退变性腰椎侧弯单节段与双节段固定融合术后邻近节段的生物力学分析

杨永宏，郑杰，楼肃亮，张冬生

（解放军第117医院骨一科，浙江 杭州 310013）

退变性腰椎侧弯是目前临床骨科较为常见的脊柱退变性疾病，发病多见于50岁以上人群，有些患者因同时存在全身其他疾患，手术仅将缓解症状作为目的，从而选择了创伤相对较小的单节段或双节段减压植骨内固定术，然而术后邻近节段是否会发生退变、退变程度及对侧弯发展的影响等却不得而知，本文即利用有限元分析的方法对单节段和双节段内固定+椎间融合术治疗退变性腰椎侧弯术后邻近节段的生物力学变化进行研究。

1 资料与方法

1.1 一般资料 一例退变性腰椎侧弯患者，女性，55岁，主诉“腰痛伴间歇性跛行半年余”，腰椎正侧位片提示侧弯冠状面Cobb角10.8°，腰椎MRI提示：L4-5椎间盘突出、椎管狭窄，L3-4椎间盘突出，L1-2-3、L5-S1椎间盘退变。

图1 a X线片正位提示侧弯冠状面Cobb角10.8°

图1 b X线片侧位提示L4椎体向前滑移，腰椎前凸角24.4°

图1 c MRI提示L4椎体向前滑移，L4-5椎间盘突出、椎管狭窄，L3-4椎间盘突出，L1-2-3、L5-S1椎间盘退变

1.2 治疗方法

1.2.1 三维有限元模型的建立 通过SOMATOM SENSATION 16螺旋 CT机对患者的T12、完整腰椎L1-L5、S1上段脊柱进行扫描，层厚0.75 mm，获取连续胸腰椎各层的二维CT图像383张，图像数据以DICOM格式刻录存盘，导入 E-feature Biomedical Modeler软件，重建出T12-S1段高精度的三维实体模型，并直接将实体模型自动转换生成有限元网格模型，根据退变性腰椎侧弯的病理特点赋予模型特定的材料属性[1，2]，建立三维有限元模型（图2）。模型总计157635个单元，197374个节点。

1.2.2 固定融合术的模型设计及钉棒系统的模拟

根据患者的临床表现及影像学特点设计固定融合术式，具体为：

单节段固定融合术：去除L4棘突、全椎板、部分关节突，行L4椎体提拉复位，L4-5椎间融合＋4枚椎弓根螺钉固定；

双节段固定融合术：去除 L3、4棘突、全椎板、部分关节突，行L4椎体提拉复位，L3-4-5椎间融合＋L3-5节6枚椎弓根螺钉固定。

在E-feature Biomedical Modeler中建立椎弓根螺钉和连接棒的几何模型，然后生成四面体单元，螺钉的直径为4.5 mm，连接棒的直径为 6.5 mm。螺钉、连接棒采用各向同性钛质，弹性模量100000 MPa，，泊松比，0.3。螺钉与骨界面采用面－面接触拟，摩擦系统为0.8[3]。根据临床椎弓根螺钉置入方法（关节突外缘垂线与横突中点水平线的交点为进钉点）置入螺钉，如图3所示。

图2 T12-S1段完整的退变性腰椎侧弯三维有限元模型

图3 单、双节段椎管减压＋椎间植骨融合＋椎弓根螺钉内固定术的有限元模型

1.2.3 模型的边界条件与加载 约束S1椎体和棘突底面上所有节点平移和转动共六个自由度，将各方向完全约束固定。分前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转6种情况分别以节点载荷的形式分10个子步加载力矩载荷10 N.m。

1.3 统计学分析 各项数据通过SPSS 17.0统计软件，进行定量资料的t检验进行分析。

2 结果

2.1 术后模型在各种工况下的脊柱活动度

单节段固定组前屈时的活动度达到 47.7°，是术前模型（35.49°）的 1.34倍，比正常腰椎前屈 45°还大，但总的脊柱活动度与术前模型比较无统计学差异。双节段固定组的活动范围较术前模型及单节段固定组均有所减小，且两两比较具有统计学差异。

表1 单－双节段固定融合术后及术前模型的脊柱活动度比较统计表

2.2 固定相邻节段活动度变化值与模型最大活动范围的比值

即用固定相邻节段的活动度变化值除以模型的最大活动度。比如在L4-L5上进行椎弓根螺钉内固定，则用（L3的活动度－L4的活动度）除以模型的最大活动度，以观察固定相邻节段的相对活动度变化程度，比值越大，说明相邻节段活动度越大。可以看出两种内固定融合术均可增加固定邻近节段的活动度，以单节段固定融合组明显，但两组比较无统计学差异。

表2 单－双节段固定融合术后固定相邻节段活动度变化值与模型最大活动范围的比值

2.3 术后模型在各种工况下相邻节段椎间盘的应力分布

可以看出两种方法固定术后邻近节段椎间盘应力均有所集中，以邻近上节段明显，且单节段固定组大于双节段固定组，两者比较有统计学差异；而两者对相邻下节段椎间盘应力变化无统计学差异。旋转运动时对邻近上节段椎间盘应力影响较大，后伸运动时对邻近下节段椎间盘应力影响较大。

