腰椎椎间孔外椎体间融合术的三维有限元建模及分析

杨明杰， 曾　诚， 李立钧， 潘　杰， 郭　松， 谭　军

(同济大学附属东方医院脊柱外科，上海　200120)

目前，腰椎融合术仍为治疗腰椎退变性疾病的最常用术式[1]，临床上达到的共识是尽可能保留后方的张力结构，减小附加创伤，可以保证术后短期的稳定性以及长期的融合率。本研究设计的椎间孔外腰椎椎体间融合术(extraforaminal lumbar interbody fusion, ELIF)，术中只切除增生内聚的上关节突，而保留下关节突及其后方附着软组织，较之传统的经椎间孔椎体间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF)更加完整地保留后方结构，提高腰椎术后即刻稳定性[2-4]。本研究建立了正常L3～L5的三维有限元模型，并在此基础上建立了采用不同内固定融合方式的有限元模型，测量前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转各工况下模型的稳定性、椎弓根螺钉连接棒上的应力及各种固定融合方式对于邻近节段的影响，为临床应用提供理论力学依据。本研究比较ELIF手术与传统经典TLIF手术在各种内固定条件下的腰椎运动节段的稳定性。

1　资料与方法

1.1　建立三维有限元模型

健康成年男性志愿者1例(26岁，身高172cm，体质量67kg)，既往无腰椎疾病史，拍摄腰椎X线片排除腰椎病变。用64排螺旋CT机从L3上终板至L5下终板进行连续扫描，层厚3mm，以通用DICOM 3.0格式读入医学有限元建模软件Simpleware 2.0，建立L3～L5的三维几何模型。利用有限元软件Hypermesh，采用合适的单元类型和材料性质，对模型进行有限元网格划分，将各部位材料的弹性模量、泊松比等材料系数及特征值输入模型[5-9]，见表1，完成人正常L3～L5节段有限元模型(INT)的建立，见图1。

表1　有限元模型各部分材料力学参数

1.2　建立不同融合内固定模型

将IGES格式的椎弓根螺钉系统与椎间融合器(DePuy spine,美国强生公司)图像文件导入Hyperm-esh，根据以下要求分别对ELIF组与TLIF组进行有限元网格划分。两组螺钉弹性模量为110000MPa，泊松比为0.3。椎间融合器为子弹头型融合器，尺寸为9mm×11mm×27mm，弹性模量为3700MPa，泊松比为0.25。螺钉直径6.0mm，长45mm。ELIF组融合器与矢状面成80°，从右侧斜行置入椎间隙内。TLIF组融合器与矢状面成45°，从右侧斜行置入椎间隙内。利用三维重建软件分别建立正常标本对照组(C组)，单边固定ELIF(E1组)，单边固定TLIF(T1组)，双边固定ELIF(E2组)，双边固定TLIF(T2组)，单边固定ELIF+对侧经椎板关节突螺钉内固定(E3组)，单边固定TLIF+对侧经椎板关节突螺钉内固定(T3组)。试验模型的设计完全按临床手术方法： E1，去除L5上关节突，切除L4～L5间隙全部髓核及右后2/3纤维环，保留后方的棘上韧带、棘间韧带、棘突及左侧结构，于L4、L5右侧椎弓根各置入1枚螺钉(螺钉的入点选择上关节突与横突转折部中点，角度约与矢状面呈45°)；T1，去除L4下关节突及L5上关节突，切除L4～L5间隙全部髓核及右后2/3纤维环，保留后方的棘上韧带、棘间韧带、棘突及左侧结构，于L4、L5右侧椎弓根各置入1枚螺钉(螺钉的入点选择人字嵴的顶点，角度约与矢状面呈30°)；T2减压范围同T1，于L4、L5双侧椎弓根各置入2枚螺钉(置钉方法同T1)；E2为双边固定ELIF；E3减压范围同E1，于L4、L5右侧椎弓根各置入1枚螺钉，并经椎板置入对侧关节突螺钉；T3为单边固定TLIF并经椎板置入对侧关节突螺钉，见图2和图3。

图1　正常腰椎L3～L5三维有限元建模Fig.1　3D-finite element models of normal lumbar

图2　ELIF的三维有限元建模Fig.2　3D-finite element model of ELIFA： 单边固定， B： 双边固定， C： 单边+关节突螺钉固定

图3　TLIF三维有限元建模Fig.3　3D-finite element model of TLIFA： 单边固定， B： 双边固定， C： 单边+关节突螺钉固定

1.3　加载和记录方法

将L5椎体的下表面全固定，在L3椎体上表面施加面载荷，压力方向垂直向下，均匀分布在整个L3椎体的上终板。对模型所施加的载荷为400N，运动附加力为6N·m。进入Abaqus 6.10，在腰椎前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转六种工况下进行计算。主要观察指标有： (1) L4～L5活动范围(range of motion, ROM)，用节段角位移表示，测量L4、L5上表面最前点、最后点、最左点、最右点共4点的空间位置坐标连接成线，各线间夹角代表相邻两椎体上表面间的夹角，加载前后夹角差值的绝对值即为L4～L5节段角位移。(2) 以应力云图的形式表示各工况下椎弓根螺钉连接棒及上位椎间盘的应力。(3) 记录L3～L4活动范围，用L3～L4节段角位移表示。

