去松质骨截骨术与全脊柱截骨术治疗强直性脊柱炎后凸畸形有限元分析

李 辉,张 鹏,尚 俊,马 原

(1山西省临汾市人民医院骨科,临汾 041000;2新疆医科大学第六附属医院脊柱外一科;*通讯作者,E-mail:xjjgyymy@126.com)

强直性脊柱炎并发后凸畸形的特征是胸后凸增大以及腰前凸减小,呈车轮状或者大“C”形状[1],由于患者胸后凸增大,导致其重心向前,失去矢状面平衡,为了保持平衡,患者往往会选择屈髋屈膝,保持重心向后,为了恢复患者矢状面平衡,解除平视障碍,消除对胸腔和腹腔脏器的压迫[2,3],往往需要通过外科手术矫正后凸畸形[4],手术的目的是使患者恢复矢状面平衡[5],能够直视前方,并且解除对脏器的压迫。目前国内外常采用的截骨矫正后凸畸形的手术方式主要有(Smith-Petersen osteotomy,SPO)关节突截骨、椎弓椎体截骨(pedicle subtraction osteotomy,PSO)、全脊柱切除术(vertebral column resection,VCR)、脊柱去松质骨截骨术(vertebral column decancellation,VCD)[6-8]。本研究主要就腰2节段全脊椎切除术(VCR)和脊柱去松质骨截骨术(VCD)术式矫正强直性脊柱炎后凸的生物力学进行比较,通过三维有限元分析得出科学的结论,为临床工作提供一定的理论指导。

本研究通过的患者CT断层图像,导入计算机建模软件(Mimics 17.0、Geomagic Studio 2013)建立了与实体相似的后凸三维模型,并通过软件测量计算得出恢复矢状面平衡的最佳截骨角度,在已经建立的虚拟模型上进行模拟手术截骨,安装钉棒内固定,最后输入有限元分析软件Ansys workbench 15.0进行分析计算,得出数据,综合分析和比较生物力学参数。

1 资料与方法

1.1 一般资料

从新疆医科大学第六附属医院脊柱外科研究所选择1例强直性脊柱炎后凸志愿者。患者,艾某,男性,维吾尔族,30岁,身高172 cm,体质量70 kg。在征得患者及家属同意后,按照医疗机构管理条例的相关要求与患者签署知情同意书。拍摄全脊柱正侧位X线片与核磁共振扫描,同时行CT薄层扫描,扫描区间从C1水平至骶尾骨,扫描层厚1 mm,排除脊柱及脊髓其他病变,结合病史确诊为强直性脊柱炎后凸畸形。COBB角为:30.9°。

建模软件:Mimics 17.0(三维医学建模软件),Geomagic Studio 2013(模型优化,并建立NURBS曲面)。UG NX8.5(在模型上加载内固定,进行手术截骨操作)。Ansys workbench 15.0用于三维有限元模型的建立及分析。

1.2 研究方法

通过东芝320排CT对患者行薄层扫描,共获得间隔1 mm,重建厚度0.5 mm,二维平面图像分辨率512×512,每像素0.873 mm的CT断面图像2 434张,保存文件的格式为DICOM。导入建模软件(Mimics17)建立初步三维模型(见图1),再使用Geomagic Studio 2013软件,优化模型,并建立NURBS曲面。应用UG NX8.5建立脊柱实体模型,利用软件的实体功能切除部分无用的骶骨实体模型,在C1顶部建立载荷平面,以方便受力情况的设置,使用曲线和草图功能,建立连接椎体之间的钙化韧带模型。完成强直性脊柱炎后凸三维模型的建立。并对该模型进行3D实体打印(见图2)。

图1 CT三维重建和利用建模软件Mimics 17.0建立的三维模型Figure 1 CT 3D reconstruction and 3D model established by modeling software Mimics 17.0

图2 强直性脊柱炎后凸3D打印模型图Figure 2 Kyphosis 3D printed model of ankylosing spondylitis

2 结果

2.1 截骨角度的计算

本研究的计算方法采用肺门-髋轴计算法[9],首先在全脊柱侧位X线片寻找肺门以及髋轴的中点,并在模型上模拟出髋轴中点的位置,测量骨盆入射角PI为35.4°,通过tPT=PI×0.37-7°计算得出tPT为6.98°,在计算机上准确定位肺门的位置,并绕截骨顶点旋转肺门至躯体重力线上,通过上述计算测量得出,在腰2椎体上预截骨角度为:38.9°(见图3)。

