有限元方法应用于特发性脊柱侧凸研究的进展

冯毅，海涌，藏磊

(1.山西医科大学第二医院骨科，山西太原030001;2.首都医科大学附属朝阳医院，北京100020)

综述

有限元方法应用于特发性脊柱侧凸研究的进展

冯毅1，海涌2*，藏磊2

(1.山西医科大学第二医院骨科，山西太原030001;2.首都医科大学附属朝阳医院，北京100020)

有限元方法自20世纪中期诞生以来，其通用性和有效性已经在诸多领域得到验证，目前在生物医学领域广泛应用于口腔、眼科和骨科等临床研究。自Belytschko等［1］于1974年首次将有限元方法应用于脊柱生物力学研究以来，其在脊柱外科领域的应用日益广泛和深入。Viviani等［2］于1986年最早将有限元方法应用于脊柱侧凸领域，用于指导手术矫正，并对矫正方案进行了优化。由于脊柱侧凸病理解剖复杂，体外实验和动物模型均难以模拟，使得其生物力学研究受到限制。有限元方法能较逼真地模拟各种类型脊柱侧凸的形态并能进行相关的生物力学计算，在脊柱侧凸研究领域有着无可比拟的优越性。我们总结了近年来有限元方法应用于特发性脊柱侧凸的相关研究成果，报告如下。

1 病理机制研究

特发性脊柱侧凸的病理机制包括三个方面:a)直立行走引起的脊柱力学不稳定是发病基础;b)人体解剖结构不对称加之脊柱力学不稳定导致脊柱发生旋转;c)椎体结构包括椎体和椎弓根成骨速度不一样，椎体两侧生长不对称，椎间盘纤维含量差异等会进一步加重侧凸。以上三者中，直立行走过程中脊柱的载荷重力和椎间盘变性是脊柱侧凸的一个基础发病机制。Drevelle等［3］利用有限元模型模拟四种脊柱侧凸的病理机制，一是脊柱载荷自然重力，二是脊柱载荷重力联合椎间盘机械硬度降低;三是脊柱载荷重力联合脊柱前柱生长;四是联合重力、椎间盘硬度降低以及前柱生长三种机制。结果表明单纯载荷重力可引起脊柱侧凸进一步侧方移位，但对旋转不造成影响，联合前柱生长则能进一步引起旋转加重，如果进一步联合间盘硬度降低，以上的作用均会得到加强。但对于正常脊柱，以上三种模拟机制均不能引发脊柱侧凸。Clin等［4］模拟施加重力于每一个椎体水平重心的中点，通过模拟失重和承受重力两种状态与实际影像学表现相比较进行参数优化，然后计算发生侧弯椎体承受的力量，发现凸侧和凹侧椎体压力明显不同。Li等［5］利用有限元模型研究震动对青少年特发性脊柱侧凸的影响，通过对脊柱的有限元模型在纵轴、冠状位、矢状位方向施加1～35 Hz频率的震动载荷来观察对侧凸的影响。结果显示侧凸脊柱比正常脊柱受震动的影响更大，胸弯比腰弯所受影响要大。对于有侧凸畸形的脊柱施加轴性震动载荷可以引起旋转畸形和侧凸畸形的进一步加重。Shi等［6］建立具有生长动态的脊柱有限元模型，利用这个模型衍生出另外5种几何模型，模拟不同类型的冠状面以及矢状面侧凸畸形。这些有限元模型整合了椎体生长板以及生长调节生物力学特性模拟青少年特发性脊柱侧凸和正常脊柱十年生长的动态过程，连续测量脊柱的形态变化并进行比较。结果表明椎体形态的加速增长能促进侧凸畸形的进展，是一个关键性因素。

