發布時間：2021-04-30所屬分類：醫學論文瀏覽：1次
摘 要： 【摘要】目的：應用三維有限元法分析椎間融合器(cage)沉降對斜外側椎間融合術(obliquelateralinterbodyfusion，OLIF)術后腰椎生物力學的影響。方法：根據1例健康成年人腰椎CT掃描數據構建正常腰椎L3~L5節段三維有限元模型，模擬進行L4/5節段OLIF手術，根據ca
【摘要】目的：應用三維有限元法分析椎間融合器(cage)沉降對斜外側椎間融合術(obliquelateralinterbodyfusion，OLIF)術后腰椎生物力學的影響。方法：根據1例健康成年人腰椎CT掃描數據構建正常腰椎L3~L5節段三維有限元模型，模擬進行L4/5節段OLIF手術，根據cage沉降陷入椎體程度(0、1%~25%、26%~50%、51%~75%、76%~100%)分為5個等級(Grade0、Grade1、Grade2、Grade3、Grade4)，共構建10組模型(單純cage沉降組5組、附加后路雙側椎弓根釘棒固定的釘棒組5組)。固定L5椎體下表面，設定400N的預加載荷于L3椎體上表面，再施加10N·m的力矩來模擬脊柱的前屈、后伸、側屈、旋轉運動。對腰椎在不同生理運動下L4/5節段活動度(rangeofmotion，ROM)、cage應力峰值和內固定釘棒應力峰值進行分析。結果：模型在不同生理運動下L3/4和L4/5椎體的ROM與已發表的尸體研究類似，證明了模型的有效性。對模型施加載荷的6種運動狀態中，沉降組Grade3的ROM最大，cage最大應力峰值發生在Grade2前屈運動時，達到了82.7Mpa，相較Grade0增加了241%。在附加椎弓根釘棒后脊柱ROM及cage應力峰值均減小，尤以Grade2變化最為顯著，與未附加內固定相比，Grade2平均ROM下降了63%，后伸運動下cage應力峰值減小51%。結論：cage沉降對腰椎生物力學影響較大，其中cage沉降51%~75%時脊柱穩定性最差，cage沉降26%~50%時cage進一步塌陷風險最高，附加內固定釘棒后可增加脊柱穩定性并降低沉降風險。
【關鍵詞】斜外側椎間融合術;并發癥;椎間融合器沉降;有限元;生物力學
斜外側椎間融合術(obliquelateralinterbodyfusion，OLIF)因其創傷小、未進入椎管、不破壞椎體后方的支撐組織、手術效果好、術后恢復快等優點，被廣泛用于治療腰椎退變性疾病[1]。單純OLIF(stand-alone)技術已取得良好的臨床療效[2]。然而，腰椎退變性疾病多為老年患者，受患者年齡、骨質條件、椎間隙處理技術的影響，椎間融合器(cage)沉降、移位等并發癥不容忽視。臨床報道融合器沉降導致椎間隙塌陷相關并發癥發生率高達4.4%~68.18%[3]，但cage沉降對脊柱的生物力學特性有何影響卻鮮有報道。本研究通過有限元分析的方法建立不同程度cage沉降模型來定量評估其對脊柱生物力學特性的影響，旨在為臨床應用腰椎OLIF術后出現cage沉降時提供治療指導意見。
1資料和方法
1.1研究對象
選取健康志愿者1名(青年男性，身高176cm，體重69kg)，既往無腰椎創傷、疾病史，通過X線影像學檢查，排除脊柱畸形、骨骼損傷病變。受試者對該實驗知情，并簽署知情同意書。
1.2設備與軟件
1.2.1設備①64排螺旋CT;②仿真計算機，Intel(R)CoerI7-8750HCPU@2.20GHz;③仿真計算機操作系統，Windows10Professional(64bit)。
1.2.2有限元軟件三維建模及有限元分析軟件：①Mimics17，比利時Materialise公司，交互式醫學三維重建軟件，將DICOM圖像進行轉換后對骨骼精準模擬;②Geomagic12，美國Geomagic公司，逆向工程軟件，實現三維輪廓實體化;③Solidworks2016，法國Dassault公司，三維CAD建模軟件，進行三維模型的建立及零部件之間位置關系的裝配;④AnsysWorkbench19.1，美國Ansys公司，通用有限元分析軟件。
1.3方法
采用64排螺旋CT，對志愿者腰椎進行連續掃描，將掃描獲得層厚為0.625mm的二維斷層圖以DICOM格式保存。將905張DICOM格式的文件導入Mimics17.0軟件，利用區域增長，閾值分割等操作截除L3~L5椎體外其他結構，生成L3~L5三維表面模型(圖1)。
