有限元法分析腰椎融合与非融合后的应力分布

刘 潇，刘耀升，刘蜀彬(军事医学研究院附属医院(解放军第307医院)骨科，北京市 100071)

文题释义：腰椎融合技术：经长期实验发现，椎体融合后存在腰部活动受限和生物力学改变，腰椎融合节段丧失运动功能导致腰椎不稳、假关节形成、邻近节段加速退变，出现继发性腰椎管狭窄、椎体滑脱甚至术前症状复发。手术相邻节段椎间盘退变加速是脊椎融合后有争议的术后并发症。由于椎体融合改变了脊柱原有的结构及活动分配方式，导致脊柱屈伸、旋转及力学分配发生显著改变，相邻节段活动度代偿性增大，应力集中于相邻节段椎间盘和关节突关节，促使其发生退变。尤其对于多节段融合的患者而言风险更大。腰椎非融合技术：这种术式的设计理念旨在保留固定节段的正常生理活动度，术中不采取植骨融合，利用动态内固定系统有效维持脊柱稳定性，以达到治疗目的的同时延缓邻近节段的退变。

摘要

背景：目前临床治疗腰椎退行性变仍以传统椎体融合术式为主，近年来椎体非融合手术发展迅速，两种术式对腰椎应力的影响值得进一步研究。目的：通过有限元分析法探索退变腰椎载荷分布及腰椎退变的机制，并对比分析融合与非融合术后腰椎的应力分布及两种手术对退变腰椎的改善情况。方法：基于 CT 图像分别建立正常、腰椎间盘突出退变、融合术后及非融合术后 4 组腰椎的有限元模型，利用 workbench 17.0 模拟 4 组模型分别处于中立位、侧屈位、屈曲位及旋转位时的受力，并进行静力学有限元分析。结果与结论：①通过对退变腰椎有限元分析发现，椎间盘应力主要集中在纤维环后侧，当纤维环变性时在应力作用下特易变薄，从而影响腰椎稳定性；②对比 4 组腰椎的有限元分析结果后发现，非融合术腰椎的有限元结果更接近正常腰椎，因而采用非融合方案对退变腰椎的修复效果更佳。

