入到医用图像处理软件中，如Mimics，重建所需研究的相应脊柱节段以及后柱结构的三维模型，随后导入Geomagic studio等模型光滑软件中进行打磨、光顺，去除可能会使计算结果不收敛的角度，修饰模型中缝隙以及提高表面质量。输出为IGES文件后导入有限元分析软件，如Ansys，设置材料属性，单元类型，边界条件。

椎体有松质骨和0.5 mm厚的皮质骨构成[7]。椎间盘由髓核、纤维环构成，髓核占40%[8]。韧带包括前纵韧带、后纵韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带、关节囊韧带和黄韧带。材料属性一般包括弹性模量、泊松比和横截面积，具体数值参见国际标准。在有限元分析过程开始前，施加边界条件，L5下方固定，L3上终板面加载垂直载荷，并在L3椎体各个节点加载扭矩，模拟前屈、后伸、侧屈、轴向旋转四种生物力学运动。观察指标主要有腰椎活动度（ROM），用角位移表示和Von Mises应力等指标。endprint

模型有效性验证是有限元分析中非常重要的一步。虽然用计算机模拟计算过程是准确的，但是生物力学活动是复杂的，不能完全通过模型来分析。因此，需要将模拟结果与离体实验和相关文献比较，用统计软件分析其一致性，是否处于一个标准差范围内。

4 经椎间孔融合术的有限元研究应用

4.1 椎间融合器的有限元研究

随着脊柱融合术治疗腰椎退行性疾病的普及，单纯椎弓根螺钉固定已经不能满足更高的稳定性，而且应力集中使其容易疲劳损坏。融合器能够有效改变应力分布，并且分散应力至下椎板[9]。然而，在临床上，最佳的融合器形状和数量还没有确定，融合器的置入角度不同也会很大程度影响稳定性，有限元分析为解决这些问题提供了新思路。付诚等[10]对融合器置入角度进行了生物力学研究，结果显示应力分布会随着融合器角度不同而存在差异，认为斜向45°配合单边椎弓根螺钉固定可以更好地应用于TLIF技术。一些学者认为，单双枚融合器不存在生物力学稳定性的差异[11]。但是，由Xu等[12]认为两枚融合器可以使椎弓根钉应力集中减小。此外，融合器的形状也会影响椎体稳定性和融合器下沉率。TLIF技术从椎间孔入路进入，具有切口小、不易损伤神经、融合率高的特点[13]。Faizan等[14]认为适合TLIF入路的大尺寸融合器可以获得更好的应力分散，减少椎弓根螺钉的应力分布并且能减少融合器的下沉率。最近，有学者认为，由于患者自身骨质结构和病理不同，有必要通过生物力学技术研究符合每个患者自身特点的融合器，这将有助于提供最佳生物力学融合率以及加快患者术后恢复时间[15]。

4.2 TLIF双侧固定与MIS-TLIF单侧固定的生物力学对比研究

TLIF技术早期通常使用双侧椎弓根螺钉固定维持正常椎间隙，由于其高度稳定性，越来越受到大家关注[16]。传统的TLIF技术通过后正中切口，而随着医疗器械发展，MIS-TLIF技术逐渐成熟，具有更小的切口和更高的稳定性，减少椎体骨组织和骶棘肌破坏。一些学者认为可以使用单侧固定，更大程度减少手术创伤、缩短手术时间、减少出血。但是，一些研究者反对使用单侧固定，原因是一些临床证据表明单侧固定不会带来更大的优势[17]，而且会造成内固定失败和假关节形成[18]，也有一些生物力学实验表明了这种观点[19]。即便如此，也有一些学者认为过强的脊柱稳定性不能起到更好的稳定作用，反而会导致骨质疏松[20]。对于这种争议，一些学者应用有限元法探究单双侧固定的稳定性，Chen等[21]认为TLIF手术不适合应用非对称的融合器，并且存在轴向旋转和侧屈不稳时最好使用双侧固定。Ambati等[22]证明双侧固定时有更高的稳定性，并且对内植物的压力减小，融合器的数目和形状在双侧固定时对稳定性没有影响。

此外，近年来，随着机器人辅助微创腰椎融合术的发展，一些回顾性研究已经显示了比较满意的效果[23]。Kim等[24]用有限元方法对两种不同的固定技术进行分析，认为机器辅助的腰椎融合术增大了椎弓根螺钉与关节面之间的距离，会减小螺钉的与关节面的压力和椎间盘压力，这与之前的研究结果一致[25]。当使用机器辅助系统，患者特殊的模拟对于理想的螺钉轨迹是可能的，并且可以根据患者的特殊的解剖学不同显示理想的侧方进入点和轨迹，而且机器辅助系统能够重复这种模拟准确性和可靠性。

4.3有限元在TLIF术后邻近节段退变的研究

相邻节段退变是脊柱融合的常见问题。由于腰椎融合术后，融合节段的移动度下降，刚性增高，可能会加剧相邻节段发生退变的风险。脊柱融合术后邻近节段在影像学及症状均有退变表现，称为邻近节段疾病（ASD）。ASD发病率为6.3%～27.4%[26]。目前，邻近节段退变的发生机制没有明确结论。有学者认为，融合节段上下ROM增大，而上方ROM增大程度较下方更为明显，可能是导致邻近节段退变因素之一[27]。Rao等[28]用体外生物力学实验方法得出ALIF相邻节段椎间压力增高、移动度增大的结论。但是，由于其脊柱材料特性，试验重复性差。Tang等[29]分别在L3～5建立了ALIF和TLIF模型，加载800 N垂直载荷和10 Nm力矩在L3上终板面，模拟前屈、后伸、侧弯、扭转，结果显示L3～4椎盘内压力增加，椎间扭转趋势增大，屈服应力增加，提示TLIF会增加邻近节段的退变和失稳。此外，也有人认为，相邻椎间盘应力的变化也是导致邻近节段退变因素之一。椎间融合可能增大相邻节段椎间盘压力，并且头侧大于尾侧[30]。最近，Hsieh等[31]发现，融合术后去除固定器有可能缓解临近节段压力。在融合固定后，邻近节段间盘压力和关节面应力增加了57.6%、47.3%，但是在去除了固定装置后，分别减小到22.7%、27.0%

5 小结

随着脊柱融合术广泛应用于脊柱退行性變，因为其具有临床安全性、准确性和可重复性。但是，也有一些局限性。材料属性设置不够真实，无法精确模拟组织结构的材料特性及非均质性。不能精确模拟一些非线弹性的组织，如韧带、肌肉、脂肪等。而韧带、肌肉组织在脊柱生物力学中起到非常重要的作用，维持脊柱稳定性。因此，腰椎韧带、肌肉的有限元分析的深入研究将会给经椎间孔腰椎融合术的研究带来突破。

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