UPS固定对TILF术后邻近节段生物力学影响的有限元分析

陈 伟,黄明光,冯杰荣,殷海东,吴宇宁,邱耿韬,王智运

(南方医科大学顺德医院脊柱外科，广东 顺德 528300)

单侧椎弓根螺钉(Unilateral Pedicle Screw Fixation，UPS)固定技术是经椎间孔入路腰椎椎间融合术(Transforaminal Lumbar Interbody Fusion，TLIF)的一种内固定方式，其主要是对既往TLIF术中采用双侧椎弓根螺钉(Bilateral Pedicle Screw，BPS)固定的方式进行改良，通过仅在患侧置入椎弓根螺钉进行固定，避免双侧坚强固定，保留健侧正常解剖结构和活动度[1]。目前已有大量文献表明UPS技术所提供的临床疗效及融合率与传统手术方式之间并无明显差异，且该技术还可明显减少手术时间和术中出血量[2]，具有较好的生物力学稳定性[3-4]。与此同时，还有部分学者认为相较于BPS，UPS能对邻近节段退变起一定预防作用[5-6]，但目前尚未得到相关生物力学研究支持。因此，本研究拟通过腰椎三维有限元模型模拟TLIF术后椎间融合前与椎间融合后的生物力学状态，对比分析UPS和BPS技术在该手术中应用时，模型整体位移和椎间盘、小关节应力应变情况以及椎间融合器和椎弓根螺钉的应力情况，明确UPS对邻近节段稳定性和局部结构应力的影响。

1 资料与方法

1.1 三维有限元模型的建立和载荷加载

利用三维重建软件Mimics(Materialise’s interactive medical image control system)提取CT扫描中正常志愿者的脊柱形态数据，并通过Geomagic获取优化处理后的L2-5节段脊柱三维模型。通过Solidworks模拟仿真构建椎间融合器、椎弓根钉棒系统并将其与完成L3左侧椎板、L3/4左侧关节突关节和椎间盘切除的椎体模型进行组配，采用Ansys Workbench对模型进行网格划分，并重建韧带及关节突关节(图1)。

对模型各部位的弹性模量，泊松比等材料系数进行赋值[7]，并假设模型骨皮质、骨松质、椎间盘、小关节以及内固定均为连续、各向同性和均匀的线弹性材料。同时定义椎间融合前融合器与上下椎体间采用不分离接触，允许微小切向滑动；而融合后等效成已经融合，此时椎间融合器与上下椎体间采用绑定接触，不允许滑动。L5椎体底端全固定，L2椎体顶端施加400N轴向荷载，以及施加10N.m力矩来分别模拟前伸、后屈、左右侧屈及左右旋转6个方向的活动(图2)[8]。

图1 TLIF三维有限元模型A，B：UPS组；C，D： BPS组

图2 前屈加载示意图

1.2 数据采集

通过UPS以及BPS在TLIF中应用的三维有限元模型，在前屈/后伸，左/右侧屈，左/右旋转六种工况下，分析其椎间融合前/后的模型整体位移和邻近椎间盘、小关节应力情况以及椎间融合器和椎弓根螺钉的应力情况，并记录其峰值用于具体分析。

2 结 果

2.1 模型整体位移

在六种工况下分析UPS组和BPS组椎间融合前/后的模型整体位移峰值(图3)，其结果显示椎间融合前/后，UPS组平均位移峰值分别较BPS组增高了10.00%和12.14%，且均在右倾工况下出现显著增加，分别增加了26.07%和25.90%；UPS组椎间融合前平均位移峰值与椎间融合后差异为27.87%，而BPS组为29.58%，其两者之间的差异不大，总体变化趋势基本保持一致。

图3 各种工况下模型整体位移峰值

2.2 椎间融合器应力

在六种工况下分析UPS组和BPS组椎间融合前/后的椎间融合器应力峰值(图4)。其结果显示椎间融合前/后，UPS组融合器的平均应力峰值较BPS组分别增高了18.63%和51.55%；UPS组椎间融合前与椎间融合后椎间融合器的平均应力峰值的差异为-3.81%，而BPS组为38.19%，其两者之间的差异较大，变化趋势不一致；UPS组椎间融合后融合器应力峰值在后伸、左/右侧倾工况下较椎间融合前增加，分别为20.64%、20.87%和13.60%。

图4 各种工况下椎间融合器应力峰值

2.3 椎弓根螺钉应力

在六种工况下分析UPS组和BPS组椎间融合前/后的椎弓根螺钉应力峰值(图5)。其结果显示椎间融合前/后，UPS组的椎弓根螺钉平均应力峰值较BPS组分别增高了32.44%和 29.65%；右倾及左旋情况下，两组之间椎弓根螺钉的应力峰值区别不大，特别是右倾工况下UPS组的椎弓根螺钉应力峰值甚至小于BPS组；UPS组其椎间融合前与椎间融合后椎弓根螺钉的平均应力峰值差异为21.08%，而BPS组为17.81%，其两者之间的差异不大，总体变化趋势基本保持一致。