將數據信息導入Geomagic軟件進行光滑、去噪、優化曲面等操作生成骨性輪廓，再在SolidWorks軟件構建皮質骨、松質骨和椎間盤的實體模型，生成逆向脊柱幾何實體模型。設定皮質骨厚度為1mm，上下軟骨終板與椎體上下表面無縫對接，終板厚度為0.5mm，椎間盤分為髓核和纖維環，髓核占椎間體積的40%，纖維環由纖維環基質和纖維組成[4]。
椎間融合器系統按照實物進行構建，本研究所用cage及釘棒均為上海三友醫療器械有限公司生產，cage長寬高分別為50mm、18mm、12mm，上下表面有倒齒狀結構。椎弓根螺釘長度40mm,直徑6.5mm，連接棒長度53mm，直徑5.5mm。根據cage及釘棒的參數在建模軟件建立實體幾何模型。
將所建立模型導入ANSYS中進行韌帶重建，包括前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘上韌帶、棘間韌帶、橫突間韌帶、關節囊韌帶。所有韌帶均參考相關文獻精確模擬相關位置結構[5]，韌帶根據其功能采用spring單元模擬，僅承受拉力。生成完整L3~L5三維椎體有限元模型。使用最優單位對模型進行網格劃分，通過網格收斂性分析獲得高質量網格以減少計算誤差，該模型具有638687個節點和407515個元素組成。
參照臨床手術方法，以L4/5為手術責任節段，以椎間盤前后緣為界，將其平均分為4個區，去除2、3區椎間盤置入融合器[6]，融合器為單枚，左側置入。用Solidworks軟件將L3~L5椎體、cage、釘棒按照手術方式進行裝配。依據Marchi等[7]研究，根據融合器沉降入終板不同程度進行分組，按照術后患者直立狀態下平行于終板的側位X線片及CT等影像學資料上cage沉降陷入椎體程度(0、1%~25%、26%~50%、51%~75%、76%~100%)分級(Grade0、Grade1、Grade2、Grade3、Grade4)，共構建10組模型(單純融合沉降組5組、附加后路雙側椎弓根釘棒的釘棒組5組)(圖2、3)。
有限元模型中使用的元素類型和材料特性均根據之前的文獻[8]定義(表1)。將各部位材料的彈性模型、泊松比等材料特性輸入模型，完成模型的建立。模型中所有關節的關節面均定義為contact接觸關系，摩擦系數為0.2，剩余接觸位點設定為綁定關系[9]。
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設置L5椎體底面全自由度固定約束，對L3椎體上表面施加400N的垂直應力和10N·m扭矩的載荷，計算模擬模型在前屈、后伸、左側屈、右側屈、左旋轉、右旋轉6種情形下脊柱不同節段(L3/4及L4/5)活動度(rangeofmotion，ROM)、cage應力及內固定釘棒應力。
2結果
2.1對建立的有限元模型進行有效性驗證
在相同邊界與載荷條件下，對本研究模型進行前屈、后伸、側屈、旋轉等脊柱運動模擬，對所測得L3/4與L4/5的ROM實驗結果與Shim等[10]的尸體研究報告相比較，本研究的數據與文獻差距較小(表2)，證明模型的有效性。
2.2L4/5活動度
各OLIF模型在不同運動狀態下L4/5節段的ROM見圖4。沉降組各有限元模型在不同運動下的ROM值由小到大排列依次為：Grade0、Grade1、Grade4、Grade2、Grade3。其中，Grade3相較于Grade0的ROM增大了70%。釘棒組在前后屈伸運動狀態下，Grade0、Grade1、Grade2、Grade3、Grade4模型較沉降組活動度分別下降63%、71%、76%、78%、69%;左右側屈運動狀態下，Grade0、Grade1、Grade2、Grade3、Grade4模型較沉降組活動度分別下降53%、46%、58%、61%、54%;左右旋轉運動狀態下，Grade0、Grade1、Grade2、Grade3、Grade4模型較沉降組活動度分別下降60%、76%、58%、62%、55%。
2.3cage應力
各模型cage的VonMises應力峰值見圖5，沉降組中cage最大應力出現在Grade2的前屈運動狀態，高達82.7Mpa，相較Grade0增加了241%。在釘棒組中，cage應力峰值明顯小于沉降組，尤以Grade2變化最大，cage應力在前后屈伸運動狀態減少51%(圖6)。左右側屈運動狀態減少24%。左右旋轉運動狀態減少41%。
2.4釘棒系統應力
釘棒系統的VonMises應力峰值均出現在后伸運動狀態下，Grade0～Grade4的應力峰值分別為：98.832Mpa、155.1Mpa、191.37Mpa、104.15Mpa及82.04Mpa。Grade2的應力峰值最大，主要集中在椎弓根螺釘的尾部、連接棒與椎弓根螺釘的交匯處(圖7、8)。