2 柔韧性研究

有限元模型非常逼真的模拟了脊柱连接单元，包括椎体、椎间盘、小关节突以及韧带等，为特发性脊柱侧凸的柔韧性研究提供了良好的研究方法。Little等［7］利用有限元分析证实，减少椎间盘的胶原纤维量或降低韧带的僵硬度对减少脊柱弯度的影响较小，而切除整个椎间盘则会大大增加脊柱的柔韧性。椎间盘的僵硬度对脊柱的柔韧性存在明显影响，而脊柱的柔韧性也会对椎间盘的形态和成分造成影响。Hunt等［8］在幼羊脊柱采用非融合技术进行固定，虽然不会引起相应椎间盘的退行性改变，但是椎间盘组织的细胞密度会降低，而且细胞出现萎缩，终板的血管组织也减少，但相邻的未固定节段的椎间盘细胞活力以及终板血运均正常。除了椎间盘的僵硬度会影响脊柱的活动度，其形态也对脊柱的活动度存在影响。Meijer等［9］建立L3～4运动节段的有限元模型，用来评估青少年脊柱生长期的几何变量如椎体及椎间盘的高度、宽度、纵向长度等，以及横突宽度、棘突长度、髓核大小、小关节突关节面面积、韧带粗细等对脊柱后伸、前屈、双侧屈以及轴性旋转的僵硬度的影响。研究表明，尽管青少年生长期高度变量最大，但其对脊柱的活动度影响却不大。椎间盘和椎体的纵向长度变量对于脊柱各个方向活动度的影响最大，宽度变量仅影响侧屈的僵硬度。近些年人们开始利用有限元方法模拟周围软组织对于矫形的影响。Little等［10］用标准参数模拟软组织性能参数，并通过改变肋椎关节的性能参数进行修正。研究表明支点弯曲试验中脊柱的柔韧性不是某种单一组织单独作用能够控制的。

3 内固定物生物力学研究

大部分严重的以及保守治疗失败的脊柱侧凸最终都要依赖内固定进行矫形。内固定物的研发以及应用的安全性和有效性是目前研究的重点。对金属材质的良好模拟性使得有限元方法应用于内固定物的研究具备得天独厚的条件。目前研究主要集中在材料属性、内固定种类、固定牢靠度、矫形有效性以及应力集中、疲劳等方面。Lalonde等［11］利用有限元模拟了1例内窥镜下植入U型钉矫形典型的右胸弯病例(Cobb角21°)，模拟术中侧卧位和术后站立位以及改变每个椎体植入U型钉数目情形下脊柱侧弯的矫形情况。结果显示Cobb角主要改善来自术中体位(9°)，而U型钉的即刻矫形作用不超过1°。但当转化为站立位时，U型钉可以帮助维持术中体位获得的矫形。作者认为此项研究可以进一步模拟手术病例，验证其在完成生长调节矫形、改善侧卧位矫形、为各种类型的侧弯制定不同的置钉方案等方面的有效性。Wagnac等［12］建立L3椎体的有限元模型模拟椎弓根螺钉的轴性拔出与体内试验的数据相比较。模拟螺钉拔出的力量与实际测得的相接近，而且有限元分析显示椎弓根螺钉拔出试验中椎体内的Von Mises应力集中于螺钉各个螺纹根部的骨质处，而且最大应力位于椎体后壁皮质骨内螺钉最近端螺纹处的骨质。Driscoll等［13］建立一个胸椎前凸的有限元模型，主弯集中于T5～9，通过分别模拟不锈钢钉、弹性栓带、形状记忆合金三种非融合内植入物固定于模型中来观察各自的短期疗效(生长板的非对称负荷和侧凸矫形效果)和长期疗效(生长2年后的矫形效果)，最终证明三种非融合内固定物通过椎体生长板的非对称性压力控制达到生长调整，获得了长期的矫形效果。Salmingo等［14］通过有限元模型对模拟的固定棒不断施加三维力量，直至其变形与实际术后的几何变形一致，然后来分析其在矫形中所承受的三维力量。研究认为此逆解法能很好地通过内固定物的变形来分析其承载的生物力学。随后，作者又通过有限元分析表明尽管可以通过增加螺钉的密度来增加矫形度数，但同节段的应力也会增加，矫形效果不仅仅是与内植入物承受的应力相关，还与螺钉植入配置和脊柱的僵硬程度有关。考虑到应力承受，通过增加螺钉的数量来增加矫形效果不是保险安全的手术策略［15］。Rohlmann等［16］利用建立的腰椎有限元模型，对直立、屈曲、伸展、左右侧位、左右轴性旋转等七种负荷进行概率有限元研究。结果显示椎弓根螺钉动态稳定系统可以减少椎体间旋转、椎间盘压力以及关节面压力，负荷承载、弹性杆的弹性模量和直径、椎体节段的撑开、杆与螺钉连接的角刚度等输入参数对输出参数如椎间旋转、椎间盘压力、以及关节面承受力的影响最大。Driscoll等［17］通过有限元模型模拟不锈钢钉、记忆合金钉、弹性栓带等几种内固定物植入到凸侧顶椎的周围来分析比较各自的矫形效果以及椎体生长板的应力图，再模拟出生长两年后的脊柱，计算侧凸角度变化，包括植入内固定物的和没有植入内固定物的。研究表明内固定物通过压迫椎体生长板可以起到生长期的矫形效果，生长型有限元模型为临床研究非融合保留生长技术提供了很好的研究平台。也有学者模拟出生长期的脊柱侧凸有限元模型，并进一步模拟出安装生长棒的脊柱生长模型，通过有限元分析来精确模拟生长棒所需的3D力量以及调整周期。

