發(fā)布時間：2021-04-30所屬分類：醫(yī)學(xué)論文瀏覽：1次
摘 要： 【摘要】目的：應(yīng)用三維有限元法分析椎間融合器(cage)沉降對斜外側(cè)椎間融合術(shù)(obliquelateralinterbodyfusion，OLIF)術(shù)后腰椎生物力學(xué)的影響。方法：根據(jù)1例健康成年人腰椎CT掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建正常腰椎L3~L5節(jié)段三維有限元模型，模擬進行L4/5節(jié)段OLIF手術(shù)，根據(jù)ca
【摘要】目的：應(yīng)用三維有限元法分析椎間融合器(cage)沉降對斜外側(cè)椎間融合術(shù)(obliquelateralinterbodyfusion，OLIF)術(shù)后腰椎生物力學(xué)的影響。方法：根據(jù)1例健康成年人腰椎CT掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建正常腰椎L3~L5節(jié)段三維有限元模型，模擬進行L4/5節(jié)段OLIF手術(shù)，根據(jù)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(gòu)建10組模型(單純cage沉降組5組、附加后路雙側(cè)椎弓根釘棒固定的釘棒組5組)。固定L5椎體下表面，設(shè)定400N的預(yù)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(cè)屈、旋轉(zhuǎn)運動。對腰椎在不同生理運動下L4/5節(jié)段活動度(rangeofmotion，ROM)、cage應(yīng)力峰值和內(nèi)固定釘棒應(yīng)力峰值進行分析。結(jié)果：模型在不同生理運動下L3/4和L4/5椎體的ROM與已發(fā)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(tài)中，沉降組Grade3的ROM最大，cage最大應(yīng)力峰值發(fā)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(yīng)力峰值均減小，尤以Grade2變化最為顯著，與未附加內(nèi)固定相比，Grade2平均ROM下降了63%，后伸運動下cage應(yīng)力峰值減小51%。結(jié)論：cage沉降對腰椎生物力學(xué)影響較大，其中cage沉降51%~75%時脊柱穩(wěn)定性最差，cage沉降26%~50%時cage進一步塌陷風(fēng)險最高，附加內(nèi)固定釘棒后可增加脊柱穩(wěn)定性并降低沉降風(fēng)險。
【關(guān)鍵詞】斜外側(cè)椎間融合術(shù);并發(fā)癥;椎間融合器沉降;有限元;生物力學(xué)
斜外側(cè)椎間融合術(shù)(obliquelateralinterbodyfusion，OLIF)因其創(chuàng)傷小、未進入椎管、不破壞椎體后方的支撐組織、手術(shù)效果好、術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點，被廣泛用于治療腰椎退變性疾病[1]。單純OLIF(stand-alone)技術(shù)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(zhì)條件、椎間隙處理技術(shù)的影響，椎間融合器(cage)沉降、移位等并發(fā)癥不容忽視。臨床報道融合器沉降導(dǎo)致椎間隙塌陷相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生率高達4.4%~68.18%[3]，但cage沉降對脊柱的生物力學(xué)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(xué)特性的影響，旨在為臨床應(yīng)用腰椎OLIF術(shù)后出現(xiàn)cage沉降時提供治療指導(dǎo)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(chuàng)傷、疾病史，通過X線影像學(xué)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(shè)備與軟件
1.2.1設(shè)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(tǒng)，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(yī)學(xué)三維重建軟件，將DICOM圖像進行轉(zhuǎn)換后對骨骼精準(zhǔn)模擬;②Geomagic12，美國Geomagic公司，逆向工程軟件，實現(xiàn)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(guān)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(xù)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(dǎo)入Mimics17.0軟件，利用區(qū)域增長，閾值分割等操作截除L3~L5椎體外其他結(jié)構(gòu)，生成L3~L5三維表面模型(圖1)。
