孫科 楊學(xué)軍

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院胸腰椎外科，呼和浩特 010030）

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)腰椎退行性疾病的手術(shù)治療方法中常用術(shù)式大多為經(jīng)后路椎管進(jìn)行椎間減壓融合術(shù)，如經(jīng)椎間孔腰椎椎間融合術(shù)（transforaminal lum?bar interbody fusion,TLIF）、經(jīng)后路腰椎椎間融合術(shù)（posterior lumbar interbody fusion,PLIF）。該類(lèi)手術(shù)具有固定可靠，融合率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。但在臨床長(zhǎng)期應(yīng)用中，也發(fā)現(xiàn)了這類(lèi)手術(shù)存在的許多不足之處，如術(shù)后易發(fā)生椎管瘢痕黏連、因術(shù)中剝離肌肉導(dǎo)致術(shù)后腰肌去神經(jīng)萎縮，造成術(shù)后頑固性腰痛等諸多術(shù)后并發(fā)癥。而近年新興的經(jīng)腹膜外側(cè)前方入路腰椎間融合術(shù)（oblique lumbar interbody fusion,OLIF），具有對(duì)脊柱后路結(jié)構(gòu)干擾小、創(chuàng)傷小、融合率高等優(yōu)勢(shì)[2]，在臨床中應(yīng)用逐步增多。與經(jīng)典的后路融合技術(shù)相比，OLIF能否達(dá)到相同的穩(wěn)定性，是許多臨床醫(yī)師困惑的問(wèn)題。

有限元生物力學(xué)方法已逐步成為現(xiàn)代臨床生物力學(xué)研究的重要方法之一，在腰椎疾患的研究應(yīng)用尤為多見(jiàn)[3-6]，主要被用于模擬病理狀態(tài)和手術(shù)方法，了解相關(guān)位置的力學(xué)機(jī)制和評(píng)估不同治療手段的作用。本研究將通過(guò)有限元技術(shù)去分析比較OLIF術(shù)后的相關(guān)力學(xué)特性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

采集1例健康成年男性志愿者（26歲）CT，該志愿者既往無(wú)脊柱疾病史、家族性遺傳病史、外傷史及手術(shù)史，排除風(fēng)濕、類(lèi)風(fēng)濕、脊柱特異及非特異性炎癥，排除脊柱腫瘤。本試驗(yàn)已通過(guò)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)并簽署相關(guān)知情同意書(shū)。

1.2 軟硬件資料

本研究中使用的硬件、設(shè)備如下：①美國(guó)GE 64排螺旋CT機(jī)；②仿真用計(jì)算機(jī)硬件配置：Intel(R)Core(TM) i7-7700K 4.20GHz，32G內(nèi)存；③仿真用計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)：Windows 7 Professional（64bit）。主要軟件有：①M(fèi)imics 17.0，比利時(shí)Materialise公司；②Geomagic 12.0，美國(guó)Geomagic公司；③SolidWorks 2015，法國(guó)Dassault公司；④Ansys Workbench 16.2，美國(guó)Ansys公司。

1.3 建模過(guò)程

1.3.1 正常腰椎有限元模型的建立：本試驗(yàn)使用美國(guó)GE 64排螺旋CT機(jī)獲得腰椎（L2-L5）圖像后以Dicom格式輸入三維重建軟件Mimics 17.0中，并通過(guò)閾值分割處理骨組織、填補(bǔ)骨骼輪廓及內(nèi)部空洞、編輯蒙版、進(jìn)行布爾運(yùn)算等處理，隨后應(yīng)用Geomagic 12.0逆向工程軟件平滑去噪，得到椎體的三維實(shí)體模型，保存為igs格式并導(dǎo)入SolidWorks 2015，在三維CAD建模軟件中建立腰椎椎間盤(pán)（包括纖維環(huán)及髓核）及小關(guān)節(jié)面，將其導(dǎo)入Ansys Workbench 16.2有限元軟件中加工，于Ansys Workbench軟件中重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)人體的實(shí)際結(jié)構(gòu)模仿構(gòu)建韌帶（包括前縱韌帶、后縱韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、橫突間韌帶及黃韌帶）以及關(guān)節(jié)囊結(jié)構(gòu)，完成完整的L2-L5模型。