1.4　统计学方法

2　结　　果

2.1　模型有效性验证

整个L3～L5三维非线性有限元模型包括皮质骨壳、松质骨核心、后部结构(包括关节突关节)、椎间盘(基质、胶原纤维和髓核)和7种韧带，共14种材料。模型总共含124528个单元、49235个节点。定义好模型的约束和载荷条件后，在腰椎前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转六种工况下，计算L4～L5节段角位移。结果表明正常腰椎有限元模型在不同工况下L4～L5节段角位移与Vadapalli等[10]、陈志明等[11]的有限元研究结果基本一致，见图4。认为本模型在一定条件下有效，可以应用于临床和试验研究。

图4　本实验所用模型与正常模型的比较Fig.4　Comparison of different models

2.2　L4～L5活动范围

单侧椎弓根螺钉固定时E1组与T1组活动度均较正常模型C组明显减小。当E1组与T1组相比时，E1组各工况下的活动度小于T1组，尤以左侧屈及右旋时明显。这可能是由于在E1组中，减压侧保留的部分上关节突能够与下关节突相关节，限制了腰椎的左侧屈及右旋，使得稳定性有所提高，另外在E1组中，螺钉的外倾更大，也有助于稳定性的提高。当E1组与T2组相比时，E1组活动度明显高于T2组，这表明即使ELIF单边固定较传统TLIF单边固定稳定性明显提高，但是仍无法达到经典TLIF双边固定的稳定性。在E1组基础上辅以对侧经椎板关节突螺钉固定的E3组各工况下的活动度，较E1组的活动度明显减小，并且在试验载荷范围内与T2相比未见明显差异，见表2。

表2　各模型在不同工况下L4～L5节段角位移

2.3　L3～L4活动范围

4试验组L3～L4节段的活动度与正常对照组相比无明显差异，这表明无论采用椎弓根螺钉固定或椎弓根螺钉固定辅以对侧经椎板关节突螺钉固定，均不会对邻近椎体间的活动造成明显影响，见表3。

表3　各模型在不同工况下L3～L4节段角位移

2.4　ELIF及TLIF有限元模型椎弓根螺钉连接棒及椎间融合器的应力分析

ELIF组及TLIF组连接棒上的最大应力集中部位在钉帽结合处，而且近端应力大于远端；单侧椎弓根螺钉固定时各工况下的连接棒应力大于双侧椎弓根螺钉固定，见图5。比较E1组与T1组连接棒应力时，E1组应力小于T1组，尤以右侧屈时明显，见图6。这是因为在ELIF组中所保留的下关节突能够分担连接棒上的部分应力，所以，理论上看ELIF组断棒的概率较TLIF组偏低。在单侧椎弓根螺钉固定的基础上辅以对侧经椎板关节突螺钉，连接棒的应力较单侧固定时减小。腰椎模型前屈后伸时，上位椎间盘纤维环的最大应力出现在其前部；左侧弯时，最大应力出现在其左半部分；右侧弯时，最大应力出现在其右半部分；椎弓根螺钉固定组与完整组并无明显差异。当比较ELIF与TLIF的融合器所受的应力时，两组在各工况下无明显差异，因融合器的作用在于前柱支撑，后柱结构的保留对其应力影响不大，见图7。

图5　单边固定ELIF(A)及双边固定ELIF(B)之连接棒的应力比较Fig.5　Comparison of load share in rod between unilateral(A) and bilateral ELIF(B)

图6　单边固定ELIF(A)与单边固定TLIF(B)的连接棒的应力比较Fig.6　Comparison of load share in rod between unilateral ELIF(A) and TLIF(B)

图7　单边固定ELIF(A)与单边固定TLIF(B)的融合器的应力比较Fig.7　Comparison of load share in cage between unilateral ELIF(A) and TLIF(B)