图5 各种工况下椎弓根螺钉的应力峰值

2.4 邻近小关节应力

在六种工况下分析UPS组和BPS组椎间融合前/后的邻近节段小关节应力峰值(图6)。其结果显示椎间融合前/后，UPS组L2/3以及L4/5小关节应力峰值与BPS组之间无明显差异；UPS组其融合前与融合后L2/3与L4/5小关节的平均应力峰值差异分别为19.76%和16.03%，而BPS组则分别为19.76%和15.94%，其两者之间的差异不大，总体变化趋势保持一致。

图6 各种工况下邻近节段小关节应力峰值A：L2/3小关节；B：L4/5小关节

2.5 邻近椎间盘应力应变

在六种工况下分析UPS组和BPS组椎间融合前/后的邻近节段椎间盘应力应变峰值(图7)。其结果显示椎间融合前/后，UPS组邻近椎间盘应力应变峰值较BPS组均无明显差异；在左/右旋转工况下，UPS组和BPS组其椎间融合后的邻近椎间盘应力应变峰值均较融合前下降超过50%，而后伸工况下，两组仅L4/5节段椎间盘下降超过50%；其他各工况下，两组应力应变峰值差异并不明显，并且其变化趋势基本保持一致。

图7 邻近节段椎间盘应力应变峰值A， C： L2/3椎间盘；B，D： L4/5椎间盘

3 讨 论

腰椎经椎间孔腰椎椎体间融合术(Transforaminal Lumbar Interbody Fusion，TLIF)是一种治疗腰椎退行性疾病的经典手术方式，其具有治疗效果确切、手术节段稳定、术后融合率高的优点[9]，但传统TLIF为增强手术节段稳定性通常采用双侧椎弓根螺钉固定(Bilateral Pedicle Screw，BPS)进行手术节段的坚强固定。而Kabins等[1]于1992年率先采用单侧椎弓根螺钉内固定技术(Unilateral Pedicle Screw Fixation，UPS)对传统TLIF技术进行改良，该技术并未改变TILF的基本原理，只是仅在患侧置入单侧椎弓根螺钉进行手术节段固定。目前已有文献表明，UPS所带来的临床疗效及融合率与BPS并无明显差异，且可大大减少手术时间和术中出血量[2]，降低医疗费用[10]，同时该技术良好的稳定性已得到生物力学测试的验证[3-4]。但针对部分学者认为UPS技术相较于BPS技术能对邻近节段退变起一定预防作用[5-6]，目前尚无直接性生物力学研究支持。

在本研究中，UPS组的模型整体位移在椎间融合前/后较BPS组呈增加趋势，但增加的幅度不大，且主要在右倾工况下出现较大幅度增加，而其他工况下增幅并不明显。考虑这可能是由于UPS技术并未在健侧采用椎弓根螺钉固定，相较于BPS技术保留了一定正常生理范围的活动度，其活动范围的增加并非内固定系统松动所导致的结构失稳，进一步证实了UPS技术具有良好的生物力学稳定性。通常保留生理范围下的腰椎活动度可以在一定程度上缓解邻近节段退变[11]，同时腰椎退行性改变是由于椎间盘或关节突关节的应力发生改变所引起的[12]，因此推测文献所报道UPS技术可减缓邻近节段退变的现象，是否是通过保留手术节段的部分活动度，从而减轻邻近椎间盘和关节突关节应力，最终减缓邻近节段退变。但本研究结果显示在TLIF中无论椎间是否融合，UPS组邻近节段椎间盘的应力应变以及邻近节段小关节应力较BPS组并无明显差异。因此，从生物力学角度分析，可明确UPS技术并不能减缓邻近节段椎间盘以及关节突关节的退变，这与其他类似研究结果一致[13]。

同时，本研究发现UPS组和BPS组其椎间融合后位移、椎弓根螺钉应力以及邻近节段椎间盘、小关节应力应变较椎间融合前均有一定程度下降，且两者之间下降趋势基本相同。特别是旋转工况下，其融合后模型整体位移和邻近椎间盘应力应变均较融合前明显降低，这提示椎间融合仍是维持手术节段稳定、保障手术成功的关键因素。并且本研究还发现UPS组在椎间融合前/后，其椎间融合器及椎弓根螺钉应力均较BPS组明显增加，这说明UPS组在手术节段固定强度上相对较弱。同时UPS组在椎间融合后，其椎间融合器应力较椎间融合前增加，这与BPS组椎间融合前/后的变化趋势明显不同，这可能是由于UPS技术对手术节段健侧小关节活动限制不足所导致的。综合以上观点，UPS技术相较于BPS技术，虽具有较好的生物力学稳定性，但并不能减缓邻近节段退变的发生，同时还可能导致TLIF发生植入物相关并发症的风险增加[14-15]。

综上所述，目前UPS技术已被明确可提供较好的生物力学稳定性，并且在手术时间、术中出血量以及经济费用等方面均具有明显优势。但从生物力学的角度来分析，相较于BPS技术，该技术并不能减缓邻近节段退变，同时还因其存在椎弓根螺钉和椎间融合器应力集中的情况，易导致内植物松动或下沉等内植物相关并发症的发生。因此在手术病例选择过程中应严格把握适应症与禁忌症，在保证患者因UPS技术获益的情况下，降低UPS技术应用过程中内固定相关并发症的发生几率。