发布时间：2021-04-30所属分类：医学论文浏览：1次
摘 要： 【摘要】目的：应用三维有限元法分析椎间融合器(cage)沉降对斜外侧椎间融合术(obliquelateralinterbodyfusion，OLIF)术后腰椎生物力学的影响。方法：根据1例健康成年人腰椎CT扫描数据构建正常腰椎L3~L5节段三维有限元模型，模拟进行L4/5节段OLIF手术，根据ca
【摘要】目的：应用三维有限元法分析椎间融合器(cage)沉降对斜外侧椎间融合术(obliquelateralinterbodyfusion，OLIF)术后腰椎生物力学的影响。方法：根据1例健康成年人腰椎CT扫描数据构建正常腰椎L3~L5节段三维有限元模型，模拟进行L4/5节段OLIF手术，根据cage沉降陷入椎体程度(0、1%~25%、26%~50%、51%~75%、76%~100%)分为5个等级(Grade0、Grade1、Grade2、Grade3、Grade4)，共构建10组模型(单纯cage沉降组5组、附加后路双侧椎弓根钉棒固定的钉棒组5组)。固定L5椎体下表面，设定400N的预加载荷于L3椎体上表面，再施加10N·m的力矩来模拟脊柱的前屈、后伸、侧屈、旋转运动。对腰椎在不同生理运动下L4/5节段活动度(rangeofmotion，ROM)、cage应力峰值和内固定钉棒应力峰值进行分析。结果：模型在不同生理运动下L3/4和L4/5椎体的ROM与已发表的尸体研究类似，证明了模型的有效性。对模型施加载荷的6种运动状态中，沉降组Grade3的ROM最大，cage最大应力峰值发生在Grade2前屈运动时，达到了82.7Mpa，相较Grade0增加了241%。在附加椎弓根钉棒后脊柱ROM及cage应力峰值均减小，尤以Grade2变化最为显著，与未附加内固定相比，Grade2平均ROM下降了63%，后伸运动下cage应力峰值减小51%。结论：cage沉降对腰椎生物力学影响较大，其中cage沉降51%~75%时脊柱稳定性最差，cage沉降26%~50%时cage进一步塌陷风险最高，附加内固定钉棒后可增加脊柱稳定性并降低沉降风险。
【关键词】斜外侧椎间融合术;并发症;椎间融合器沉降;有限元;生物力学
斜外侧椎间融合术(obliquelateralinterbodyfusion，OLIF)因其创伤小、未进入椎管、不破坏椎体后方的支撑组织、手术效果好、术后恢复快等优点，被广泛用于治疗腰椎退变性疾病[1]。单纯OLIF(stand-alone)技术已取得良好的临床疗效[2]。然而，腰椎退变性疾病多为老年患者，受患者年龄、骨质条件、椎间隙处理技术的影响，椎间融合器(cage)沉降、移位等并发症不容忽视。临床报道融合器沉降导致椎间隙塌陷相关并发症发生率高达4.4%~68.18%[3]，但cage沉降对脊柱的生物力学特性有何影响却鲜有报道。本研究通过有限元分析的方法建立不同程度cage沉降模型来定量评估其对脊柱生物力学特性的影响，旨在为临床应用腰椎OLIF术后出现cage沉降时提供治疗指导意见。
1资料和方法
1.1研究对象
选取健康志愿者1名(青年男性，身高176cm，体重69kg)，既往无腰椎创伤、疾病史，通过X线影像学检查，排除脊柱畸形、骨骼损伤病变。受试者对该实验知情，并签署知情同意书。
1.2设备与软件
1.2.1设备①64排螺旋CT;②仿真计算机，Intel(R)CoerI7-8750HCPU@2.20GHz;③仿真计算机操作系统，Windows10Professional(64bit)。
1.2.2有限元软件三维建模及有限元分析软件：①Mimics17，比利时Materialise公司，交互式医学三维重建软件，将DICOM图像进行转换后对骨骼精准模拟;②Geomagic12，美国Geomagic公司，逆向工程软件，实现三维轮廓实体化;③Solidworks2016，法国Dassault公司，三维CAD建模软件，进行三维模型的建立及零部件之间位置关系的装配;④AnsysWorkbench19.1，美国Ansys公司，通用有限元分析软件。
1.3方法
采用64排螺旋CT，对志愿者腰椎进行连续扫描，将扫描获得层厚为0.625mm的二维断层图以DICOM格式保存。将905张DICOM格式的文件导入Mimics17.0软件，利用区域增长，阈值分割等操作截除L3~L5椎体外其他结构，生成L3~L5三维表面模型(图1)。