1.3.2 模擬手術(shù)入路的選擇及試驗(yàn)組的建模：根據(jù)Kai[7]、劉列華[8]等的研究，OLIF術(shù)式手術(shù)通道選擇左側(cè)入路時(shí)，手術(shù)通道更為寬闊，因此本試驗(yàn)選用左側(cè)入路OLIF。

建立完整的成年男性腰椎（L2-L5）模型后，在SolidWorks 2015軟件中繪制、建立簡(jiǎn)化螺紋的釘棒內(nèi)固定系統(tǒng)、連接棒以及OLIF專(zhuān)用cage（6°，12 mm×50 mm，上海三友脊柱系統(tǒng)植入物）。將正常腰椎模型組設(shè)為對(duì)照組（A組）；在正常模型的基礎(chǔ)上，對(duì)L3-L4椎間盤(pán)進(jìn)行切除，并從椎間隙左側(cè)植入cage，設(shè)立為OLIF手術(shù)植入cage模型組（B組）；對(duì)L3-L4椎間盤(pán)進(jìn)行切除，于椎間隙左側(cè)植入cage，再?gòu)淖髠?cè)L3和L4椎體上置入2枚螺釘并用1根金屬棒連接螺釘（螺釘規(guī)格6.0 mm×45 mm，連接棒規(guī)格5.5 mm，上海三友），設(shè)為OLIF手術(shù)植入cage聯(lián)合釘棒固定模型組（C組）。見(jiàn)圖1。

圖1 三組模型示意圖

1.4 計(jì)算設(shè)置

模型中涉及的各種組織材料均簡(jiǎn)化為各向同性的均質(zhì)性彈性材料，材料參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)表

各部件之間根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行接觸設(shè)置，軟骨綁定于相應(yīng)骨頭上，軟骨關(guān)節(jié)面之間摩擦系數(shù)為0.1。Cage及內(nèi)固定與骨頭為綁定接觸。

對(duì)3組模型分別進(jìn)行施加載荷與約束，約束L5下終板全部6個(gè)自由度，在L2頂部施加500 N力，同時(shí)施加10 Nm的力矩，模型產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)屈、左右旋。

1.5 生物力學(xué)測(cè)量方法

主要測(cè)量三個(gè)模型在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下L2-L3、L3-L4、L4-L5節(jié)段的角位移、角度及應(yīng)力，其中角位移和角度用來(lái)評(píng)估活動(dòng)度，根據(jù)活動(dòng)度評(píng)估該術(shù)式的穩(wěn)定性。

1.5.1 腰椎穩(wěn)定性：根據(jù)文獻(xiàn)[9]，融合術(shù)后穩(wěn)定性良好則活動(dòng)度較小，反之若活動(dòng)度較大，則OLIF術(shù)后融合節(jié)段及相鄰節(jié)段穩(wěn)定性較差。本試驗(yàn)的腰椎活動(dòng)度通過(guò)椎體受力后表面空間位置坐標(biāo)角度改變及角位移進(jìn)行評(píng)估。

1.5.2 腰椎應(yīng)力：對(duì)前屈、后伸、側(cè)屈以及旋轉(zhuǎn)姿勢(shì)下的三組腰椎模型施加載荷及約束，觀察6種狀態(tài)下椎體、cage、小關(guān)節(jié)、終板及相鄰節(jié)段間盤(pán)應(yīng)力。因在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，假定各接觸面之間并不造成彼此的破壞，且主要考察的是椎體、cage等在各個(gè)方向上的應(yīng)力差值，接受的都是單向載荷，因此，本研究主要觀測(cè)等效應(yīng)力，即范式應(yīng)力（Von Mises值）的最大值。

2 結(jié)果

2.1 模型驗(yàn)證

對(duì)正常腰椎模型（A組）每?jī)蓚€(gè)節(jié)段（L2-L3，L3-L4，L4-L5）分別進(jìn)行加載計(jì)算，施加荷載為10 Nm，其結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)[10]進(jìn)行對(duì)比，該模型滿足模型驗(yàn)證要求，可以用于后續(xù)的有限元仿真。

2.2 融合節(jié)段及鄰近節(jié)段的穩(wěn)定性

在施加載荷的6種狀態(tài)下，B組與C組模型L2-L3、L3-L4的角位移均比正常模型顯著減少，B組與C組相比無(wú)顯著差別，而L4-L5的角位移三組幾乎沒(méi)有差別（表2）。在L2-L3、L3-L4節(jié)段，B、C兩組活動(dòng)時(shí)角度比A組明顯減小，但B、C組相比角度變化不大，而L4-L5節(jié)段三組活動(dòng)時(shí)角度變化不明顯（圖2）。