关键词：骨科植入物；数字化骨科；脊柱植入物；腰椎；退变模型；融合；非融合；有限元分析；生物力学；应力；腰椎稳定性

主题词：腰椎；脊柱融合术；有限元分析；生物力学；组织工程

0 引言Introduction

腰椎间盘是腰椎椎体之间的韧性连接组织，是脊柱运动节段的组成部分，它使脊柱获得一定程度的活动范围并起到传递和分布载荷的作用[1]。由于腰椎间盘是一个集载荷承载、传递和分布的多功能体，使得其较易发生退变[2]。腰椎退变是骨科的常见病、多发病，其中椎间盘退变、终板退变、纤维环退变对下腰椎生物力学的影响最为重要[3]。腰椎退行性疾病是引起成人腰痛的主要原因，治疗腰椎不稳和下腰痛的最主要的方法是脊柱融合术，其中腰椎后正中入路减压、融合、坚强内固定已经成为治疗的“金标准”[4-5]。然而经长期实验发现，椎体融合后存在腰部活动受限和生物力学改变，腰椎融合节段丧失运动功能导致腰椎不稳、假关节形成、邻近节段加速退变，出现继发性腰椎管狭窄、椎体滑脱甚至术前症状复发[6-7]。很多椎间融合后患者遗留一定程度的腰背部疼痛，这种疼痛常见的原因是手术相邻节段椎间盘退变。手术相邻节段椎间盘退变加速是脊椎融合后有争议的术后并发症。由于椎体融合改变了脊柱原有的结构及活动分配方式，导致脊柱屈伸、旋转及力学分配发生显著改变，相邻节段活动度代偿性增大，应力集中于相邻节段椎间盘和关节突关节，促使其发生退变[8-10]。尤其对于多节段融合的患者而言风险更大[11]。近年来越来越多学者开始对腰椎融合在腰椎退行性疾病手术治疗中的地位和作用产生质疑[12-13]。原因是腰椎融合术后临床满意率远低于融合本身的成功率[14-15]。其局限性促使着专家学者们不断的探索出一种新的术式——非融合技术。腰椎非融合技术近年来不断涌现并用于临床，这种术式的设计理念旨在保留固定节段的正常生理活动度，术中不采取植骨融合，利用动态内固定系统有效维持脊柱稳定性，以达到治疗目的的同时延缓邻近节段的退变[16-18]。对于这两种术式对于腰椎的影响，若从力学角度来解释将会更有说服力。Schmoelz等[19]通过传统生物力学的方法，利用捐赠者尸体脊柱做了一系列体外实验来研究采取不同固定方式后，分别处于中立位、中立位向伸展改变、中立向屈曲改变及轴向旋转时椎间盘压力的变化情况。Rohlmann等[20]通过有限元研究同样发现屈伸、侧屈、扭转力矩载荷条件下，轻度椎间盘退变模型腰椎活动节段刚度降低、旋转角度增加，中、重度退变模型腰椎活动节段刚度增加，旋转角度减小。传统生物力学只能获得某点的应力情况，无法直观的看到椎间盘内部应力分布情况，有限元分析法却可以做到。文章基于CT图像建立了正常志愿者、腰椎间盘突出退变患者、融合术后患者及非融合术后患者腰椎的三维有限元模型，通过观察腰椎间盘突出退变患者的应力分布情况，从力学角度了解腰椎退变的病变机制；同时对比分析4组腰椎的应力分布情况，探讨这两种手术方式对退变腰椎应力分布的影响。1 对象和方法 Subjects and methods1.1 设计 三维有限元，对比观察试验。 1.2 时间及地点 于2016年8月至2017年6月在解放军307医院骨科完成。 1.3 对象 3名志愿者来自骨科病房患者，另外1名为健康志愿者，性别均为男性，年龄30-40岁。腰椎间盘突出退变患者为36岁男性，未行手术治疗。腰椎融合术后患者为38岁腰椎间盘突出男性患者，行腰椎融合术后近1年。腰椎非融合术后患者为38岁男性患者，行腰椎非融合术后36个月。所有入选对象均对试验方案知情同意，且得到医院伦理委员会批准。 1.4 方法1.4.1 有限元分析模型的建立 将正常、腰椎间盘突出退变后、融合术后以及非融合术后4名志愿者的腰椎CT断层图 像 以 DICOM 格 式 输 出 ， 然 后 倒 入 Mimics 17.0(Materialise公司，比利时)中根据各组织结构的灰度值，利用阈值分割法对所需部位进行图像分割，然后建立三维模型。将所建三维模型以STL格式文件输出后导入到逆向工程软件Geomagic Studio12 (Geomagic公司，美国)中，对模型进行降噪、平滑、铺面等处理之后，使用网格医生命令分析和修复多边形网格，根据模型的实际情况，选择修复区域和命令。然后进入精准曲面模块中，经过提取模型轮廓线、构造曲面片、构造格栅、拟合曲面得到有限元分析所需的实体模型，并以STP格式输出，见图1。

图 1 各组腰椎三维模型 图注：图 A 为正常志愿者脊椎模型；B 为腰椎间盘突出退变患者脊椎模型；C 为融合术后患者脊椎模型；D 为非融合术后患者脊椎模型。

1.4.2 模型有限元分析 划分网格：将所得模型导入hypermesh 12.0对模型进行网格划分，椎骨、椎间盘、钉子、钛棒及聚醚醚酮棒采用10节点四面体网格单元，选用solid92单元，椎骨选用的网格尺寸为2 mm，而其他选用的网格尺寸为1 mm，腰椎退变患者跟非融合术后患者的腰椎有限元模型见图2。