將數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入Geomagic軟件進行光滑、去噪、優(yōu)化曲面等操作生成骨性輪廓，再在SolidWorks軟件構(gòu)建皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和椎間盤的實體模型，生成逆向脊柱幾何實體模型。設(shè)定皮質(zhì)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(huán)，髓核占椎間體積的40%，纖維環(huán)由纖維環(huán)基質(zhì)和纖維組成[4]。
椎間融合器系統(tǒng)按照實物進行構(gòu)建，本研究所用cage及釘棒均為上海三友醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)，cage長寬高分別為50mm、18mm、12mm，上下表面有倒齒狀結(jié)構(gòu)。椎弓根螺釘長度40mm,直徑6.5mm，連接棒長度53mm，直徑5.5mm。根據(jù)cage及釘棒的參數(shù)在建模軟件建立實體幾何模型。
將所建立模型導(dǎo)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(guān)節(jié)囊韌帶。所有韌帶均參考相關(guān)文獻精確模擬相關(guān)位置結(jié)構(gòu)[5]，韌帶根據(jù)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(yōu)單位對模型進行網(wǎng)格劃分，通過網(wǎng)格收斂性分析獲得高質(zhì)量網(wǎng)格以減少計算誤差，該模型具有638687個節(jié)點和407515個元素組成。
參照臨床手術(shù)方法，以L4/5為手術(shù)責(zé)任節(jié)段，以椎間盤前后緣為界，將其平均分為4個區(qū)，去除2、3區(qū)椎間盤置入融合器[6]，融合器為單枚，左側(cè)置入。用Solidworks軟件將L3~L5椎體、cage、釘棒按照手術(shù)方式進行裝配。依據(jù)Marchi等[7]研究，根據(jù)融合器沉降入終板不同程度進行分組，按照術(shù)后患者直立狀態(tài)下平行于終板的側(cè)位X線片及CT等影像學(xué)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(gòu)建10組模型(單純?nèi)诤铣两到M5組、附加后路雙側(cè)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(jù)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(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面均定義為contact接觸關(guān)系，摩擦系數(shù)為0.2，剩余接觸位點設(shè)定為綁定關(guān)系[9]。
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設(shè)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(yīng)力和10N·m扭矩的載荷，計算模擬模型在前屈、后伸、左側(cè)屈、右側(cè)屈、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)6種情形下脊柱不同節(jié)段(L3/4及L4/5)活動度(rangeofmotion，ROM)、cage應(yīng)力及內(nèi)固定釘棒應(yīng)力。
2結(jié)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(cè)屈、旋轉(zhuǎn)等脊柱運動模擬，對所測得L3/4與L4/5的ROM實驗結(jié)果與Shim等[10]的尸體研究報告相比較，本研究的數(shù)據(jù)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(tài)下L4/5節(jié)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(tài)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(cè)屈運動狀態(tài)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(zhuǎn)運動狀態(tài)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(yīng)力
各模型cage的VonMises應(yīng)力峰值見圖5，沉降組中cage最大應(yīng)力出現(xiàn)在Grade2的前屈運動狀態(tài)，高達82.7Mpa，相較Grade0增加了241%。在釘棒組中，cage應(yīng)力峰值明顯小于沉降組，尤以Grade2變化最大，cage應(yīng)力在前后屈伸運動狀態(tài)減少51%(圖6)。左右側(cè)屈運動狀態(tài)減少24%。左右旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)減少41%。
2.4釘棒系統(tǒng)應(yīng)力
釘棒系統(tǒng)的VonMises應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在后伸運動狀態(tài)下，Grade0～Grade4的應(yīng)力峰值分別為：98.832Mpa、155.1Mpa、191.37Mpa、104.15Mpa及82.04Mpa。Grade2的應(yīng)力峰值最大，主要集中在椎弓根螺釘?shù)奈膊�、連接棒與椎弓根螺釘?shù)慕粎R處(圖7、8)。
3討論
