新型腰椎后路动态稳定系统的三维有限元分析

2021-02-01蒋帅刘洋陈元元冯勇袁文

北京生物医学工程 2021年1期

蒋帅刘洋陈元元冯勇袁文

0 引言

腰椎是人体连接上下肢的主要承力组织，也是脊椎蜕变的高发段。研究显示，自30岁起人体的腰椎与椎间盘开始退变，超过1/2的成年人存在不同程度的腰痛症状。研究腰椎在不同负荷情况下的力学特征，了解椎间盘蜕变的发病过程或比较不同治疗方案对椎间盘退变性疾病的治疗效果等是腰椎生物力学的研究热点[1]。

受限于腰椎的特殊生理结构，研究腰椎生物力学的方法很有限，目前通用的3种方法是制备动物模型、采用尸体试验及基于有限元法的计算机模拟。动物模型研究的缺陷在于动物与人存在种属的差异，因此动物研究的数据对人体腰椎研究的参考价值有限；尸体试验研究的费用较高，加之人体组织结构内部应力难以检测，因此如何充分挖掘尸体的研究价值仍是个业界难题。与前两种方法相比，采用计算机模拟的有限元法(feinite element analysis, FEA)不仅可以收集组织结构内部的应力及位移，还具有时间短、可重复性高及无创等优点，越来越广泛地应用到腰椎生物力学研究领域。

对于椎间盘退变性疾病的治疗主要在于恢复后柱功能的腰椎后路动态稳定系统，保留退变节段的正常运动可显著改善腰椎的运动与复核传导，避免椎间不稳损伤及相邻节段退变。随着各种内固定技术的发展，最早出现的坚强腰椎内固定系统一度成为治疗椎间盘退变性疾病的金标准，尽管该系统可解决退变运动节段的不稳定性，消除了疼痛，但经过长期的随访结果显示，治疗后的放射学结果及临床效果常常不令人满意，患者满意率可低达16%，原因在于坚强腰椎内固定系统治疗的邻近节段的退变加速或内固定失败。与坚强腰椎内固定系统相比，新型腰椎后路动态稳定系统可重建腰椎退变节段的稳定性，动态稳定改善脊柱节段的运动与负荷传导，限制脊柱过度活动，保留固定节段部分活动，避免邻近节段的退变。但对于坚强腰椎内固定系统及新型腰椎后路动态稳定系统在治疗椎间盘退变性疾病的疗效比较一直存在争议，如Schulte等[2]研究认为新型腰椎后路动态稳定系统限制了屈伸与侧放弯曲运动，Cakir 等[3]认为新型腰椎后路动态稳定系统对腰椎的运动范围没影响，但Beastall等[4]研究认为坚强腰椎内固定系统对腰椎的运动范围没影响，但新型腰椎后路动态稳定系统存在影响。因此如何评价椎间盘退变性疾病的两种治疗方案具有实际的临床意义。

有限元模型对理解脊柱及其组成部分做出重要贡献，有限元模型不但可用于揭示脊柱在健康、疾病以及破坏情况下的生物力学功能及行为，它同样还能为脊柱内植物的设计和应用提供支持。目前已经有很多关于有限元模型的研究，用于解决治疗下腰痛的脊柱内植物的设计问题[5-6]。本研究建立了正常腰椎三维有限元模型，分别对坚强腰椎内固定系统及新型腰椎后路动态稳定系统进行模拟计算分析，为评估和比较坚强腰椎内固定系统及新型腰椎后路动态稳定系统在治疗椎间盘退变性疾病提供参考。

1 研究方法

1.1 实验对象

选择1位无腰椎畸形、无腰椎疾病及无外伤史的健康男性成年志愿者为研究对象，年龄35岁，身高172 cm，体质量65 kg。采用64排CT薄层扫描腰1椎体到股骨中段。

1.2 软件环境

Mimics10.0(医学有限元建模)：CT-STL三角网格模型；Geomagic9.0(逆向工程)：STL三角网格模型-实体模型；Hypermesh11.0(有限元前处理)：有限元分析前处理(网格划分、材料赋值、接触定义、载荷设定等)；Abaqus6.10(大型有限元分析软件)：有限元分析及后处理软件。

1.3 硬件环境

CT机：日本东芝Aquilion64螺旋CT机；主机：HP Z800高级计算工作站；主处理器：双4核Intel XeonW56202.4G/8M CPU；物理内存：24G 1333ECC DDR2；储存设备：900G raid1 15000转SAS硬盘；图形处理显卡：NVIDIA Quadro 4000 专业图形卡；计算机操作系统：64位windows 7 计算环境。

内固定材料：新型钛合金材料[微创医疗器械(上海)有限公司]，SINO坚强固定系统(山东威高公司)。

1.4 实验步骤

1.4.1 正常腰椎三维非线性有限元模型

将64排CT薄层扫描腰1椎体到股骨中段的图像以通用DICOM3.0格式导出，导入到Mimics10.0(医学有限元建模)，转换成STL格式数据，通过Geomagic9.0逆向工程软件进行三维几何重建。运用Hypermesh11.0(医学有限元前处理)进行有限元实体模型的网格划分，连接韧带。对椎体松质骨、皮质骨、椎间盘及各条韧带的材料属性进行赋值，对有限元模型进行边界设定并加载。

