腰椎后路撑开小关节融合系统的的解剖学与三维有限元分析

陈坚样 陆文杰 裘情密 庄培袁

（慈溪市人民医院骨科 浙江 慈溪 315300）

椎弓根螺钉融合术是临床上治疗腰椎不稳而导致的腰痛的主要方法之一[1-2]。临床实践证实实施腰椎内固定融合治疗时，患者融合率较高，但临床满意度较低，仅30%左右。手术期间会对患者相邻节段等结构造成一定损伤，损坏邻椎小关节囊，最终将增加其邻近节段活动度等，加速邻近节段退变，远期的疗效会受到了质疑[3-4]。

1.腰椎后路撑开小关节融合系统的解剖学研究与设计

1.1 腰椎关节突椎弓根螺钉内固定的解剖学研究

腰椎退行性疾病可引发腰椎间隙狭窄等病变，从而致患者马尾神经受压等，对部分患者经保守治疗而无法显著缓解者常需行手术治疗。通过手术来解除患者神经压迫症状，改善患者生活质量；然因患者脊柱后方与后外侧植骨易被吸收，从而形成假关节而易致椎弓根内固定系统断裂等而使手术失败。生物力学研究发现，椎间融合器具有稳定作用，因此植入椎间融合器可到达牢固生物骨融合的目的。腰椎退行性疾病所致腰椎不稳和腰椎管狭窄等是临床脊柱外科常见疾病，该疾病中晚期采用保守疗法效果不显著，多数需采用手术治疗。腰椎融合术中长需将后路稳定结构切除，如棘突、黄韧带等，从而致患者腰椎稳定性受到一定影响，此时需植入物以稳定患者脊柱节段。撑开型椎间融合器是近年来应用于临床治疗腰椎退行性疾病的新型椎间融合器，具有创伤小等优点。撑开型椎间融合器体积小，因此可减少对脊柱后方结构的破坏，植入方便，并发症少。植入撑开型椎间融合器后可使椎间隙从类圆形变为长方形，增强融合器的稳定性。撑开型椎间融合器手中建议保留患者椎间隙软骨终板，以确保融合器被植入后，椎体可保持足够负荷承载能力，保障融合器的稳定性。采用撑开型椎间融合器延续了传统融合器的优点，摒弃了其缺点，有利于促进软骨终板的新生骨长入融合器，提高椎间融合率及椎间的稳定性，对提高患者椎间功能具有重要意义。对10 套L3-S1 椎体的干燥标本进行线性测量和角度测量，男性、女性各5 套，共60 个关节突关节和80 个上关节突等，排除掉关节突退变和肥大和受损者。经过检查后发现，50 例正常中老年个体中，正位片上进针点到棘突中线的距离（L）及在侧位片上的进针点平面到棘突项部的高度（H），并计算得到其二者比值（R），得出关节突椎弓根螺钉的安全置钉的范围，并获得最好进点与角度。测量置钉平面面积与上关节突外侧缘切面，在不影响操作及损伤椎体节段血管小关节支的前提下确定理想的融合覆盖面积，以到达最终有效广泛融合[5]。

1.2 腰椎后路撑开小关节融合系统的设计

首先扫描目标椎体，并保存扫描结果，然后进行图像后处理。建立椎体表面标准点、标准平面及点云数据库，设计腰椎后路撑开小关节融合系统模型。提取椎板和棘突及关节突后面相关解剖形态，并结合解剖学研究理想融合覆盖面积，通过建立与其解剖形态相符合的反向模板。结合解剖学研究理想置钉点与最佳插入角度将置钉通道与模板设计拟合成一体。n-HA/PA66 为复合材料，材料拉丝脆性较大，热熔温度较高，3D 打印条件和设备需要在实验中进行多次摸索测试。同时要打印出该系统的精细设计效果，需要对打印软件重新编写调试。

通过腰椎后路撑开小关节融合系统的临床与实验研究，能够逐步完善后路三点固定的腰椎融合微创治疗理念。为腰椎退行性疾病的外科微创治疗提供新的技术支持，最大程度方便医生手术操作，减少手术并发症，有效减低患者手术费用。

2.腰椎后路撑开小关节融合系统的三维有限元分析

2.1 正常人腰骶椎三维有限元模型的建立及有效性验证

一个健康成年男子志愿者，由放射科采用Philips Brilliance 64 排螺旋CT 对L1-S1 各椎节进行连续扫描，扫描层厚设定为0.625mm，将生成的横断面文件保存为Dicom 格式。将数据导入Materialise Mimics 16.0 软件（Materialise 公司，比利时）中，通过调整阈值、区域增长分割出腰骶椎骨性结构，每层图像经边缘分割，并选择性进行编辑等处理，将多余数据去除，建立模型。将生成STL 文件导入并再次进行优化和处理，最后生成连续的NURBS 曲面模型，即实体模型。为完善腰骶椎三维几何模型，重建模型上韧带结构；通过重建小关节结构和模拟其相关功能等，同时分析小关节受力情况，利用相关软件进行有限元网格划分并依照参考文献将各部位材料的弹性模量，泊松比的材料系数以及特征值输入模型完成建模。通过计算模型在多种情况下的腰椎活动度来与既往试验结果进行比对，并验证其有效性。边界条件设定：固定在模型的底部，最近段的L1 可以自由进行活动。在模型L1 上终板附近某处耦合一点，垂直条件下施加500N 预载荷，同时附加扭矩为10N.m，通过模拟不同形态下运动来记录模型在各个运动方向上的最大角位移作为腰椎活动范围（Range of motion ROM）.

2.2 新型腰椎后路撑开小关节融合系统模型建立及虚拟植入

在UG NX8.0 软件中建立新型棘突间撑开器系统模型，然后将重建的假体模型以stl 格式保存，再导入软件中，并进行优化处理，并按标准手术模式与L4/5 模型拟合，进行虚拟植入装配。再次导入Mimics 软件中进行网格划分。撑开器材料采用纳米羟基磷灰石/聚酰胺66 复合复合材料弹性模量3000MPa，泊松比0.26。固定螺钉材料系数采用钛合金弹性模量110000MPa，泊松比0.3。

2.3 新型腰椎后路撑开小关节融合系统的有限元分析

实验所建立的新型棘突间撑开关节突椎弓根固定的L4-5 运动节段三维有限元模型。把椎间盘和椎体上下软骨终板间的关系定义为tie，同时将棘突间撑开器与上、下棘突接触面间关系、L4-5 相邻上、下关节突的关节面间关系均定义为tie。固定腰5椎体下终板，且无任何方向的旋转和位移，向L3 椎体表面持续施加载荷均并使其均匀分布于整个L3 椎体的上终板表面，压力方向垂直向下，大小相当于人体质量的2/3，取500N，运动扭矩为7.5N.m，约束及载荷条件设定好之后，通过Abaqus6.12-1 软件（SIMULIA 公司，USA）Solution 模块求解，计算各工况下前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转运动下各椎间活动度、椎间盘压力及撑开器本身、关节突椎弓根螺钉所受应力。通过应力云图来展示前屈、后伸、侧弯和旋转运动状况下新型棘突间撑开固定系统的应力分布状况，提取相关部位的MISES 应力值，计算ROM，对新型腰椎固定系统的植入分析结果进行评估[6-8]。