2.2 截骨矫形设计方案

在模型腰2椎体上进行模拟脊柱去松质骨截骨,切除范围主要包括椎体后方棘突,上下关节突,椎板,对椎体进行Y形截骨,并对截骨面行后方闭合,前方张开。在模型上进行全脊椎截骨,该术式主要切除截骨椎体,以及截骨椎体节段的椎板,棘突,关节突和横突,最后对切除椎体后空置部分进行钛笼支撑植骨。两种方式截骨角度均选择为38.9°。使用UG NX8.5软件安装内固定,截骨椎体上下各三个椎体安装12枚椎弓根螺钉+钛棒固定(见图4)。

图3 腰2截骨角度的测量Figure 3 Measurement of the waist 2 osteotomy angle

2.3 有限元分析

将建立完成的截骨模型导入有限元分析软件Ansys workbench 15.0中,设置材料参数[10,11](见表1),对模型进行网格划分,加载载荷,计算得出数据。比较不同截骨节段下上下各三个椎体12根椎弓根螺钉+钛棒固定的应力。

A.腰2节段VCD截骨模型 B.VCR截骨模型图4 两种不同方式截骨模型图Figure 4 Two osteotomy models established by two different ways

表1脊椎,椎间盘及韧带材料参数

Table1Parametersofspine,intervertebraldiscandligament

结构弹性模量(MPa)泊松比皮质骨 120000.3松质骨 120000.3椎间盘 120000.3韧带 120000.3螺钉 1.034×1050.35钛棒 1.034×1050.35钛笼 1.034×1050.35

成功建立三维有限元模型,包括椎体,椎间盘及脊柱韧带。VCD截骨模型共划分十节点四面体单元948 874个,1 564 477个节点,VCR截骨模型共划分十节点四面体单元931 969个,1 548 812个节点,通过计算分析得出两种不同截骨方式下椎弓根螺钉、钛棒等效应力,VCD和VCR截骨模型从T11-L(胸11节段左侧)至L5-L(腰5节段左侧)以及钛棒、截骨接触面等效应力见表2、图5、图6。

表2两种不同截骨方式的应力(MPa)

Table2Stressoftwodifferentosteotomymethods(MPa)

项目VCDVCRT11-L40.94618.899T12-L67.2613.133L1-L493.64120.78L3-L304.0591.177L4-L75.35941.979L5-L146.31138.84钛棒391.01109.04截骨接触面等效应力6.722713.318

T11代表第11胸椎、L1代表第1腰椎、L代表左侧

图5 去松质骨截骨术内固定应力示意图Figure 5 Schematic diagram of internal fixation stress of decancellation osteotomy

图6 腰2去松质骨截骨术接触面应力Figure 6 The contact surface stress in waist 2 decancellation osteotomy

3 讨论

目前临床上常用的截骨术包括经椎弓根截骨术(PSO),全脊椎切除截骨术(VCR),去松质骨化截骨术(VCD)。王岩报道了脊柱去松质骨截骨术(vertebral column decancellation,VCD)矫正强直性脊柱炎后凸畸形,该术式的优点是切除椎体后方的骨松质,行截骨断端闭合,前方张开,一方面由于松质骨的切除,使得截骨面皮质骨闭合,更有助于后期骨性融合,而后方闭合及前方张开也有效地减少截骨量。全脊柱切除术(vertebral column resection,VCR)是指完整切除1个甚至多个脊柱节段,包括相邻的椎间盘结构。该手术主要切除预截骨椎体,以及椎体后方的棘突,椎板,关节突和横突,由于前中柱椎体被完全切除,必须对切除位置进行钛笼支撑植骨,保证脊柱的稳定性。由于对椎体以及后方的结构完全切除,故可以达到同时矫正矢状面和冠状面上的畸形的目的。可以用于重度后凸畸形[12,13]。其最大截骨角度均优于另外两种术式。

针对同样的患者,选择不同的截骨术,以及截骨角度和截骨椎体的选择对术后内固定都会产生不同的影响,去松质骨截骨术(VCD)和全脊柱截骨术(VCR)在临床上已应用于后凸畸形的截骨矫形,其矫形疗效的报道也较多,但术后的生物力学的研究却鲜有报道,故本研究初步尝试在两种不同截骨术式下螺钉、钛棒应力分布情况,为临床手术应用提供一定的生物力学基础。