图注：图 A 为腰椎腰椎间盘突出退变患者的脊椎模型；B 为非融合术后患者的脊椎模型。材料参数：假设腰椎各部分为各向同性的线弹性材料，而且材料是均匀的，髓核也被设置为不可压缩的固体材料[21-22]。具体材料参数见表1。

边界条件设置及加载：

材料赋值完成后,将模型导入workbench17.0中进行有限元分析｡首先,要对椎体以及椎间盘之间进行接触设置｡将椎体与纤维环､椎体与髓核､纤维环与髓核之间做bonded接触,而上下椎体的棘突之间的接触设置为noseparation接触,螺钉与钛棒､螺钉与椎体､螺钉与聚醚醚酮棒之间的接触设置为bonded接触｡

分别模拟腰椎处于中立位、侧屈位、屈曲位以及扭转状态下时，腰椎术后相邻节段椎间盘的应力分布情况。首先将L5下表面完全固定约束，而非融合模型则是将骶骨下表面完全固定约束；中立位时，在L1上表面施加400 N竖直向下的压力；而当侧屈、屈曲及扭转时，在L1上表面分别施加对应方向上10 N·m的力矩，然后求解。 1.5 主要观察指标 各组模型在不同状态下整体、L4-5、L3-4之间的椎间盘的应力分布及等效应力值。2 结果 Results 2.1 腰椎退变患者腰椎应力分布情况 腰椎退变患者的腰椎、L3-4及L4-5的应力分布状况见图3。从腰椎间盘突出退变患者的椎间盘应力分布情况来看，应力主要集中在椎间盘后半部分。当腰椎开始退变之后，出现椎间盘变性，再加上应力长期集中在椎间盘后半部分使得椎间盘失去原来的厚度，便出现了腰椎不稳的现象。

2.2 融合与非融合术后对腰椎改善情况对比 各组模型在不同状态下整体、L4与L5之间的椎间盘及L3与L4之间的椎间盘的等效应力值见图4-6。通过分析对比各组腰椎整体的应力分布情况，L4与L5之间椎间盘的应力分布情况，以及L3与L4之间椎间盘的应力分布情况，发现非融合术后患者的应力分布情况与正常志愿者的应力分布情况更为接近。

