劉玉武，李 杰，周 躍△

（1.浙江省江山市人民醫(yī)院骨科，浙江江山324100；2.第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院骨科，重慶400037）

經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合術(shù)（transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF）是治療腰椎退行性疾病的常用手術(shù)方式，其臨床應(yīng)用的效果獲得了廣泛的認(rèn)可［1-2］。TLIF術(shù)后通常需要輔助雙側(cè)椎弓根螺釘固定［3］，而堅(jiān)強(qiáng)的雙側(cè)椎弓根螺釘固定在提供良好的穩(wěn)定性的同時(shí)，也引發(fā)了學(xué)者對(duì)于其因過于堅(jiān)強(qiáng)而導(dǎo)致應(yīng)力遮擋效應(yīng)的擔(dān)憂［4］。有學(xué)者采用單側(cè)椎弓根螺釘固定的方法來減少創(chuàng)傷，以降低應(yīng)力遮擋效應(yīng)及減輕患者負(fù)擔(dān)［5］。目前已經(jīng)有初步的臨床結(jié)果支持在合適病例中采用單側(cè)椎弓根螺釘固定的方法［5-7］。但是，也存在部分生物力學(xué)研究結(jié)果不支持單側(cè)椎弓根螺釘固定的應(yīng)用，主要出于對(duì)其初始穩(wěn)定性不足和應(yīng)力集中導(dǎo)致斷裂失效的擔(dān)憂［8-10］。此外關(guān)于單側(cè)固定的長(zhǎng)期臨床效果是否和雙側(cè)固定一致仍存在較多的爭(zhēng)議［6，10］。目前的生物力學(xué)研究主要集中在術(shù)后即刻狀態(tài)即未融合狀態(tài)下的穩(wěn)定性和應(yīng)力分布研究，并沒有關(guān)注椎間植骨融合后融合節(jié)段和內(nèi)植物發(fā)生的生物力學(xué)改變，缺少關(guān)于其遠(yuǎn)期療效的模擬分析。本研究采用有限元分析的方法，構(gòu)建了椎間植骨融合前后的單側(cè)和雙側(cè)椎弓根螺釘固定模型，分析兩種固定方式在融合前后生物力學(xué)指標(biāo)差異，為TLIF術(shù)中單側(cè)椎弓根螺釘固定的臨床應(yīng)用提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料 取1名健康男性志愿者（29 歲，身高172cm，體質(zhì)量70kg）L3～5椎體CT 圖像。

1.2 方法

1.2.1 三維有限元模型的建立 用64 排螺旋CT 機(jī)對(duì)該志愿者腰椎進(jìn)行連續(xù)掃描，層厚1.25mm，導(dǎo)入Mimics軟件建立L3～5椎體的STL 三角網(wǎng)格模型，然后導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic中進(jìn)行修補(bǔ)與優(yōu)化，簡(jiǎn)化處理部分細(xì)節(jié)之后生成表面模型。利用SolidWorks軟件將生成的表面模型轉(zhuǎn)換成實(shí)體模型，生成包括皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、椎間盤和韌帶結(jié)構(gòu)。椎間盤結(jié)構(gòu)包括髓核、纖維環(huán)和纖維環(huán)纖維。7組韌帶包括前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、橫突間韌帶和關(guān)節(jié)囊韌帶。將實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件Abaqus 6.10，將各部位材料的彈性模量、泊松比等材料系數(shù)及特征值輸入模型（表1）［11-12］，設(shè)置各部件相互作用關(guān)系，將關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)面用接觸單元進(jìn)行處理，韌帶設(shè)置為僅受牽張力作用。對(duì)模型的每個(gè)部件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，其中內(nèi)植物和椎間盤采用六面體網(wǎng)格，其余實(shí)體部件采用四面體網(wǎng)格。完成人正常L3～5節(jié)段完整狀態(tài)有限元模型（INT）的建立，見圖1。

1.2.2 手術(shù)模型與內(nèi)固定模型建立 在正常L3-5模型的基礎(chǔ)上模擬構(gòu)建TLIF 手術(shù)模型。切除L4～5節(jié)段右側(cè)關(guān)節(jié)突，切除髓核組織，保留纖維環(huán)纖維與外層纖維環(huán)，斜跨中線放置椎間融合器［13］。椎間融合器模擬PEEK 材料，楊氏模量為3 600 MPa，泊松比0.3，高度為12 mm，與椎體終板接觸為面性接觸，融合器內(nèi)充填松質(zhì)骨。模擬Sextant系統(tǒng)鈦合金椎弓根螺釘固定，螺釘直徑6.5mm，長(zhǎng)50mm，楊氏模量110 000 MPa，泊松比0.3。椎弓根螺釘與骨性結(jié)構(gòu)接觸采用綁定的方式。采用設(shè)定椎間植入物與上下終板接觸關(guān)系設(shè)定為面面接觸的方法模擬椎間融合前狀態(tài)，摩擦系數(shù)為0.3［14］，采用設(shè)定椎間植入物與上下終板接觸關(guān)系為綁定的方法模擬椎間植骨融合后狀態(tài)。利用軟件重建融合前單側(cè)椎弓根螺釘固定模型（M1）和雙側(cè)椎弓根螺釘固定模型（M2），融合后單側(cè)椎弓根螺釘固定模型（M3）和雙側(cè)椎弓根螺釘固定模型（M4），見圖1。

