有限元分析在腰椎疾病治疗中的研究进展

赵鹏，赵岩

（1.内蒙古医科大学研究生学院，内蒙古 呼和浩特；2.内蒙古医科大学第二附属医院，内蒙古 呼和浩特）

0 引言

随着人口老龄化的到来，腰腿痛患者逐年增加，腰椎退行性疾病是引起这类症状的主要病因，相关统计表明，腰椎退行性疾病是致残的最大原因之一[1]。多数经保守治疗可缓解，对保守治疗无效的病人，特别是腰椎稳定性下降的患者，需进行手术治疗，达到解除神经压迫症状和维持腰椎稳定性的目的[2]。目前，腰椎融术合是治疗腰椎间盘突出、腰椎不稳、椎管狭窄、滑脱等腰椎退变性疾病的常用手术方式之一。腰椎间融合技术在腰椎退行性疾病治疗中的应用呈上升趋势，从1999年到2011年，腰椎间融合手术治疗腰椎退行性疾病的患者比例从13.6%显著增加到32%[3]。术后多数患者临床效果满意，但术后螺钉松动、断裂、融合器沉降、邻近节段退变、下腰痛等影响远期效果，这些并发症与术后生活方式及手术操作情况密切相关，脊柱的生物力学研究有助于明确并解决这一问题。

1 脊柱的生物力学研究

传统生物力学的研究可分为体外、体内两类。体外研究通常使用动物及尸体上进行实验来预测，这些研究被广泛认为是运动范围（rom）测量的金标准，用于研究性别、生活方式和病理学对脊柱运动的影响[4,5]。但是这些研究的缺点是无法模拟实际运动中的肌肉力量。体内研究是利用各种放射学技术和设备来获得整体和节段的脊柱分析[6,7]。然而这些研究中所采用的方法存在各种缺点，包括不同的生理负荷条件和测量技术的局限性。1972年Belytschko等[8]首次将有限元分析应用于脊柱力学领域，1975年Liu[9]等第一次通过有限元方法建立了立体腰椎模型，随后Hakim等[10]在腰椎有限元模型中添加了后方韧带复合体等结构，并分析了这一腰椎节段的动态及静态的相关问题。经过不断完善，有限元建模正被广泛应用于与人体相关的各领域，包括植入物的研究以及脊柱在静止和运动状态下的生物力学[11,12]。与体内和体外试验相比，有限元分析以较低的成本提供更高的效率，同时有限元研究能够获取脊柱骨和结缔组织内部的生物力学参数，这是实验方法难以测量的。因此对脊柱研究非常有用[13]。

2 有限元在治疗及研究腰椎退行性疾病中的应用

有限元模型能够模拟脊柱中骨骼和结缔组织内的生物力学参数，对脊柱正常结构、病理状态及手术后的运动及应力进行分析，对疾病认识及临床手术改进提供客观证据。

Somovilla等[14]通过有限元分析肥胖对功能性脊柱单元（fsu）的相关实验分析发现，如果超重或体重指数高，功能性脊柱单元结构可能受到影响，并指出可能导致L3-4水平腰椎单元损伤，这种情况在男性中比女性和老年人更突出，会影响他们的生活质量。王林等[15]研究弯腰挺立手法治疗腰骶关节紊乱的有限元分析发现，在腰骶关节紊乱的有限元模型中，下腰椎应力集中在下终板中部及椎间盘中心，骶椎的应力集中在椎体前后缘，模拟手法后，应力主要集中在腰椎椎体上终板的前、后和中央区域，进而得出弯腰挺立手法的作用机理明确，对治疗腰骶关节疾病是安全有效的。