将数据信息导入Geomagic软件进行光滑、去噪、优化曲面等操作生成骨性轮廓，再在SolidWorks软件构建皮质骨、松质骨和椎间盘的实体模型，生成逆向脊柱几何实体模型。设定皮质骨厚度为1mm，上下软骨终板与椎体上下表面无缝对接，终板厚度为0.5mm，椎间盘分为髓核和纤维环，髓核占椎间体积的40%，纤维环由纤维环基质和纤维组成[4]。
椎间融合器系统按照实物进行构建，本研究所用cage及钉棒均为上海三友医疗器械有限公司生产，cage长宽高分别为50mm、18mm、12mm，上下表面有倒齿状结构。椎弓根螺钉长度40mm,直径6.5mm，连接棒长度53mm，直径5.5mm。根据cage及钉棒的参数在建模软件建立实体几何模型。
将所建立模型导入ANSYS中进行韧带重建，包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带、关节囊韧带。所有韧带均参考相关文献精确模拟相关位置结构[5]，韧带根据其功能采用spring单元模拟，仅承受拉力。生成完整L3~L5三维椎体有限元模型。使用最优单位对模型进行网格划分，通过网格收敛性分析获得高质量网格以减少计算误差，该模型具有638687个节点和407515个元素组成。
参照临床手术方法，以L4/5为手术责任节段，以椎间盘前后缘为界，将其平均分为4个区，去除2、3区椎间盘置入融合器[6]，融合器为单枚，左侧置入。用Solidworks软件将L3~L5椎体、cage、钉棒按照手术方式进行装配。依据Marchi等[7]研究，根据融合器沉降入终板不同程度进行分组，按照术后患者直立状态下平行于终板的侧位X线片及CT等影像学资料上cage沉降陷入椎体程度(0、1%~25%、26%~50%、51%~75%、76%~100%)分级(Grade0、Grade1、Grade2、Grade3、Grade4)，共构建10组模型(单纯融合沉降组5组、附加后路双侧椎弓根钉棒的钉棒组5组)(图2、3)。
有限元模型中使用的元素类型和材料特性均根据之前的文献[8]定义(表1)。将各部位材料的弹性模型、泊松比等材料特性输入模型，完成模型的建立。模型中所有关节的关节面均定义为contact接触关系，摩擦系数为0.2，剩余接触位点设定为绑定关系[9]。
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设置L5椎体底面全自由度固定约束，对L3椎体上表面施加400N的垂直应力和10N·m扭矩的载荷，计算模拟模型在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转6种情形下脊柱不同节段(L3/4及L4/5)活动度(rangeofmotion，ROM)、cage应力及内固定钉棒应力。
2结果
2.1对建立的有限元模型进行有效性验证
在相同边界与载荷条件下，对本研究模型进行前屈、后伸、侧屈、旋转等脊柱运动模拟，对所测得L3/4与L4/5的ROM实验结果与Shim等[10]的尸体研究报告相比较，本研究的数据与文献差距较小(表2)，证明模型的有效性。
2.2L4/5活动度
各OLIF模型在不同运动状态下L4/5节段的ROM见图4。沉降组各有限元模型在不同运动下的ROM值由小到大排列依次为：Grade0、Grade1、Grade4、Grade2、Grade3。其中，Grade3相较于Grade0的ROM增大了70%。钉棒组在前后屈伸运动状态下，Grade0、Grade1、Grade2、Grade3、Grade4模型较沉降组活动度分别下降63%、71%、76%、78%、69%;左右侧屈运动状态下，Grade0、Grade1、Grade2、Grade3、Grade4模型较沉降组活动度分别下降53%、46%、58%、61%、54%;左右旋转运动状态下，Grade0、Grade1、Grade2、Grade3、Grade4模型较沉降组活动度分别下降60%、76%、58%、62%、55%。
2.3cage应力
各模型cage的VonMises应力峰值见图5，沉降组中cage最大应力出现在Grade2的前屈运动状态，高达82.7Mpa，相较Grade0增加了241%。在钉棒组中，cage应力峰值明显小于沉降组，尤以Grade2变化最大，cage应力在前后屈伸运动状态减少51%(图6)。左右侧屈运动状态减少24%。左右旋转运动状态减少41%。
2.4钉棒系统应力
钉棒系统的VonMises应力峰值均出现在后伸运动状态下，Grade0～Grade4的应力峰值分别为：98.832Mpa、155.1Mpa、191.37Mpa、104.15Mpa及82.04Mpa。Grade2的应力峰值最大，主要集中在椎弓根螺钉的尾部、连接棒与椎弓根螺钉的交汇处(图7、8)。