表1 有限元模型的材料常數(shù)

圖1 不同工況下的模型圖

1.2.3 負(fù)載與邊界條件 將L5椎體下表面完全固定，限制其所有的自由度。在L3椎體上表面施加垂直向下的預(yù)載荷，大小500N［14］，均勻分布在整個(gè)L3椎體的上終板。在施加預(yù)載荷的同時(shí)，耦合L3椎體上表面所有節(jié)點(diǎn)于中性點(diǎn)并施加7.5 Nm 扭矩，模擬前屈、后伸、左右側(cè)彎和左右軸向旋轉(zhuǎn)工況下腰椎生物力學(xué)狀態(tài)。將模型導(dǎo)入Abaqus 6.10軟件中進(jìn)行計(jì)算求解。

1.2.4 主要觀察指標(biāo) 腰椎活動(dòng)范圍（range of motion，ROM）用L4～5節(jié)段角位移表示；后路內(nèi)固定和椎間植入物應(yīng)力，直接記錄各種工況下的Von Mises應(yīng)力峰值。

2 結(jié) 果

2.1 模型有效性驗(yàn)證 對(duì)完整狀態(tài)模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證，采用與Renner等［15］的離體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)條件一致的加載方式，施加7.5Nm 扭矩，在腰椎前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)6種工況下計(jì)算L3／L4和L4／L5節(jié)段角位移。結(jié)果表明正常腰椎有限元模型在不同工況下各個(gè)節(jié)段的角位移與Renner等［15］的生物力學(xué)測(cè)試結(jié)果一致，均處于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)（圖2）。因此，認(rèn)為本模型在一定條件下有效，可以應(yīng)用于臨床和實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果 各種模型在不同工況下L4～5節(jié)段的角位移，見圖3。椎間融合前雙側(cè)固定比單側(cè)固定減少了更多的節(jié)段活動(dòng)度，特別是在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，單側(cè)固定在旋轉(zhuǎn)控制中僅減少38.0%的節(jié)段活動(dòng)度，而雙側(cè)固定則達(dá)到70.2%。融合后單側(cè)固定和雙側(cè)固定的固定效果都獲得了提升，但是單側(cè)固定提高幅度較大，導(dǎo)致了和雙側(cè)固定的差距變小，特別是在旋轉(zhuǎn)控制中，二者幾乎實(shí)現(xiàn)一致。

圖2 模型有效性驗(yàn)證

圖3 植骨融合前后不同工況下L4～5節(jié)段ROM

2.3 椎弓根釘棒系統(tǒng)應(yīng)力分布特點(diǎn) 各種模型在不同工況下椎弓根釘棒系統(tǒng)的Von Mises應(yīng)力峰值，見圖4。除預(yù)載荷和左側(cè)彎狀態(tài)下，融合前單側(cè)固定的應(yīng)力峰值明顯高于雙側(cè)固定的應(yīng)力峰值。融合之后兩種固定方式的應(yīng)力峰值均獲得了大幅度降低。除左側(cè)彎狀態(tài)出現(xiàn)雙側(cè)固定明顯高于單側(cè)固定之外，其余狀態(tài)下單側(cè)固定與雙側(cè)固定的Von Mises應(yīng)力峰值接近。

圖4 植骨融合前后椎弓根釘棒系統(tǒng)的Von Mises應(yīng)力峰值

2.4 椎間植入物應(yīng)力分布特點(diǎn) 各種模型在不同工況下椎間植入物的Von Mises應(yīng)力峰值見圖5。融合前單側(cè)固定狀態(tài)下Von Mises應(yīng)力峰值明顯高于雙側(cè)固定狀態(tài)，特別是垂直載荷、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)存在明顯差異，單側(cè)固定下椎間植入物的應(yīng)力峰值是雙側(cè)固定的1.5～1.7倍。除了后伸運(yùn)動(dòng)以外，融合后單側(cè)固定的應(yīng)力峰值較融合前均有所下降；而雙側(cè)固定僅在后伸運(yùn)動(dòng)下獲得明顯減少之外，其他狀態(tài)下融合前后變化不明顯；總體而言單側(cè)固定和雙側(cè)固定的下椎間植入物Von Mises應(yīng)力峰值差異在融合之后縮小。