3.1 模型基础

本研究选用强直性脊柱炎并发后凸畸形患者作为研究样本。由于后凸畸形是强直性脊柱炎晚期严重的并发症之一,由于患者不恰当的姿势,导致并发后凸畸形,所以外科手术截骨矫形是唯一能够矫正后凸畸形的有效方法,本研究选择腰2椎体作为研究目标,不仅是因为其椎管容纳的为马尾神经,不易损伤脊髓,还因其能够恢复腰椎生理性前凸,而在临床实践中,腰2椎体也是脊柱外科医师最常选择的截骨椎体之一,故本研究选择腰2椎体作为截骨节段。此外,本研究所建立的模型还具有以下特点:①模型的构建基于CT扫描数据,具有准确度高,力学相似性与几何相似性优等特点；②数据来源于DICOM原始图像,建模过程均由软件完成,尽可能减少人为干预,保证实验结果的准确性；③建立的模型不仅可以进行有限元分析,还可以输入CAD软件进行实体3D打印,实现模型多元化的应用。我们还将骨盆位置性参数纳入截骨角度的预测,通过计算得出科学的结果,并将其应用于本研究中。

3.2 不同截骨节段的比较

本研究结果提示:在横向比较下,腰2椎体VCD截骨方式下的有六个节段椎弓根螺钉和钛棒的等效应力均要高于腰2椎体VCR截骨,其螺钉应力分别为40.946,67.26,493.64,304.05,75.359,146.31 MPa。钛棒等效应力为391.01 MPa。差距最大的为L1节段,差值为372.86 MPa,前者是后者的4.08倍。腰2 VCD左侧钛棒应力是腰2 VCR的3.58倍,两者相差281.97 MPa。从截骨接触面应力比较得出,腰2 VCD截骨方式低于腰2 VCR,分别为6.722 7 MPa与13.318 MPa,后者是前者的1.98倍。纵向比较:两个不同节段截骨螺钉应力均集中于手术截骨椎体上个节段,腰2 VCD手术椎体上下节段螺钉应力为493.64,304.05 MPa,远高于末端的40.946 MPa和146.31 MPa。此外,根据螺钉应力分布图显示发现,应力集中于螺钉颈部,这也符合临床螺钉断裂的实际情况。综合分析可以得出:腰2 VCD的钉棒应力明显是要高于腰2 VCR,两者差距明显,考虑原因主要是由于VCD截骨术切除椎体部分后行后方闭合,前方张开,类似“Y”字形状,而脊柱的稳定性主要来自前柱或者前中柱结构的稳定,恢复前柱稳定性是防止术后内固定失败的重要措施,有研究也表明,在椎体前柱损伤时,由于前柱的不稳定,导致轴向剪切力增加,是造成椎弓根内固定失败的主要力学因素[14]。因此,对于恢复前柱的稳定性对于预防内固定失败显得尤为重要。而本研究中VCD截骨术由于对椎体行“Y”形截骨,导致椎体前柱张开,这就导致出现上述稳定性较差的情况,而VCR截骨术由于是对椎体及其后方的结构全部切除,并使用钛笼对其进行支撑,对重建脊柱的稳定性优于VCD截骨术。这也是导致两者内固定应力差距明显的原因之一。由于VCR手术切除范围大,出血多,神经损伤风险高,同时对术者的技术水平有很高的要求,而对于改良版术式VCD来说,弥补了VCR手术的缺点,其手术切除范围小,出血少,神经并发症也比VCR术式低,这样可减少手术并发症的风险,为此,我们可以考虑对VCD截骨术在前柱张开的情况下,对其张开部分进行植骨融合,这样不仅能够重建脊柱的稳定性,降低内固定失败的并发症,同时还能够汲取VCD术式的优势。由于强直性脊柱炎后凸畸形患者韧带以及椎间盘都已经严重骨化,基本没有活动度,故本研究只选择静态的模型进行研究,未选择屈伸,侧弯,旋转状态下进行研究。

综上所述,首先,传统的截骨术缺乏术前的规划,对截骨角度凭借经验判断,这往往导致矫形不足或者矫形过度,本研究将骨盆位置性参数纳入研究因素,科学地预测截骨角度,对于术后矢状面平衡的重建有重要意义,其次,强直性脊柱炎后凸截骨矫形相关生物力学的研究未见报道,本研究在截骨矫形角度的预测,截骨方式和截骨椎体的选择等方面进行了初步研究,并将相关数据整理分析,有一定的理论指导意义,但考虑到强直性脊柱炎后凸畸形个体差异较大,而本研究仅对于车轮状后凸患者有一定的意义,而针对于其他类型后凸的患者则有待于进一步大量实验样本的验证。