表3 单－双节段固定融合术后固定相邻上节段椎间盘应力比较统计表（MPa）

表4 单－双节段固定融合术后固定相邻下节段椎间盘应力比较统计表（MPa）

2.4 术后模型在各种工况下相邻节段关节突关节软骨的应力分布

可以看出两种方法固定术后对固定相邻下节段关节突关节软骨的应力影响较大，对相邻上节段影响相对较小，但单－双节段固定融合术对关节突关节软骨的影响无统计学差异。旋转运动时对邻近上节段关节突关节软骨应力影响较大，旋转、侧弯运动时对邻近下节段关节突关节软骨应力影响相对较大。

表5 单－双节段固定融合术后固定相邻上节段关节突关节软骨的应力比较统计表（MPa）

表6 单－双节段固定融合术后固定相邻下节段关节突关节软骨的应力比较统计表（MPa）

3 讨论

退变性腰椎侧弯是脊柱发育完成到成年以后由于退变而导致的新的侧弯，对于其手术治疗目前国内外仍无统一、固定的标准，对于手术入路、固定、融合节段等均存在很多争议[4]。因其发病人群多为高龄，且有许多患者的症状是由于腰椎间盘突出或腰椎管狭窄[5，6]所致，故退变性腰椎侧弯的手术以缓解腰腿痛作为主要目的[7，8，9]，而创伤较小的短节段内固定融合术（本文以单，双节段固定融合术作为研究对象），仅对椎间盘突出或椎管狭窄的节段进行了1～2个椎间隙减压、固定，因为手术解除了神经根的压迫，近期效果比较明显，但通过本研究来看，术后固定邻近节段的生物力学也同时发生了重大变化，对邻近节段的力学研究可进一步了解术后退变性侧弯的进展及预后，以评判短节段固定融合术是否适合退变性腰椎侧弯的治疗。

本文通过单－双节段内固定融合术后脊柱活动度、椎间盘压力、邻近关节突软骨压力的有限元分析可以看出，固定融合术后邻近节段的活动度有代偿性增大，且相邻节段椎间盘及关节突关节的应力均有所增高，从而可加重邻近节段椎间盘及关节突关节的退变。对于固定融合的相邻上节段或下节段哪里更容易发生退变，不同的学者研究得出不同的结论。有学者认为上方邻近节段常比下方邻近节段更易发生退变[10]，上方相邻节段的发生率为25.5%，下方相邻节段仅为2.6%[11]；Yashuior[12]的研究则表明，在下方相邻节段受到的压力更为集中，更容易出现退变。从本文的研究来看，退变性腰椎侧弯行单－双节段内固定融合术后均可造成固定相邻上下节段的椎间盘应力增加，但对固定相邻上节段椎间盘的影响大于下方，且旋转运动时对邻近上节段椎间盘应力影响较大，后伸运动时对邻近下节段椎间盘应力影响较大；而对固定相邻节段关节突关节软骨的应力则以固定相邻下节段较为明显，且以旋转、侧弯运动时表现明显，而旋转运动时对邻近上节段关节突关节软骨应力影响较大。有研究认为，由于短节段固定融合术对侧弯的矫形效果有限，术后由于侧弯的存在，邻近节段不对称的应力集中，可导致正位椎间角的进行性增大[13]，从而产生多米诺效应，更加重邻近节段椎间盘及关节突关节的退变，形成恶性循环导致侧弯的发展；且短节段固定术式多为解除椎间盘突出或椎管狭窄节段的神经压迫，固定多位于侧弯的顶椎附近，对侧弯的进展无明显阻滞作用，因此为了防止短节段固定融合术后退变性侧弯的进展，最好减少脊柱的旋转运动，以减少旋转应力带来的邻近节段椎间盘及关节突关节的退变加重。

对于邻近节段退变与融合节段相关性的问题，普遍认为融合节段越长，相邻运动节段应力越集中，越容易出现退变。然而从本文的研究来看，就固定融合术后脊柱的活动情况来看，双节段固定融合组的活动范围较术前模型及单节段固定组均有所减小，说明的确随着固定节段的增多，脊柱的活动范围有所减小，但从固定相邻节段活动度变化值与模型最大活动范围的比值来看，单节段固定融合组的比值却高于双节段固定融合组，单节段固定组前屈时的活动度达到 47.7°，比正常腰椎前屈45°还大，说明了单节段固定融合组更能增加邻近节段的活动范围。另外从固定融合节段对邻近节段椎间盘应力的影响来看，单节段固定融合组对固定邻近上节段椎间盘应力的影响也大于双节段固定组，但对关节突关节软骨的影响单－双节段固定融合组无明显差异。因此来看，单节段固定融合似乎比双节段固定融合更能促进退变性腰椎侧弯固定邻近节段的退变发生，但随着固定节段的增多，其发生规律是否发生变化仍需进一步探讨和研究。

总之，以单，双节段固定融合术为代表的短节段固定融合术治疗退变性腰椎侧弯，短期可带来良好的手术效果，但由于术后增加了邻近节段活动度、邻近节段椎间盘及关节突关节的应力集中，可造成邻近节段的退变加重，有可能导致侧弯的进一步发展，然而侧弯发展与临床症状及需要再次手术干预的比率等仍需要进一步的临床研究。

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