4 体位矫形研究

既往已经有关于有限元对体位矫形的研究，对脊柱俯卧位全麻状态下脊柱侧凸的矫正进行了有限元模型的建立和力学分析，对比侧卧位、仰卧位和俯卧位脊柱侧凸的改善程度，认为脊柱侧凸的纠正程度和手术中的体位有关系。近几年的研究将更多的影响因素附加到有限元模型，对体位的矫形作用做更深一步的研究。Lalonde等［18］通过建立术中侧卧位时脊柱的有限元模型，成功模拟出与实际测量相一致的脊柱变形的几何形态，而且有限元模拟进一步显示骨盆倾斜度对不同类型侧凸的腰弯和主弯的Cobb角造成不同影响。侧卧位可以在内固定矫形前有效地减少侧弯的度数。作者进一步通过个体化的有限元模型来分析术前侧卧位对于侧凸各项指标的改善作用，发现有限元模型能很好的模拟主弯Cobb角以及顶椎移位的改善程度［19］。Driscoll等［20］根据站立位平片模拟出包括脊柱、肋骨、骨盆以及下肢的有限元模型，研究患者从站立位转变成俯卧位时外科矫形垫的结构，站立位曲度大小以及患者重量等对脊柱几何形态的影响。结果表明腰前凸、胸后凸、近胸弯、主胸弯、胸腰弯等冠状位和矢状位曲度在俯卧位时均减少，除了胸垫的纵向位置以外，外科矫形垫的结构、站立位曲度大小以及患者重量等对脊柱的几何形态均可造成重要影响。

5 支具矫形研究

支具矫形作为一种有效而无创的治疗方法在畸形较轻的脊柱侧凸和发育的早期节段被广泛应用。有限元分析应用于支具的研究有诸多优点:a)能够良好地模拟支具的形态结构;b)能够随意地改变支具的材料属性并进行比较;c)能够精准地测量各个部位的应力情况;d)能够观察支具应力下的动态变化。目前的研究主要集中在支具的设计、改良、研发等方面。Clin等［21］建立脊柱侧凸支具治疗的有限元模型来分析各种设计因素的即刻矫形效果，发现支具开口的位置(前开口和后开口)影响矫形的机制，粗隆部伸展的位置通过改变杠杆臂影响胸腰部衬垫的效果，增加扣带的紧张度会增加冠状面的矫形效果，后凸设计会影响矢状面的矫形。后来，作者又建立了包括重力作用在内的脊柱侧凸患者躯干的有限元模型，模拟了支具佩戴，并对其束带的张力、脊柱僵硬程度以及重力的影响进行评估。他们发现支具矫形程度主要取决于束带张力大小和脊柱僵硬程度［22］。Berteau等［23］应用有限元分析法模拟出具有分散力矫形的改良支具并与传统支具相比较，结果表明前者的三维矫形效果优于后者。Desbiens-Blais等［24］利用从二维平片获得躯干骨骼的三维重建以及从表面形貌学获得的躯干表面建立有限元模型，与CAD/CAM软件(Rodin 4D)联合，利用迭代设计并模拟支具矫形效果来预测躯干的承受力，最后模拟出的支具由数控装配师进行装配。对比这种新型模拟支具与标准支具的矫形效果，显示计算机辅助支具与标准矫形支具的矫形效果相当。

