斜外侧入路椎间融合术不同内固定方式的有限元分析

郭惠智，梁 德，张顺聪，罗培杰，杨志东，唐永超，郭丹青，李永贤，莫国业

0 引 言

随着脊柱外科学不断向微创化发展，近年来，脊柱微创技术在国内各医疗机构得到了广泛的应用[1]。1997年，德国的Mayer教授在《Spine》杂志上首次报道了微创腹膜后前外侧入路治疗腰椎疾病[2]；2012年，Silvestr教授正式将这一腰椎融合方式命名为“oblique lateral interbody fusion(OLIF)”，即斜外侧入路椎间融合术(oblique lateral interbody fusion, OLIF)，以区别于其他腰椎融合入路[3]。

OLIF是以腰大肌与腹(髂)主动脉之间的解剖间隙为手术通道，处理椎间盘突出/椎管狭窄责任节段椎间盘和软骨终板，达到间接减压和椎间融合的目的[4]。理论上来说，OLIF不分离腰大肌及腰丛神经，也无需进入椎管，可大大降低手术入路相关并发症的发生率[5-7]。但是，该技术也存在一些争议。由于OLIF常需要配合内固定来加强脊柱稳定性，在内固定方式的选择上，不同的学者根据患者情况及术者经验，报道了各种不同的内固定方式，包括后方椎弓根螺钉固定、侧方单钉棒固定、侧方双钉棒固定或联合关节突螺钉固定[8-10]。目前关于OLIF采用不同固定方式稳定性的生物力学研究极少。因此，本研究拟通过三维有限元分析法，评估双侧椎弓根螺钉固定、侧方单钉棒固定、侧方双钉棒固定、侧方单钉棒+同侧关节突螺钉固定、侧方单钉棒+对侧关节突螺钉固定,5种不同固定方式在OLIF术中的力学稳定性，为临床决策提供一定的参考价值。

1 资料与方法

1.1设备与软件选取广州中医药大学第一附属医院脊柱骨科1例31岁健康男性志愿者，志愿者既往无先天性脊柱畸形和腰椎疾病病史。腰椎CT扫描数据(东芝 AQUIRRON 64排螺旋CT)，扫描参数：155 mAs，120 KV，层厚为0.625 mm，扫描范围：腰1至骶骨，将扫描数据以 DICOM 格式保存。

建模及生物力学处理软件包括：Mimics 19.0三维重建软件(比利时Materialise公司)、Geomagic Studio 2013逆向工程处理软件(美国 Raindrop公司) 、SolidWorks 2017CAD软件(法国Dassault Systemes公司)、ANSYS 17.0有限元分析软件(美国ANSYS公司)。

1.2有限元模型的建立及分析

1.2.1CT数据的三维重建将采集的DICOM格式原始数据导入Mimics软件，依次进行如下处理：依据不同组织的灰度值进行自动化阈值分割区分，初步分离出骨骼组织；利用mask建立各个部分结构模型；利用手工编辑图层工具擦除多余的部分或者补上缺失的部分；对模型分别进行wrap和smoothing处理，填补孔和光滑表面，初步建立三维模型，导出STL 格式模型数据文件。

1.2.2模型的光滑化处理将Mimics生成的STL格式文件导入Geomagic软件中，抹去模型钉状物和多余特征处理，然后对模型进行优化光滑处理，使用精确曲面模块探测模型轮廓线，对变形或者不合理的轮廓进行编辑，适当添加轮廓线以方便生成曲面片；曲面片生成成功后拟合曲面，然后将拟合完成的曲面，将光滑后的模型导出为通用的STEP格式模型数据文件。

1.2.35种不同固定方式OLIF模型的建立将Geomagic软件生成的几何模型格式文件导入SolidWorks软件中，对几何模型进行特征识别和曲面诊断，对有问题的曲面进行修复，在零件界面使用特征/曲面等模块构建皮质骨、松质骨、纤维环、髓核、椎体终板、关节软骨、融合器和5种内固定的模型，其中皮质骨及终板厚度均为1 mm[11]。考虑到OLIF一般无需行后路减压，故未去除关节突或黄韧带等后柱组织。将未放置融合器及内固定的完整模型保存，用于模型的有效性验证。再进入装配界面调整螺钉及连接棒的位置，建立5种不同内固定方式的OLIF模型：双侧椎弓根螺钉固定、侧方单钉棒固定、侧方双钉棒固定、侧方单钉棒+同侧关节突螺钉固定侧方单钉棒+对侧关节突螺钉固定。最后，将构建好的OLIF内固定模型进行组合处理并保存为SLDPRT零件格式文件。