2.3 三組有限元模型的應(yīng)力分析

與正常模型組相比，B組及C組模型除了在左旋時(shí)應(yīng)力變化不明顯，在進(jìn)行前屈、后伸、左右側(cè)屈及右旋時(shí)，椎體的等效應(yīng)力值明顯增大（表3，圖3）。

B組及C組Cage等效應(yīng)力變化：與B組模型相比，C組模型的cage在6種工況下的等效應(yīng)力明顯減?。ū?，圖4-6）。

3 討論

3.1 OLIF技術(shù)與傳統(tǒng)的腰椎融合技術(shù)比較有明顯的優(yōu)勢(shì)

OLIF術(shù)式的手術(shù)操作區(qū)域在側(cè)前方，不必從后方進(jìn)行椎管顯露等操作，因此對(duì)脊髓神經(jīng)干擾小[11]。同時(shí)由于不侵襲或損傷腰椎后部結(jié)構(gòu)，對(duì)患者術(shù)后脊柱的穩(wěn)定性有著積極的作用[12]。相比較傳統(tǒng)的正前方經(jīng)腹膜入路椎間融合術(shù)，由于其不進(jìn)入腹膜腔，因此大大減少了腹腔臟器損傷、血管損傷、腹膜粘連、逆行射精等并發(fā)癥的發(fā)生。OLIF技術(shù)的斜外側(cè)入路術(shù)野空間較大，因此可使用較大的椎間融合器，可以有效地恢復(fù)退變的椎間隙高度及冠矢狀位脊柱序列的平衡。另外，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[13]，OLIF技術(shù)具有手術(shù)時(shí)間短，出血量少，術(shù)后疼痛輕，住院時(shí)間較短，術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)。Woods等[14]統(tǒng)計(jì)了OLIF及ALIF的并發(fā)癥發(fā)生率并進(jìn)行比較，得出OLIF組總體并發(fā)癥發(fā)生率（11.7%）小于ALIF（14.1%），其中血管損傷、神經(jīng)損傷、輸尿管損傷的發(fā)生率均小于ALIF。Joseph等[15]報(bào)道的TLIF的神經(jīng)損傷并發(fā)癥發(fā)生率為20.2%（380/1885），Abe等[16]報(bào)道OLIF神經(jīng)損傷的并發(fā)癥發(fā)生率為1.2%（2/155），由此可見(jiàn)，OLIF的神經(jīng)損傷并發(fā)癥發(fā)生率是明顯小于TLIF。

表2 三組模型在6種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的角位移（mm）

圖2 三組模型L2-L3（A）、L3-L4（B）、L4-L5（C）角度變化

圖3 A、B、C三組模型（從左至右）腰椎前屈時(shí)椎體等效應(yīng)力示意圖（MPa）

表3 椎體等效應(yīng)力匯總（MPa）

表4 Cage等效應(yīng)力匯總（MPa）

圖4 B組模型前屈時(shí)Cage等效應(yīng)力示意圖（MPa）

圖5 C組模型前屈時(shí)Cage等效應(yīng)力示意圖（MPa）

圖6 C組模型前屈時(shí)釘棒等效應(yīng)力示意圖（MPa）

3.2 應(yīng)用有限元技術(shù)研究OLIF術(shù)后的生物力學(xué)特點(diǎn)

