单侧与双侧经皮椎弓根螺钉固定融合术治疗退行性腰椎不稳症的有限元分析

刘艺，陈金传，程辰，李虎，吕游，储朝明，孙鹏浩

(1 连云港市第一人民医院，江苏连云港222000；2 连云港市中医院；3 徐州医科大学研究生学院)

腰椎不稳症是指由于各种因素引起腰椎运动节段刚度下降，导致正常生理负荷下腰椎活动范围超过正常，引起脊柱进行性畸形、神经损害等改变，以退行性腰椎不稳症最为多见[1]。随着脊柱椎间融合器(Cage)和内固定材料的日益成熟，后路减压内固定融合术已成为治疗退行性腰椎不稳症的主要方法[2]。然而传统开放手术需广泛剥离椎旁肌肉及周围组织，易导致术后腰背肌力量减弱，引发顽固性疼痛。近几年，微创理念逐渐深入脊柱外科，经皮椎弓根螺钉固定融合术已逐步受到业内学者青睐。由于常规双侧经皮椎弓根螺钉固定融合术存在手术时间长、费用昂贵、固定过于坚强等缺陷，单侧经皮椎弓根螺钉固定融合术开始被应用于临床。李瑞龙等[3]认为，单侧经皮椎弓根螺钉固定融合术治疗胸腰椎骨折可快速矫正后凸畸形，改善神经功能，但缺乏相应的生物力学研究。有限元分析是把物体整个结构看作有限个单元依靠不同的节点相互连接而成的几何实体，每个小单元的力学特性的总体效果可反映出结构的整体力学性能，是一种以能量原理为理论依据、借助位移法的解题思路、采用矩阵代数表达方式的研究方法。本研究旨在利用有限元分析方法创建L3～S1椎体节段模型，分别模拟单侧和双侧经皮椎弓根螺钉固定融合术，通过比较不同载荷下两种术式相邻节段椎间盘、关节突关节、椎弓根螺钉、Cage的应力峰值及L4椎体位移情况，探讨两种术式对固定节段的稳定性及对相邻节段的影响，进而为临床治疗退行性腰椎不稳症术式的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 L3～S1椎体三维有限元模型的建立 选取健康成年男性志愿者1例(27岁，身高172 cm，体质量65 kg)，既往无腰椎外伤及腰腿痛病史。采用64排螺旋CT机(美国GE公司)从L3椎体上缘至S1椎体下缘逐层连续扫描，层厚0.625 mm，将扫描获得的数据以DICOM格式导入有限元分析软件Mimics 13.0软件(比利时Materialise公司)，建立L3～S1椎体三维有限元模型，见图1。

图1 L3～S1椎体三维有限元模型

1.2 L4～L5椎体单侧及双侧经皮椎弓根螺钉固定融合术固定模型的建立及网格优化 将AutoCAD2007软件绘制好且存储为STL格式的4枚椎弓根螺钉(6 mm×55 mm)、2根连接棒(6 mm×50 mm)及1枚Cage(10 mm×15 mm×22 mm)数据导入Mimics 13.0软件，通过旋转、平移，模拟L4～L5椎体单侧(左侧)及双侧经皮椎弓根螺钉固定融合术，建立单侧固定模型M1和双侧固定模型M2。利用Mimics 13.0软件中的FEA模块，对每个模型的各个部分进行面网格的优化，然后对模型的各个部分进行非流行装配合使它们之间有共同的界面，进而结合面网格的边长使模型生成体网格。其中M1包括L3～S1椎体、2个椎间盘、2枚椎弓根螺钉、1枚Cage和1根连接棒，共609567个结点、416092个单元；M2包括L3～S1椎体、2个椎间盘、4枚椎弓根螺钉、1枚Cage和2根连接棒，共627844个结点、425456个单元。

1.3 模型赋材质 在Mimics软件中利用FEA模块的material功能，根据骨骼结构的CT值应用相关经验公式分级定义脊柱骨性结构的弹性模量和泊松比，将最大级别的弹性模量定义为12 000 Mpa以表示皮质骨，所有骨质结构的泊松比全部定义为0.29。椎间盘、椎弓根螺钉和Cage的赋材质及添加韧带(棘间韧带、棘上韧带、黄韧带、横突间韧带、前纵韧带、后纵韧带)在Ansys软件中完成。模型各结构材料属性见表1。

表1 椎体三维有限元模型各结构的材料属性

1.4 不同载荷下相邻节段椎间盘、关节突关节、椎弓根螺钉、Cage的应力峰值及L4椎体位移检测 将S1椎体下表面固定，向L3椎体上表面施加负荷，压力方向垂直向下，大小相当于成人体质量的2/3(50 kg，取500 N)，均匀分布在整个L3椎体上终板；同时在L3椎体上表面施加15 N·m的前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转力矩，模拟腰椎前屈、后伸、侧屈和旋转等生理活动，测量垂直、垂直+屈曲、垂直+背伸、垂直+左侧屈、垂直+右侧屈、垂直+左旋转、垂直+右旋转等7种力矩载荷下相邻节段(L3/L4、L5/S1)椎间盘、关节突关节、椎弓根螺钉、Cage的应力峰值及L4椎体位移。

2 结果

2.1 不同载荷下相邻节段椎间盘、关节突关节应力峰值比较 如表2所示，与M1相比，M2不同载荷下相邻节段(L3/L4、L5/S1)椎间盘应力峰值、关节突关节应力峰值均升高(P均<0.05)。