3 讨论 Discussion 腰椎融合术后，邻近节段活动范围代偿性加大、间盘内压力增高、小关节的负荷增大， 这些因素加速邻近节段椎间盘的退变，导致邻近节段椎管狭窄、继发性脊椎滑脱、椎间不稳等，使患者术前的症状复发或者出现新的症状，其发生率约为34%[23-24]。因此，各国学者都在探索新的手术方法来代替腰椎融合术，以降低邻近节段退变的发生[25-26]，学者们对于腰椎手术更倾向于腰椎功能的重建，而不是坚强的固定来提高融合成功率。在本文中选择4名年龄相仿、性别相同的志愿者为试验对象，尽可能减少其他因素导致的偏差对后期腰椎建模的影响，增加试验结果的可信度。目前随着人们对脊柱疾病认识的不断深入，也相应提高了对其力学研究的要求，脊柱及其椎体具有非对称的复杂外形，组成的物质亦不均匀，因此其生物力学特性难以分析。对于脊柱腰段的功能解剖学研究一直是解剖学、生物力学和临床医学的研究重点[27-28]。建立在解剖学水平上的精确三维模型，是了解骨骼内应力分布情况的关键。 本次试验利用CT扫描图像, 结合专业的逆向工程软件Mimics，进行脊柱腰椎段的三维重建。本文分别基于正常、腰椎间盘突出退变后、融合术后以及非融合术后的4名志愿者的CT断层图像，对图像进行分割，降噪、平滑、铺面等处理后，修复多边形网格，选择构造曲面片、格栅、拟合曲面等建立了精确的腰椎模型，以STP格式输出后对模型进行网格划分和材料赋值，使之与真实的腰椎模型有着高度相似性，从而构造了对应的有限元模型，所建模型可以做到精确、有效，可以对有限元模型进行生物力学相关计算。这里作者做了一定的假设，假设腰椎各部分为各向同性的线弹性材料，并且是均匀的，这可能与现实人体有一定差异，而后结合人体实际情况施加边界条件以及载荷，模拟了处于中立位、侧屈位、屈曲位以及旋转时腰椎的受力情况，对其观察结果等效应力值进行分析，就椎间盘突出退变腰椎的应力分布情况而言，作者观察到椎间盘应力主要集中在椎间盘后半部分，再加上椎间盘的变性使得椎间盘变薄，从而影响腰椎稳定性，从力学的角度来进一步解释了腰椎的退变机制。 腰椎非融合技术是近年来发展起来的治疗腰椎退变疾病的新手段，现已广泛运用于临床中，并有着明显高于传统的椎体融合技术的早中期临床效果。其设计理念是在保留腰椎手术节段的部分活动度的同时维持其稳定性，从而将手术节段的活动限制在正常范围内，避免异常载荷的产生[29-30]，还可以限制相邻节段的非生理活动，对于病变节段及周围节段均起到良好的保护作用，并且避免植骨融合带来的相关并发症[31]。非融合技术希望通过植入物产生一个更符合生理功能的腰椎负荷模式，保留固定节段的部分活动度。 本试验中对比4组腰椎及椎间盘在中立位、侧弯位、屈曲位、旋转位时的等效应力值，发现L3-4在中立位、侧弯位、屈曲位、旋转位时的整体效应力值由大到小依次为正常志愿者、非融合术后患者、融合术后患者、腰椎间盘突出退变患者。L4-5在中立位、侧弯位、屈曲位、旋转位时的整体效应力值由大到小依次为正常志愿者、非融合术后患者，融合术后患者、腰椎间盘突出退变患者。从而可以看出非融合术后的腰椎应力分布情况比融合术后腰椎更为接近正常腰椎。 脊柱非融合技术是未来的发展趋势之一，经椎弓根后路非融合技术在近十几年来在已取得了长足的进步，随着生物力学、三维有限元技术及临床数据采集分析等方法广泛运用于该技术的研究，固定技术也从坚强内固定发展为半坚强内固定。随着对非融合动态固定技术研究的深入和内固定器械的改进，未来的非融合固定系统会朝着恢复脊柱生理性稳定和进一步提高优良率的方向发展。文献资料显示腰椎非融合动态固定技术较腰椎融合技术具有优越性，但其也有自身的一些缺点[32]，如螺钉松动、弹性棒断裂，除此之外还存在植骨块吸收、融合器松动后移、融合器沉陷等问题[33-42]。如何能够研制出符合人们期望的腰椎动态固定装置将会是广大脊柱外科专家们今后共同努力的方向。 与传统生物力学实验相比，本次试验有着试验时间短，试验成本低，混杂因素较少而且可以从任意角度观察腰椎的应力分布情况等优点。但是，由于当前科研水平限制，在试验过程中作者做了诸多简化与假设，如对于腰椎各个部分的材料假设是均质的、各向同性的、线弹性的，以及髓核假设为不可压缩的固体，这与实际情况都是不符的，这样看来应力结果的准确度不如传统生物力学。人体脊柱由骨、韧带、邻近肌肉及其他组织组成，本试验仅仅保留了骨结构，而忽略了其他因素对腰椎受力的影响。本次建模未对脊柱周围肌肉等组织进行建模，故人体在不同体位下的受力真实性有一定影响。因采用个体样本，统计分析只是软件分析而非总样本量分析，试验结果可信度有待提高。所以还需要不断努力，不断寻找更好的定义材料参数的方法，扩大样本量，为脊柱多节段建模，增加内固定对相邻节段影响的代表性，使得试验结果更接近真实。  参考文献：略

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