目前有限元法在腰椎生物力学分析中广泛应用，对内固定器械作用原理，手术方案改进等提供重要作用。Newcomb等[16]通过有限元方法分析椎弓根螺钉置入位置对内固定载荷传递发现，置钉位置对螺钉松动及断钉的发生有着非常重要的影响，并指出置入螺钉在轴向面的横行椎弓根螺钉来降低松质骨及螺钉的应力，进而减少螺钉松动及断裂的风险。Ling等[17]建立了腰椎有限元模型，对腰4/5节段模拟OLIF手术，模型施加500N载荷及7.5NM力矩，手术模型与正常腰椎模型相比，运动范围（ROM）显著降低了88%，屈伸时降低了91%，右侧弯曲和左侧弯曲降低了85%，右和左轴向旋转降低了75%，屈曲产生的最高应力在融合器和终板，窄面融合器具有支持脊柱活动的强度，建议OLIF手术中使用9mm宽的融合器，本研究为进一步完善融合器的设计提供了工程依据和技术建议。预测融合手术的临近节段生物力学效应是有限元生物力学的一个挑战，Ke等[18]通过有限元方法来分析骶骨倾斜角不同对椎间融合的生物力学影响发现，骶骨倾斜角等矢状位参数对ASD的发生有显著影响，当L4-L5节段行TLIF手术后，随着SS角度的增加，L5-S1的运动范围和椎间盘压力逐渐降低，而L3-L4没有显著差异，腰椎融合术后ss的降低可能会增加asd的风险。因此，在融合手术前的决策过程中，应考虑恢复适当的ss，以降低临近节段退变退变的风险。

近年来，各种腰椎间融合技术在腰椎退行性疾病治疗呈百花齐放。与后外侧融合（plf）相比，lif在前方提供了强有力的支持，在手术段脊柱能达到360°融合，同时可增加腰椎前凸和间接椎间孔减压术等优势[3,19]。最常用的lif技术是包括(PLIF)、(TLIF)、(ALIF)、(OLIF)等，TLIF是对后路入路的一种微创改进，通过单侧入路获得前后侧联合融合。许多研究报道了用tlif实现腰椎融合的安全性和有效性[20-22]。与传统的后路入路相比，tlif能有效的实现椎间融合，同时使穿过神经根的牵连减小，有效降低了神经损伤的发生率。

随着微创技术的发展，腰椎侧方入路应运而生。极外侧融合（xlif）是由ozgur等人于2006年首次报道的。使用侧入路切开腰大肌，xlif允许椎间植入较大的融合器，以很好地恢复椎间高度和减少对后方结构的破坏[23-24]。在2012年，引入了斜侧椎间融合（olif）[25]。与xlif相比，olif的侵袭性更小，因为它通过腹腔大血管和腰大肌之间的一个间隙到达腰椎。与TLIF相比，侧入路的优点包括保留后柱、缩短手术时间、术后恢复更快、椎间孔和中央管减压更好[26]。TengLu1等[27]比较了后外侧融合术（plf）与经口、极、斜腰椎椎体间融合术（tlif、xlif和olif）的生物力学差异，等建立了完整的l3-l5腰椎有限元模型。在l4-l5水平上模拟了plf手术、使用肾行融合器的tlif及长方形融合器的tlif、xlif和olif手术。比较5种手术在终板、松质骨和后路器械的运动范围和各结构应力。由于后路器械的rom和应力峰值较大，plf的稳定性不如其他3种融合方法。与tlif相比，olif和xlif在软骨终板和松质骨中产生的应力峰值较少，有利于对抗沉降、恢复椎间盘高度和矢状位平衡的维持。

3 总结及展望

有限元法是研究脊柱生物力学重要工具，他是对传统标本生物力学及实验研究的有效补充，经过长期的发展，有限元模型已经完成从线性到三维立体的过度，其强大的还原了脊柱的解剖结构，包括了脊柱的骨性结构、椎间盘、韧带及肌肉等，可模拟脊柱动态生理状态及手术后的运动情况，被普遍运用在腰椎退行性疾病的理论研究及临床治疗中，其研究成果得到普遍认可，同时随着模型建立方式及图像精细化操作的发展，有限元分析可解决更加复杂的脊柱疾病及改进手术方案。可有限元分析也受许多方面的制约，例如在建模是时，不同模型的几何形状及材料属性定义的不同等。与其他传统体外标本相比较，各有其优缺点。体外实验对一些周围软组织的处理有一定困难，生物力学只能通过表面的变化来估算，而无法对骨及软组织的内部的情况进行分析，有限元技术在这方面得到了补充。然而有限元技术作为一种数值仿真手段，需要结合临床对疾病的认识及术后随访，同时配合体外实验等才能提供比较全面及精准数据参照及理论指导。