其中，融合器及内固定模型的参数如下：①OLIF融合器模型参照美敦力公司(Medtronic，美国) CLYDESDALE©椎间融合系统的实物进行构建，尽量保留其几何学特征，规格为50 mm×18 mm×12 mm(长×宽×高)，并将融合器放置于L4-L5椎间隙的前中部；②椎弓根螺钉规格为45 mm×6.5 mm(长度×直径)(UPASS脊柱内固定系统，威高医疗器械有限公司，中国)，连接棒规格为45 mm×5 mm(长度×直径)；③侧方螺钉规格为50 mm×6.5 mm(长度×直径)，螺钉钉尖穿透椎体对侧骨皮质，连接棒规格为50 mm×5 mm(长度×直径)，侧方双钉棒固定中横梁的规格为25 mm×5 mm(长×宽)；④关节突螺钉规格为45×3.5 mm(长度×直径)(上海浦卫医疗器械有限公司，中国)，进钉点为棘突与椎板结合点中下1/3处，螺钉依次穿过L4棘突、L4下关节突和L5上关节突。

1.2.4模型的属性设置及分析将SolidWorks中生成的体网格模型导入ANSYS软件中，建立Static Structural分析类型，在分析材料库中分别建立皮质骨、松质骨、关节软骨、终板、纤维环、髓核、内固定和融合器的材料属性(其杨氏模量分别为12 000、100、50、1000、4.2、1、110 000、3500 MPa，泊松比除纤维环为0.45，髓核为0.499外，其余均为0.3)，并在geometry分别对其进行赋值[11-12]。前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、横突间韧带、关节囊韧带、棘间韧带、棘上韧带等使用只受拉力不受压力的单向弹簧单元模拟，其刚度分别为8.74、5.83、15.38、0.19、15.75、10.85、2.39 N/mm[11, 13]。在connection中定义模型间的接触类型，其中关节突关节接触类型为滑动摩擦“Frictional”模式，摩擦系数0.2；其余接触类型均设置为绑定模式“bone”。对模型进行网格划分，其中网格类型设置为四面体网格，关节软骨网格大小为0.5 mm，其他设置为2.0 mm。最后，设置边界条件和载荷：约束L5椎体下表面所有节点的各向活动，于L3椎体上表面施加均匀分布的500 N面载荷，压力方向垂直向下，模拟正常人体上半身重量；同时在L3椎体上表面于不同方向施加7.5 N·m力矩，模拟正常人体前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转、右旋转 6 种运动状态。对完整模型进行有效性验证后，按上述预设条件让计算机自动求解。

1.2.5观察指标分别观察5种不同固定方式的有限元模型在上述6种运动状态下L4-5椎体活动度，评估5种固定方式的稳定性；分别观察5种不同固定方式的有限元模型在上述6种运动状态下融合器及内固定应力云图分布及应力最大值，分析比较不同固定方式应力分布改变。

2 结 果

2.1模型的有效性验证完整模型L3-4和L4-5节段在前屈、后伸、侧弯、旋转时ROM分别为4.81°、3.88°、3.62°、1.96°和6.22°、3.08°、4.11°、2.78°， 模型可较好的模拟正常腰椎活动。

2.2固定节段活动度在固定节段活动度上，双侧椎弓根螺钉固定效果最好，在6种运动状态下活动度均较小；侧方单钉棒固定在各个方向运动状态下椎体活动度均为最大；侧方双钉棒次之，在前屈、后伸及右旋时活动度较大；侧方单钉棒+同/对侧关节突螺钉和双侧椎弓根螺钉固定活动度类似，其中侧方单钉棒+对侧关节突螺钉在后伸及右旋时活动度甚至略小于双侧椎弓根螺钉，见表1。

表1 5种不同固定方式下固定节段活动度的比较(°)

Table 1 The ROM of fixed segment in five type of instrument models (°)

固定方式前屈后伸左侧弯右侧弯左旋转右旋转双侧椎弓根螺钉0.360.140.320.290.130.14侧方单钉棒1.060.430.440.480.270.38侧方双钉棒0.800.390.350.350.190.27侧方单钉棒+同侧关节突螺钉0.410.160.320.280.160.17侧方单钉棒+对侧关节突螺钉0.400.120.350.330.150.13

2.3融合器最大应力双侧椎弓根螺钉固定除了左侧弯时应力稍大外，其余活动应力均较小；侧方单钉棒固定在各种活动状态下融合器应力均为最大；侧方双钉棒固定在屈伸时应力较大，其余方向活动应力较小；侧方单钉棒+同侧关节突螺钉固定除了在后伸时融合器应力较大外，余各方向活动时应力均较小；侧方单钉棒+对侧关节突螺钉固定除了前屈时应力稍大外，其余方向活动应力均较小，见表2。

表 2 不同固定方式融合器最大应力的比较(MPa)

Table 2 The stress of cage in five type of instrument models(MPa)

固定方式前屈后伸左侧弯右侧弯左旋转右旋转双侧椎弓根螺钉19.068.5214.4117.0213.8612.45侧方单钉棒39.5320.6822.3425.0917.6316.77侧方双钉棒28.7519.4215.6120.7916.1014.46侧方单钉棒+同侧关节突螺钉17.6412.4311.2322.6313.8212.04侧方单钉棒+对侧关节突螺钉24.045.499.7021.3715.9813.78