3　讨　　论

腰椎退变性疾病主要表现为腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄症，该病已成为腰腿痛的最常见原因[12-14]。研究[1]表明，腰椎融合术已成为保守治疗无效的腰椎病的重要治疗手段。腰椎融合术包括减压、固定、融合三大内容。减压是解除患者症状的关键步骤；固定以提供术后的即刻稳定性，便于早期活动，避免卧床并发症；而融合则是长期效果的保障。腰椎管狭窄症包含了中央椎管狭窄和侧方椎管狭窄两种类型，对于侧方椎管狭窄，椎间隙高度降低、椎间盘突出特别是上关节突的相对内聚、增生肥大是最主要的原因。相对于PLIF手术，TLIF手术对侧方椎管的减压具有更好的针对性，但是为了达到手术目的首先切除了与病变无关的下关节突。因为下关节突在大多数情形下不涉及椎管，不参与椎间孔区域结构构成，切除下关节突的惟一目的是为切除上关节突创造视野和空间条件，所以切除入路必经的下关节突属于无效创伤[15-16]，破坏了脊柱稳定性。因此，常规TLIF手术均需要辅以后方双侧椎弓根螺钉固定，以提高术后即刻稳定性。然而，双侧椎弓根螺钉固定使得手术时间及出血增加，神经损伤风险增加，手术费用加大。近年来，TLIF单边固定成为研究热点[10,17-19]，但是在该技术中，Sluckv等[20]的生物力学研究表明，单侧椎弓根螺钉的固定强度仅有双侧椎弓根螺钉固定时的一半；而且由于其固有的不对称，使得抗旋转力较差，容易出现应力集中；另外，单侧内固定有造成侧凸及内固定失效的风险[21]。在保证手术疗效的基础上，本着更加微创、更加稳定的原则，本研究设计了ELIF手术，其手术理念即是在TLIF入路的基础上继续向外侧延伸，将下关节突旋出视野，完全暴露上关节突，就可以在不切除下关节突的基础上切除上关节突，对侧方椎管进行有效的减压，进而实现椎间融合。ELIF手术较TLIF手术的优点在于： 最大程度保留了后方结构、下关节突及其背侧关节囊以及附着的韧带、肌肉组织，对保证脊柱术后即刻稳定性优势明显。此外，ELIF的手术入路决定了术中植入椎间融合器的外倾角度较传统入路加大(例如本模型的椎间融合器的植入角度为80°，能够有效避免TLIF手术植入单侧椎间融合器不对称的问题[22]，提高稳定性，防止沉降；同时由于手术入路偏外，椎弓根螺钉的入点可以较常规TLIF更加偏外，加大螺钉的外倾角度，增加稳定性。为明确以上稳定性的增加能否使得ELIF手术单边固定成为可能，本试验构建了不同内固定条件下的有限元模型，并将经典TLIF双边固定模型的稳定性作为参照。该模型数据分析表明，ELIF单边固定后，各工况下的稳定性均优于TLIF单边固定，其中尤以左侧屈及右旋时明显；但明显弱于TLIF双边固定模型。这点提示，ELIF单边固定后即使其稳定性较TLIF单边固定有所提高，但仍无法达到双侧固定时的稳定性。因此，不论TLIF与ELIF均存在单边固定失稳的可能。此时，当在ELIF单边固定的基础上，辅以对侧经椎板关节突螺钉时，其活动度均较ELIF单边固定时明显减小，与经典TLIF双边固定模型相比活动度无明显差异。该结果提示ELIF单边固定加用对侧经椎板关节突螺钉可以明显提高稳定性，而且其稳定性与双侧椎弓根螺钉固定相当，因此该技术满足融合手术所需的稳定性要求。近年来，为避免常规腰椎融合术(PLIF与TLIF)的创伤较大的弊端，融合方法的改进颇多，如ALIF和XLIF分别采用前方入路和侧方入路[23-24]，完全保留了后方结构，具有明显微创优势；但是该两种手术目前只能对后方椎管及神经根管进行间接减压，手术适应证相对较窄。而ELIF较ALIF和XLIF，则可以进行更有效的直接减压操作，且手术范围局限在脊柱外科医生熟悉的后方入路，避免了经前路手术及侧路手术的并发症，增加手术的安全性、可靠性。此外，ELIF单边固定辅以对侧经椎板关节突螺钉，仅需单侧切开皮肤，既能完成减压，融合过程又可以固定对侧关节突，提高术后即刻稳定性，手术创伤更小，出血更少，美容效果更佳。因此，该手术能够成为一种更加有效的微创腰椎融合术。然而，ELIF也有其一定的局限性： 由于其暴露范围小，术中切除的骨性结构较少。减压的范围较传统术式(TLIF和PLIF)相对较小。随着手术技巧的提高，其减压范围可以达到椎管中线。另外，对于L5～S1侧方椎管狭窄，由于髂骨的遮挡，使得手术操作难以完成。

Park等[25]关于腰椎邻近节段退变(adjacent segment degeneration, ASD)的研究认为，内固定可能是ASD早期发展的危险因素。但本研究通过分析不同手术组L3～L4椎间盘的活动度和纤维环的最大应力，发现各内固定组并没有增加L3～L4的活动度及椎间盘的应力。Adams等[26]研究表明，退变的椎间盘，其应力分布高度不规则，纤维环特别是后外侧部位应力明显升高。退变椎间盘即使较小的活动度变化也可能导致明显的应力升高，加速其退变。然而，对于健康没有退变的椎间盘，其分布应力是基本均匀的，活动度的变化不会导致应力的明显升高，因此，本试验未出现固定后L3～L4椎间盘应力的增加。

本研究存在的不足： (1) 是对模型进行部分简化和材料特性的理想化，虽然这些简化都是在合理的前提下进行的，但是不可避免对模型的计算结果产生一定影响，所得的结果并不是精确的数值，而是代表一种趋势。(2) 未建立包括椎旁肌肉在内的全腰椎模型，仅选取了其中2个腰椎的运动节段，不能完全模拟ELIF与TLIF的软组织环境。(3) 受条件所限，研究仅停留在三维几何模型分析，对尸体标本的生物力学研究将在后期开展。