圖5 植骨融合前后椎間植入物的Von Mises應(yīng)力峰值

3 討 論

TLIF通常應(yīng)用雙側(cè)椎弓根螺釘固定以增強(qiáng)節(jié)段穩(wěn)定性，為椎間植骨融合形成條件。單側(cè)椎弓根螺釘固定被認(rèn)為是可以替代雙側(cè)固定的固定方式［5-7］。Xue等［5］報(bào)道的前瞻性隨機(jī)對(duì)照研究中，單側(cè)和雙側(cè)椎弓根螺釘固定在椎間融合率、臨床指標(biāo)、斷釘事件和并發(fā)癥等指標(biāo)比較中，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。而在手術(shù)時(shí)間、出血量、住院時(shí)間和植入物花費(fèi)等方面單側(cè)固定更具有優(yōu)勢(shì)。Hu等［6］認(rèn)為在合適的患者中，TLIF術(shù)后應(yīng)用單側(cè)椎弓根螺釘固定和雙側(cè)椎弓根螺釘固定同樣安全有效。以上臨床研究為單側(cè)椎弓根螺釘固定提供了臨床和影像學(xué)依據(jù)，但是有生物力學(xué)研究的結(jié)果卻并不支持這一結(jié)果［8-10］。除了生物力學(xué)研究對(duì)單側(cè)椎弓根釘棒固定存在擔(dān)憂之外，關(guān)于單側(cè)固定的長(zhǎng)期臨床效果和影像學(xué)改變是否和雙側(cè)固定一致也存在爭(zhēng)議［6，10］。

TLIF術(shù)后節(jié)段生物力學(xué)指標(biāo)是隨著椎間植入物融合進(jìn)程產(chǎn)生變化的，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。在術(shù)后即刻，椎間植入物并未與上下終板融合，僅產(chǎn)生面-面接觸和摩擦，可以分擔(dān)垂直向下的載荷而不能夠控制牽張分離載荷和旋轉(zhuǎn)載荷；隨著椎間融合進(jìn)展，椎間植入物開始控制牽張分離載荷和旋轉(zhuǎn)載荷，這種控制能力隨著植骨融合程度的深入而增強(qiáng)；當(dāng)完全實(shí)現(xiàn)融合之后，椎間植入物對(duì)節(jié)段的生物力學(xué)穩(wěn)定性貢獻(xiàn)達(dá)到最大，對(duì)節(jié)段的各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)均能起到有效控制的作用。伴隨著椎間植入物生物力學(xué)作用變化，后路固定系統(tǒng)的生物力學(xué)特性必然發(fā)生改變。本研究中通過分析術(shù)后即刻和融合后兩個(gè)階段的生物力學(xué)指標(biāo)，以了解這種變化的趨勢(shì)，分析其可能對(duì)遠(yuǎn)期臨床效果帶來的影響。

本實(shí)驗(yàn)中的術(shù)后即刻穩(wěn)定性相關(guān)結(jié)果與之前的有限元分析和生物力學(xué)研究結(jié)果一致［13-14］，單側(cè)固定控制節(jié)段穩(wěn)定性方面不如雙側(cè)固定。此外，單側(cè)固定中的椎弓根釘棒系統(tǒng)應(yīng)力峰值也明顯高于雙側(cè)固定。然而，由于沒有雙側(cè)固定堅(jiān)強(qiáng)，單側(cè)固定的應(yīng)力遮擋效應(yīng)較低，椎間植入物的應(yīng)力峰值高于雙側(cè)固定。在融合后，單側(cè)固定和雙側(cè)固定在維持節(jié)段穩(wěn)定性中的差異明顯縮小，均能顯著的減少節(jié)段活動(dòng)度。融合后側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性都幾乎達(dá)到了和雙側(cè)固定同樣的效果。對(duì)于Von Mises應(yīng)力峰值而言，融合后單側(cè)固定的椎弓根釘棒系統(tǒng)應(yīng)力峰值較融合前大幅度下降，達(dá)到了與雙側(cè)固定幾乎一致的水平，椎間植入物的應(yīng)力峰值卻依然略高于雙側(cè)固定?？傮w而言，隨著植骨融合過程的進(jìn)行，單側(cè)固定模式下椎弓根釘棒系統(tǒng)的應(yīng)力呈下降的趨勢(shì)。上述結(jié)果提示在椎間植骨融合實(shí)現(xiàn)之后，單側(cè)固定的遠(yuǎn)期臨床效果與雙側(cè)固定接近。

綜上所述，本研究認(rèn)為單側(cè)椎弓根螺釘固定的方式在椎間融合后可以取得和雙側(cè)固定同樣的效果，理論上并不會(huì)顯著增加內(nèi)植物失效的發(fā)生率，其遠(yuǎn)期臨床療效是可以保證的。本研究結(jié)果為單側(cè)椎弓根螺釘固定方法的臨床應(yīng)用提供了理論支持。當(dāng)然，單側(cè)椎弓根螺釘并不適合每種腰椎退行性病變的TLIF手術(shù)固定，比如術(shù)前存在腰椎不穩(wěn)的病例，以及腰椎滑脫癥和雙側(cè)關(guān)節(jié)突切除減壓的病例，選擇合適的患者進(jìn)行單側(cè)固定可以減少患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和手術(shù)創(chuàng)傷，并且達(dá)到和雙側(cè)固定一樣的融合效果。

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