2.4内固定最大应力及应力分布特点双侧椎弓根螺钉固定在各个方向活动时内固定应力均最小；侧方单钉棒和侧方双钉棒固定在前屈、旋转时内固定应力较大；侧方单钉棒+同侧关节突螺钉固定在屈伸、侧弯时应力较大，旋转时应力较小；侧方单钉棒+对侧关节突螺钉固定在前屈和右侧弯时应力较大，余活动方向应力较小，且大部分工况时应力均小于侧方单钉棒+同侧关节突螺钉固定，见表3。在内固定应力分布上，应力主要集中在椎弓根螺钉和侧方螺钉尾部、连接棒和关节突螺钉上下关节突交汇处。

表 3 不同固定方式下内固定最大应力的比较(MPa)

Table 3 The stress of instruments in five type of instrument models(MPa)

固定方式前屈后伸左侧弯右侧弯左旋转右旋转双侧椎弓根螺钉56.8529.2941.3740.1340.3440.88侧方单钉棒190.7654.4263.9477.9274.8873.87侧方双钉棒138.0856.3369.7357.7263.0187.74侧方单钉棒+同侧关节突螺钉143.4375.26123.75 85.1772.2880.65侧方单钉棒+对侧关节突螺钉123.0546.5058.1391.7463.8758.04

3 讨 论

OLIF是近年来较为流行的微创腰椎融合术式之一，可较好的减少手术入路相关并发症并保留后柱的稳定性。但由于其手术器械无法直接从侧方减压，其临床疗效主要来自于融合器的间接减压：即宽大的Cage撑开椎间隙，恢复椎间孔高度，绷紧后纵韧带，恢复脊柱矢状位序列[14]。临床研究表明，OLIF术中只放置融合器不使用内固定可能会增加融合器下沉的风险，发生率可达到26.09%，导致间接减压效果降低[15]。因此，多数学者常联合使用内固定器械以维持手术节段稳定性，减少融合器的移位松动，促进椎间融合[16]。但目前OLIF选择何种内固定仍然存在一定争议，临床常见的内固定方式有后方椎弓根螺钉固定、侧方钉棒固定或联合关节突螺钉固定等，国内外文献中关于这几种内固定方式的生物力学研究较少。因此，本研究通过建立较为仿真的手术模型，分析在OLIF术中，上述内固定方式生物力学稳定性的差异，为术中选择内固定提供一定的参考[5, 17]。

后路椎弓根螺钉固定可较好的维持椎体三柱的稳定性，是脊柱手术内固定的 “金标准”[1, 18]。本研究的数据也表明，在OLIF术中，双侧椎弓根螺钉固定无论是在固定节段活动度还是内固定、融合器应力大小上，均表现出明显的优势。但是，OLIF采用后方椎弓根螺钉固定需在术中翻身，并破坏后方肌肉韧带的稳定性，有违其微创的原理。侧方螺钉固定因操作简便，在OLIF术中也被部分学者所使用。本研究的结果显示，侧方单钉棒和双钉棒的固定效果欠佳，尤其是控制椎体屈伸能力较差，可能只适用于骨质量较好、体重指数正常、无明显腰椎不稳的患者。

生物力学及临床研究表明，单侧椎弓根螺钉联合对侧关节突螺钉固定能达到和双侧椎弓根固定类似的稳定性和融合率[19-22]。由于OLIF融合器体积宽大，可横跨整个椎体，手术操作中也不需要破坏后方肌肉韧带及关节突关节，后柱稳定性较好。因此，笔者猜想，采用侧方单钉棒+关节突螺钉固定也能达到较好的固定效果。本研究中，侧方单钉棒+同/对侧关节突螺钉固定和双侧椎弓根螺钉固定比较，椎体活动度类似，其中侧方单钉棒+对侧关节突螺钉甚至在后伸及右旋时活动度略小于双侧椎弓根螺钉；在融合器最大应力上，侧方单钉棒+同/对侧关节突螺钉固定在大部分活动情况下和双侧椎弓根螺钉类似，应力均较小；但是，在内固定最大应力上，侧方单钉棒+同侧关节突螺钉在大部分工况下均高于侧方单钉棒+对侧关节突螺钉，且侧方单钉棒+对侧关节突螺钉在临床中可以在侧卧位下经皮置入，避免术中翻身。因此，笔者认为，侧方单钉棒+对侧关节突螺钉在OLIF术中既可以达到和椎弓根螺钉相似的固定效果，又可减少手术操作，节省手术时间，值得临床尝试。

综上所述，本研究显示，在OLIF术中，双侧椎弓根螺钉固定的生物力学效果最好，侧方单钉棒+对侧关节突螺钉固定效果和双侧椎弓根螺钉相似，且临床操作较为简便，手术损伤相对较小，是一种值得尝试的固定方式。