3.2.1 單純植入cage的模型生物力學(xué)特點(diǎn)：Smith等[17]報(bào)告了9例OLIF手術(shù)，均在不使用額外螺釘內(nèi)固定的情況下，利用同種異體腓骨移植作為前路支撐和椎間融合治療椎體滑脫，平均隨訪43個(gè)月（24～72個(gè)月），術(shù)后臨床和影像學(xué)結(jié)果良好，并達(dá)到100%的融合率。Minamide等[18]也報(bào)告，在進(jìn)行OLIF手術(shù)時(shí)并沒(méi)有使用內(nèi)固定作為輔助支撐，而根據(jù)OLIF術(shù)后良好的生物力學(xué)結(jié)果，他們認(rèn)為單純cage支持融合的手術(shù)方式可以達(dá)到剛性固定而無(wú)需額外的內(nèi)固定支撐。本研究發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)渭僣age融合組及cage聯(lián)合釘棒內(nèi)固定組術(shù)后融合節(jié)段的活動(dòng)度會(huì)較對(duì)照組模型變小，且兩個(gè)手術(shù)組術(shù)后融合節(jié)段椎體整體范式應(yīng)力增大，表明其剛度增大，限制位移，抵抗形變的能力增加，穩(wěn)定性更優(yōu)良。但是本研究結(jié)果顯示，由于模擬手術(shù)從左側(cè)置釘并用單棒連接，術(shù)后在模擬腰椎左旋時(shí)對(duì)其活動(dòng)度限制有限，提示臨床應(yīng)用中OLIF術(shù)后短時(shí)間內(nèi)必須對(duì)腰椎的活動(dòng)加以限制，尤其左旋動(dòng)作，有利于融合節(jié)段的穩(wěn)定性。另外單純cage融合組及cage聯(lián)合釘棒內(nèi)固定組術(shù)后融合節(jié)段的活動(dòng)度相差不大，結(jié)合彭祥[19]、王文軍[20]等的研究，OLIF術(shù)式使用的cage因其符合解剖學(xué)特點(diǎn)，不僅能恢復(fù)椎間高度，且避免應(yīng)力集中，減少椎體活動(dòng)度，具有較好的生物力學(xué)性能，因此我們認(rèn)為僅從融合節(jié)段的穩(wěn)定性方面考慮，采用cage支撐融合后無(wú)需額外內(nèi)固定即可達(dá)到相似的穩(wěn)定性，臨床上可以節(jié)省手術(shù)時(shí)間、降低醫(yī)療成本。本研究結(jié)果同時(shí)顯示OLIF單純cage融合組術(shù)后融合器與椎體接觸的界面局部應(yīng)力非常集中，這就要求臨床應(yīng)用中在處理融合節(jié)段上下終板時(shí)應(yīng)格外仔細(xì)，避免骨性軟骨終板的過(guò)度清理或損傷，防止后期cage沉降或移位。

3.2.2 植入cage同時(shí)聯(lián)合釘棒內(nèi)固定術(shù)后生物力學(xué)特點(diǎn)：Clair等[21]通過(guò)尸體標(biāo)本進(jìn)行OLIF融合術(shù)后的生物力學(xué)試驗(yàn)研究，同時(shí)得到動(dòng)態(tài)及靜態(tài)的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)，OLIF融合術(shù)后腰椎與正常腰椎生物力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)，而活動(dòng)度下降50%以上，說(shuō)明OLIF融合術(shù)后融合節(jié)段足夠穩(wěn)定，能夠承受高度重復(fù)性負(fù)荷。該研究雖然證明OLIF單純cage融合術(shù)無(wú)需額外的內(nèi)固定系統(tǒng)便可達(dá)到良好的固定，但其仍得出了額外的內(nèi)固定可提供更好的抗剪切力的結(jié)論。而根據(jù)劉進(jìn)平等[22]的研究，額外的螺釘固定可分散cage的應(yīng)力，防止cage應(yīng)力集中而發(fā)生沉降，這與本試驗(yàn)結(jié)果相同。相比單純cage融合組cage的等效應(yīng)力，聯(lián)合釘棒內(nèi)固定組術(shù)后cage負(fù)載減小，螺釘明顯分擔(dān)了cage的載荷，這提示臨床應(yīng)用中，如果患者骨質(zhì)較差或術(shù)中造成軟骨終板損傷時(shí)應(yīng)輔助額外的釘棒內(nèi)固定系統(tǒng)，從而能夠明顯地減少cage遠(yuǎn)期下沉或移位的并發(fā)癥。

綜上，相比正常腰椎模型，單純cage融合及cage聯(lián)合釘棒內(nèi)固定的OLIF模型，在6種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的活動(dòng)度均明顯減少，可以達(dá)到更好的穩(wěn)定性。而單用cage和cage聯(lián)合螺釘內(nèi)固定在活動(dòng)度方面無(wú)顯著差別。額外增加內(nèi)固定只是在應(yīng)力方面有所區(qū)別。OLIF術(shù)后cage上下相鄰終板應(yīng)力增大，臨床應(yīng)用中應(yīng)謹(jǐn)慎處理終板，必要時(shí)加入內(nèi)固定螺釘加強(qiáng)愈后。