3讨论
随着技术的不断发展，手术器械逐渐完善，OLIF目前已经被脊柱外科医生广泛使用，在邻椎病、盘源性腰痛、腰椎滑脱、腰椎管狭窄、腰椎节段不稳症等疾病治疗中取得了良好的临床疗效[11]。不同于后路腰椎融合术(posteriorlumbarinterbodyfusion，PLIF)和经椎间孔入路腰椎融合术(transforaminallumberinterbodyfusion，TLIF)，OLIF允许保留后纵韧带、后侧纤维环及双侧小关节，这些结构在生理活动过程中保持着脊柱稳定性[12]，该手术入路是从腰大肌与血管的间隙进入目标椎间盘，腰丛神经损伤和椎旁组织广泛剥离可以很大程度避免。
以往生物力学[13~15]研究显示，cage沉降是融合器与骨性结构动态匹配的过程，cage置入后的撑开力量使椎间盘纤维环和前后纵韧带均处于拉伸状态，而自身体重及椎旁肌收缩，通过“撑开张力带效应”可即刻达到术后稳定，侧方融合的cage本身可提供较好的节段稳定性，椎间融合器的表面积宽大足以支撑终版，结构的稳定性将是足够的[7]。因此stand-alone技术可选择性应用于OLIF手术，临床上可以降低手术时间、降低医疗成本。但OLIF是基于恢复椎间隙高度，增加椎间孔面积，改善冠状平衡，以及置入较宽的cage进行间接减压神经。Marchi等[7]研究表明，高等级的沉降会导致椎间盘塌陷。Zhang等[16]研究证实椎间隙塌陷后会导致继发性椎管狭窄和椎间孔狭窄。Tempel等[17]纳入了行stand-alone侧方融合的297例患者(623个节段)，发现融合器下沉是standalone技术术后翻修的一个重要预测因素。因此，预防OLIF术后cage下沉和维持患者术后效果已受到越来越多的关注。
本研究通过三维有限元分析的方法，模拟OLIF术后cage不同程度沉降陷入椎体的情况，分析cage沉降对脊柱的生物力学影响。研究表明，cage沉降显著增加了脊柱ROM。在沉降组模型中，Grade3模型ROM最大，相较Grade0的ROM增加了148%，提示cage沉降51%~75%时腰椎稳定性最差。Grade4模型较Grade3模型ROM减少，可能是随着塌陷进行，椎间内容物的空间被压缩，刚度增加，并且后侧关节突关节的支撑作用限制了脊柱的活动度。融合术后腰椎活动度较小提示脊柱稳定性良好，反之若活动度较大，则融合节段及相邻阶段稳定性较差。cage应力可以间接反应上下终板受力情况，Grade2模型在脊柱前屈运动下cage的VonMises应力峰值最大，提示在cage沉降26%~50%情况下，上下终板受到的反作用力最大，进一步塌陷风险明显增加。高应力负荷可能会加速疲劳并增加后置器械中螺钉松动和固定失败的风险，这将严重影响结构的稳定性[9]。Andrea等[18]研究表明，cage与椎体间的界面必须要有足够的强度以抵抗较大的体内负荷，以防止置入物沉降。在相同的载荷下，钉棒组模型ROM最小、cage应力最小，表明附加内固定钉棒将上下椎体间活动限制后，可以显著增加固定节段稳定性，并降低了融合器的应力，与刘进平等[19]观点一致。椎间隙的塌陷取决于多种因素，这些因素与患者骨密度低下[20]，终板过度准备，术中终板损伤，多阶段融合，使用过小cage和椎间隙过度撑开有关，这些情况下应辅助椎弓根钉棒固定。双侧椎弓根螺钉可以增加刚度，限制运动以帮助融合过程，并保护间接减压[11]。斜外侧椎间融合术多应用于发生脊柱退行性改变的中老年患者，中老年骨质及骨量整体上较青年薄弱，术前需对患者进行骨密度测定。刘磊等[21]研究发现，合并骨质疏松的腰椎退变性疾病患者行腰椎融合术后易发生融合器沉降。Tempel等[22]研究发现，对于骨密度T值<-1.0SD的患者行stand-alone技术具有较高的融合器沉降发生率和再手术率，因此，建议对骨密度T值<-1.0SD的患者附加后路内固定。
本研究的基础是依据侧位X线片上不同程度cage沉降分组进行探讨，是对脊柱矢状面层面cage塌陷的分析，在冠状面层面cage的沉降多由于术中终板损伤及cage不平行插入椎间隙导致，可能造成终板受力不平衡，脊柱稳定性下降，局部应力集中等情况，针对冠状面层面的融合器沉降有待于进一步研究。——论文作者：郝家齐，王永峰，原杰，徐朝健，秦一川，吕杰
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