6 手术矫形研究

如前所述，由于有限元方法能较好的模拟各种类型脊柱侧凸，又能较好的模拟内固定物，还能给模型加载各种应力并计算三维矫形结果以及各节点所承受的应力，并能分析内固定物的应力应变情况。因此有限元分析法可以说是目前模拟脊柱侧凸手术矫形的最佳研究手段和方法。近几年，有限元分析法在模拟手术矫形效果、选择手术入路和融合节段、预测手术风险等方面取得了很多成果。Lafon等［25］对CD旋棒技术进行了深入研究。作者使用一种自动运算系统模拟了CD手术矫形技术，并且对比实际术后脊柱形态及各种数据来评估模拟的效果。研究发现每一步操作均对脊柱侧凸的矫正有影响，尤其是第2根棒植入后对脊柱整体的影响更为重要。作者进一步建立了10例重度特发性侧凸患者的个体化有限元模型，采用自动模拟原位弯棒技术，将钉(钩)与棒之间的接触设置为具有滑动、旋转和锁定功能的关节，用两个相反方向的力矩模拟两根弯棒作用于选定椎体的内固定物节点上。研究发现原位弯棒技术与CD旋棒技术的矫形效果相似，并且双侧棒的弯曲对融合区以内或以外的脊柱产生互补的作用［26］。Li等［27］利用PUMCⅡd2型特发性脊柱侧凸患者的有限元模型分别模拟比较了上胸弯融合、下腰弯融合和双弯融合3种不同手术方式，认为通过有限元模型进行载荷下模拟分析得到的最佳手术方案与分型的融合原则相同，进一步验证有限元模型的有效性。Little等［28］利用T7～8运动节段(包括T8肋骨)的有限元模型对脊柱侧凸手术中切除肋骨过程中的相关生物力学变化进行分析。通过模拟节段性的去稳定手术(椎间盘切除，右侧肋椎关节切除，右侧肋横突关节切除，左侧肋椎关节切除)，在2 000 Nm力矩下分析屈曲、伸展、侧弯以及轴性旋转的生物力学特征，与体外测得的数据进行比较，并进一步分析后方韧带的载荷。结果显示切除肋椎关节会导致脊柱关节的过度旋转活动，从而增加韧带过负荷和损伤的风险。Cahill等［29］模拟出脊柱侧凸胸椎融合术的有限元模型，变化模型一:去除固定节段近端一个水平的ISL/SSL复合体，变化模型二:采用过渡棒(末端变细)延长固定节段到上一个节段水平。计算获得载荷控制和位移控制两种情况下的角位移、髓核最大压力、内固定物的应力。当ISL/SSL复合体移除后，固定的上一个节段的髓核压力及角位移均会增加，但当固定采用过渡棒延长一个节段后，这些力学变化就会恢复正常。而且，采用过渡棒延长固定能够避免即使ISL/SSL复合体没有损伤情况下的髓核压力及角位移的增加。有限元分析显示固定节段的近端一个水平的病理载荷在ISL/SSL复合体完整的情况下会减少。如果应用过渡棒延长固定的话，则可能会完全得到消除。Pasha等［30］模拟出1例详细的个性化的脊柱、骨盆和肋骨的有限元模型，从9例青少年特发性脊柱侧凸患者术前和术后平均16个月时获得骶骨生物力学载荷，与对照组的12例进行比较。结果表明术后与对照组之间的骶骨生物力学载荷没有差别，但术前和术后，术前和对照组之间均有明显的差异。Zhang等［31］利用有限元模拟手术矫形程序，包括去旋转和加压，比较不同手术入路和融合节段的脊柱的应力变化和矫形效果，结果显示，建立的Lenke5型的脊柱侧凸有限元模型能够成功的模拟手术效果，帮助临床选择手术方法。Little等［32］还利用术前CT生成8例前路单棒矫形术的有限元模型，包括脊椎韧带和肋骨，内固定钛棒和螺钉，利用模型分析不同载荷下术中椎体间的压力情况。研究表明术中关节间压力与矫形效果直接相关，主要的畸形矫正位于或接近于顶椎水平，冠状面的畸形矫正与椎间隙空间解剖有着重要关系，当矫形过程中对侧椎体骨对骨接触后则达到了矫形的极限。

有限元方法在研究脊椎及间盘的应力和应变、脊柱畸形的发生和发展、内固定物的材料属性和生物力学、矫形治疗的选择和优化等方面可以说是目前一种不可替代的技术手段。但是目前有限元模拟主要是采用简化和假设，研究者可以自由地对简化方式、假设、材料特征和形状进行选择，且有些生理结构目前尚无法实现模拟，其有效性与尸体标本和实体实验尚有差距。加之脊柱矫形除了脊柱本身的生物力学外，还有外界很多因素，如重力因素、周围肌群、术中麻醉、体位等，这些不确定因素更是增加了有限元分析的复杂度和计算量，而在实际研究中这些常常被忽略，这就导致得到的数据与实际生理数据有差异。但是，随着有限元分析软件的改进，如Abaqus，ANSYS等功能越来越强大，能够逼真地模拟椎体、间盘甚至椎间小关节和肋椎关节等，还能附加韧带、肌肉等软组织，使得有限元分析越来越合理、越来越科学，而且随着有限元软件操作界面的不断简化，有限元的应用会越来越广泛。此外，随着脊柱侧凸解剖、病理、生物力学等认识的深入，更多更准确的材料属性数据的获得，各种影响因素的合理附加等等，有限元分析法在脊柱侧凸领域的应用定会有广阔的发展前景。

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R682.1+3

A

2015-07-06

冯毅(1971-)，男，副主任医师，山西医科大学第二医院骨科，030001。

1008-5572(2016)01-0035-05

*本文通讯作者：海涌