表2 不同载荷下相邻节段椎间盘、关节突关节应力峰值比较

注：与M1相比，△P<0.05。

2.2 不同载荷下椎弓根螺钉、Cage应力峰值比较 如表3所示，不同载荷下M1、M2椎弓根螺钉应力峰值、Cage应力峰值无显著性差异(P均>0.05)。

表3 不同载荷下椎弓根螺钉、Cage应力峰值比较

2.3 不同载荷下L4椎体位移比较 如表4所示，不同载荷下M1、M2 L4椎体位移无显著性差异(P均>0.05)。

表4 不同载荷下L4椎体位移比较(mm)

3 讨论

随着社会老龄化趋势日益严重，临床上退行性腰椎不稳症所致腰痛患者不断增多，重建脊柱矢状面平衡及恢复脊柱稳定性是目前基本治疗原则，但常规腰椎后路减压植骨融合内固定术有手术创伤大、出血多、椎旁肌肉韧带复合体剥离广泛、术后卧床时间长及邻近节段退变加速等缺陷。近几年，微创手术逐渐成为脊柱外科发展的重要趋势。Park等[4]比较了微创经通道和传统开放的腰椎后路融合术的术后影像资料，发现椎间隙的撑开和椎体高度的保持上差异无统计学意义，且微创手术患者术后恢复快，可早期下床活动。与传统手术相比，本研究模拟的经皮椎弓根螺钉固定融合术具有手术切口小、出血少、腰骶肌肉剥离范围小、术后恢复快等优点，符合现代脊柱微创发展的理念，且单侧入路减少了椎旁肌肉软组织的损伤，保留了非手术侧的稳定性。

有限元法是数值计算中的一种离散化方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的应用。Belytchko等[5]在1973年首次将有限元法应用于脊柱生物力学研究；Bay等[6]利用有限元法测量了椎体中的应力分布，建模形象生动、精确度高；Chosa等[7]运用有限元法可重复性好和可比性强的特点，对比分析L3～L5节段后外侧融合术和后路椎间融合术的应力特点。有限元法不仅能逼真的模仿椎骨、椎间盘，还能将周围的肌肉、韧带加入模型，为建立保留肌肉韧带复合体的经皮椎弓根内固定模型创造了条件。本研究根据正常成年人L3～S1椎体CT扫描数据，建成了L4～L5节段椎体单侧和双侧椎间Cage融合内固定的三维有限元模型，使其具有以下特点：①假定L4～L5节段椎间不稳，这样的骨骼密度与周围软组织层次分明，提取方便，层厚设定为0.625 mm，使信息丢失更小。②建模网格优化时，建成M1共609 567个结点、416 092个单元，M2共627 844个结点、425 456个单元，比既往文献报道[8]的腰椎不同融合术式有限元模型网格划分更细，结点、单元更多，计算结果更准确。③建模中完整添加各节段周围韧带，并赋予其原有生物材料特性，可更真实的模拟L4～L5椎节段经皮椎弓根螺钉内固定术。

在融合椎间节段的上下相邻节段出现的退变称为邻近节段退变[11]。本研究结果显示，与M1相比，M2不同载荷下相邻节段椎间盘、关节突关节应力峰值均升高，可见单侧固定更能缓解邻近节段的应力。多数学者[12]认为，脊柱内固定术后邻近节段代偿性活动度增加是导致邻近节段退变的主要原因。因此，我们认为单侧固定强度较小，使邻近节段代偿活动减小，邻近节段退变风险也相应减小。Shono等[13]也指出，过度坚强的内固定可加速邻近节段的退变，适当的控制内固定强度可降低应力遮挡效应，有利于椎间植骨区融合。

在椎弓根螺钉应力方面，本实验模拟钛合金的内固定系统，有较好的钉-骨界面，并且弹性模量和泊松比接近人体骨骼的属性，减少了螺钉的扭转应力，增强了螺钉的固定强度，能够减少螺钉的折断率。我们还发现，在不同载荷下，单侧经皮椎弓根螺钉应力值与双侧比较无明显差异，表明M1与M2一样为脊柱重建稳定性提供足够的强度。陈志朋等[10]认为单侧椎弓根钉固定虽比双侧强度和刚度较小，但已超过正常的腰椎，足以达到椎间融合所需的力学环境。在椎间Cage应力方面，虽然在不同载荷下，M1 Cage应力较M2更高，但差异无统计学意义，术中没有因为单双侧固定的不同给椎间Cage带来很大的差别，因此单侧固定并不影响椎间Cage的应力分布。

本研究还通过测量模型的位移来评价不同载荷下脊柱融合节段的稳定性，即测定不同载荷下L4椎体的位移。研究结果显示，不同载荷下M1、M2 L4椎体位移情况无显著性差异，说明无论单侧固定还是双侧固定，均能为融合提供相同的初始稳定性，这与Chen等[14]在体外的生物力学试验结果一致。

综上所述，单侧经皮椎弓根螺钉固定融合术治疗退行性腰椎不稳症能够跟双侧固定一样给脊柱融合提供相同的初始稳定性，且避免对椎旁肌肉、软组织的损伤，减少内固定物的应力遮挡、减少对邻近节段退变的影响。因此，我们认为单侧经皮椎弓根螺钉固定融合术理论上是微创经椎间孔腰椎间融合固定的较好技术。但本实验因为建模技术不熟练、内固定材料与实物的差距等原因，可能会使结果产生一定的误差，有待改进及重复验证。同时，本实验为模拟性手术，需要临床及标本生物力学的进一步验证。