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，手術(shù)器械逐漸完善，OLIF目前已經(jīng)被脊柱外科醫(yī)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(jié)段不穩(wěn)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(shù)(posteriorlumbarinterbodyfusion，PLIF)和經(jīng)椎間孔入路腰椎融合術(shù)(transforaminallumberinterbodyfusion，TLIF)，OLIF允許保留后縱韌帶、后側(cè)纖維環(huán)及雙側(cè)小關(guān)節(jié)，這些結(jié)構(gòu)在生理活動過程中保持著脊柱穩(wěn)定性[12]，該手術(shù)入路是從腰大肌與血管的間隙進入目標(biāo)椎間盤，腰叢神經(jīng)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(xué)[13~15]研究顯示，cage沉降是融合器與骨性結(jié)構(gòu)動態(tài)匹配的過程，cage置入后的撐開力量使椎間盤纖維環(huán)和前后縱韌帶均處于拉伸狀態(tài)，而自身體重及椎旁肌收縮，通過“撐開張力帶效應(yīng)”可即刻達到術(shù)后穩(wěn)定，側(cè)方融合的cage本身可提供較好的節(jié)段穩(wěn)定性，椎間融合器的表面積寬大足以支撐終版，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性將是足夠的[7]。因此stand-alone技術(shù)可選擇性應(yīng)用于OLIF手術(shù)，臨床上可以降低手術(shù)時間、降低醫(yī)療成本。但OLIF是基于恢復(fù)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(jīng)。Marchi等[7]研究表明，高等級的沉降會導(dǎo)致椎間盤塌陷。Zhang等[16]研究證實椎間隙塌陷后會導(dǎo)致繼發(fā)性椎管狹窄和椎間孔狹窄。Tempel等[17]納入了行stand-alone側(cè)方融合的297例患者(623個節(jié)段)，發(fā)現(xiàn)融合器下沉是standalone技術(shù)術(shù)后翻修的一個重要預(yù)測因素。因此，預(yù)防OLIF術(shù)后cage下沉和維持患者術(shù)后效果已受到越來越多的關(guān)注。
本研究通過三維有限元分析的方法，模擬OLIF術(shù)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(xué)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(wěn)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(nèi)容物的空間被壓縮，剛度增加，并且后側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的支撐作用限制了脊柱的活動度。融合術(shù)后腰椎活動度較小提示脊柱穩(wěn)定性良好，反之若活動度較大，則融合節(jié)段及相鄰階段穩(wěn)定性較差。cage應(yīng)力可以間接反應(yīng)上下終板受力情況，Grade2模型在脊柱前屈運動下cage的VonMises應(yīng)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(fēng)險明顯增加。高應(yīng)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(fēng)險，這將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(nèi)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(yīng)力最小，表明附加內(nèi)固定釘棒將上下椎體間活動限制后，可以顯著增加固定節(jié)段穩(wěn)定性，并降低了融合器的應(yīng)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(zhǔn)備，術(shù)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(guān)，這些情況下應(yīng)輔助椎弓根釘棒固定。雙側(cè)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(cè)椎間融合術(shù)多應(yīng)用于發(fā)生脊柱退行性改變的中老年患者，中老年骨質(zhì)及骨量整體上較青年薄弱，術(shù)前需對患者進行骨密度測定。劉磊等[21]研究發(fā)現(xiàn)，合并骨質(zhì)疏松的腰椎退變性疾病患者行腰椎融合術(shù)后易發(fā)生融合器沉降。Tempel等[22]研究發(fā)現(xiàn)，對于骨密度T值<-1.0SD的患者行stand-alone技術(shù)具有較高的融合器沉降發(fā)生率和再手術(shù)率，因此，建議對骨密度T值<-1.0SD的患者附加后路內(nèi)固定。
本研究的基礎(chǔ)是依據(jù)側(cè)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(shù)中終板損傷及cage不平行插入椎間隙導(dǎo)致，可能造成終板受力不平衡，脊柱穩(wěn)定性下降，局部應(yīng)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