3討論
隨著技術的不斷發展，手術器械逐漸完善，OLIF目前已經被脊柱外科醫生廣泛使用，在鄰椎病、盤源性腰痛、腰椎滑脫、腰椎管狹窄、腰椎節段不穩癥等疾病治療中取得了良好的臨床療效[11]。不同于后路腰椎融合術(posteriorlumbarinterbodyfusion，PLIF)和經椎間孔入路腰椎融合術(transforaminallumberinterbodyfusion，TLIF)，OLIF允許保留后縱韌帶、后側纖維環及雙側小關節，這些結構在生理活動過程中保持著脊柱穩定性[12]，該手術入路是從腰大肌與血管的間隙進入目標椎間盤，腰叢神經損傷和椎旁組織廣泛剝離可以很大程度避免。
以往生物力學[13~15]研究顯示，cage沉降是融合器與骨性結構動態匹配的過程，cage置入后的撐開力量使椎間盤纖維環和前后縱韌帶均處于拉伸狀態，而自身體重及椎旁肌收縮，通過“撐開張力帶效應”可即刻達到術后穩定，側方融合的cage本身可提供較好的節段穩定性，椎間融合器的表面積寬大足以支撐終版，結構的穩定性將是足夠的[7]。因此stand-alone技術可選擇性應用于OLIF手術，臨床上可以降低手術時間、降低醫療成本。但OLIF是基于恢復椎間隙高度，增加椎間孔面積，改善冠狀平衡，以及置入較寬的cage進行間接減壓神經。Marchi等[7]研究表明，高等級的沉降會導致椎間盤塌陷。Zhang等[16]研究證實椎間隙塌陷后會導致繼發性椎管狹窄和椎間孔狹窄。Tempel等[17]納入了行stand-alone側方融合的297例患者(623個節段)，發現融合器下沉是standalone技術術后翻修的一個重要預測因素。因此，預防OLIF術后cage下沉和維持患者術后效果已受到越來越多的關注。
本研究通過三維有限元分析的方法，模擬OLIF術后cage不同程度沉降陷入椎體的情況，分析cage沉降對脊柱的生物力學影響。研究表明，cage沉降顯著增加了脊柱ROM。在沉降組模型中，Grade3模型ROM最大，相較Grade0的ROM增加了148%，提示cage沉降51%~75%時腰椎穩定性最差。Grade4模型較Grade3模型ROM減少，可能是隨著塌陷進行，椎間內容物的空間被壓縮，剛度增加，并且后側關節突關節的支撐作用限制了脊柱的活動度。融合術后腰椎活動度較小提示脊柱穩定性良好，反之若活動度較大，則融合節段及相鄰階段穩定性較差。cage應力可以間接反應上下終板受力情況，Grade2模型在脊柱前屈運動下cage的VonMises應力峰值最大，提示在cage沉降26%~50%情況下，上下終板受到的反作用力最大，進一步塌陷風險明顯增加。高應力負荷可能會加速疲勞并增加后置器械中螺釘松動和固定失敗的風險，這將嚴重影響結構的穩定性[9]。Andrea等[18]研究表明，cage與椎體間的界面必須要有足夠的強度以抵抗較大的體內負荷，以防止置入物沉降。在相同的載荷下，釘棒組模型ROM最小、cage應力最小，表明附加內固定釘棒將上下椎體間活動限制后，可以顯著增加固定節段穩定性，并降低了融合器的應力，與劉進平等[19]觀點一致。椎間隙的塌陷取決于多種因素，這些因素與患者骨密度低下[20]，終板過度準備，術中終板損傷，多階段融合，使用過小cage和椎間隙過度撐開有關，這些情況下應輔助椎弓根釘棒固定。雙側椎弓根螺釘可以增加剛度，限制運動以幫助融合過程，并保護間接減壓[11]。斜外側椎間融合術多應用于發生脊柱退行性改變的中老年患者，中老年骨質及骨量整體上較青年薄弱，術前需對患者進行骨密度測定。劉磊等[21]研究發現，合并骨質疏松的腰椎退變性疾病患者行腰椎融合術后易發生融合器沉降。Tempel等[22]研究發現，對于骨密度T值<-1.0SD的患者行stand-alone技術具有較高的融合器沉降發生率和再手術率，因此，建議對骨密度T值<-1.0SD的患者附加后路內固定。
本研究的基礎是依據側位X線片上不同程度cage沉降分組進行探討，是對脊柱矢狀面層面cage塌陷的分析，在冠狀面層面cage的沉降多由于術中終板損傷及cage不平行插入椎間隙導致，可能造成終板受力不平衡，脊柱穩定性下降，局部應力集中等情況，針對冠狀面層面的融合器沉降有待于進一步研究。——論文作者：郝家齊，王永峰，原杰，徐朝健，秦一川，呂杰
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