运用Abaqus6.10(大型有限元分析软件)计算分析，验证其有效性，得到正常腰椎三维非线性有限元模型。该模型包含腰3—腰5椎体、骶骨、椎间关节、腰3/腰4、腰4/腰5、腰5/骶1椎间盘，横突间韧带(transverse ligament, TL)、后纵韧带(posterior longitudinal ligament, PLL)、前纵韧带(anterior longitudinal ligament, ALL)、黄韧带(ligamentum flavum, LF)、棘突间韧带(interspinous ligament, ISL)、棘上韧带(suprapinal strain ligament, SSL)在内的所有韧带，椎体、终板和间盘相互之间通过网格的共节点连接，采用2节点Truss单元模拟韧带连接，采用非线性面面通用接触关系模拟小关节的相互作用。建立的三维非线性有限元模型与正常腰椎解剖结构相同，韧带及关节突关节连接一致，功能上与张加芳等[7]及Cai等[8]的研究中腰椎活动度相当，机械强度上与Kim等[9]在实验中所得到的腰椎尸体弯曲刚度相当，证实本有限元模型建立成功，可以进一步用作生物力学研究的计算机模拟基础模型。

1.4.2 腰椎不稳损伤三维有限元模型

腰椎不稳损伤是腰椎退变疾病中的重要疾病之一，是指腰椎体位正常负荷下，难以保持互相之间的正常位置关系而发生的病理变化。与正常腰椎相比，如腰4和腰5存在腰椎不稳损伤时，腰4和腰5节段在前屈、后伸、左右侧弯及左右轴向旋转的活动范围均明显增大。

应用Hypermesh11.0(有限元前处理)软件对制作好的正常腰椎三维非线性有限元模型进行操作，对腰椎模型切除腰4和腰5之间的双侧小关节、腰4下部椎板、腰4/腰5间棘上韧带、棘间韧带、黄韧带及后纵韧带，制成脊柱失稳模型。

1.4.3 新型腰椎动态内固定系统及坚强腰椎内固定系统三维有限元模型

坚强腰椎内固定系统在于取出病变节段的异常活动，植入内固定器械(连接棒)以矫正脊柱畸形，重建脊柱稳定性。新型腰椎动态内固定系统作为非融合技术，由钛合金椎弓根螺钉、合成聚酯套管及PET绳索组成，设计理念在于加强固定节段的稳定性，改变腰椎运动节段承载符合的方式，保留脊柱的互动性。本课题设计的腰椎后路动态稳定系统的CAD模型以IGES格式导入Hypermesh11.0(有限元前处理)，对其进行网格化分，应用六面体网格(图1)对其进行材料属性赋值，新型腰椎动态稳定系统采用的是超弹性低模量的医用钛合金型材，弹性模量110 GPa。在腰4和腰5上关节突外缘下方，距离小关节中心外缘3 mm处为进钉点，向内10°，平行终板方向虚拟植入长度45 mm的U形钛合金椎弓根螺钉数字化模型，并与动态棒进行虚拟装配，将下位椎体的下表面进行位移约束，各个方向保持静止，在上位椎体的上表面中心节点施加垂直项下的力，施力范围为10～200 N，钛合金型材系统应为50～400 N。同样的方法可建立坚强腰椎内固定系统的三维有限元模型，植入长度45 mm的坚强内固定数字化模型(图2)。

图1 腰椎后路内固定系统六面体网格

图2 腰椎三维有限元模型

1.4.4 新型腰椎动态稳定系统及坚强腰椎内固定系统三维有限元的计算分析

运用Abaqus6.10对建立好的安装腰椎后路动态稳定系统的有限元模型和腰椎后路坚强内固定的有限元模型计算分析，分析其在前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左侧扭转、右侧扭转时的活动度和各部分受力情况。

2 结果

2.1 后伸活动度比较

安装腰椎后路坚强内固定后，腰4/腰5节段活动度由4.29°减小到1.11°，腰3/腰4及腰5/骶1节段活动度由4.39°、4.37°分别增大到4.65°、6.54°。安装新型腰椎后路动态稳定系统后，腰4/腰5节段活动度减小到1.61°，较坚强内固定略高，腰3/腰4及腰5/骶1节段活动度增大到4.47°、6.25°，较坚强内固定略低，见图3。

图3 后伸活动度比较

2.2 前屈活动度比较

安装腰椎后路坚强内固定后，腰4/腰5节段前屈活动度由2.90°减小到0.91°，腰3/腰4及腰5/骶1节段活动度由2.73°、3.81°分别增大到3.68°、5.21°。安装新型腰椎后路动态稳定系统后，腰4/腰5节段活动度减小到了1.28°，较坚强内固定略高，腰3/腰4及腰5/骶1节段活动度增大到3.43°、4.86°，较坚强内固定略低，见图4。

2.3 侧弯活动度比较

安装腰椎后路坚强内固定后，腰4/腰5节段侧弯活动度由3.82°减小到0.40°，腰3/4、腰5/骶1节段活动度由3.26°、3.41°分别增大到5.77°、5.27°。安装新型腰椎后路动态稳定系统后，腰4/腰5节段侧弯活动度减小到了1.76°，较坚强内固定略高，腰3/腰4及腰5/骶1节段活动度增大到4.86°、4.59°，较坚强内固定略低，见图5。

图5 侧弯活动度比较

2.4 扭转活动度比较

安装腰椎后路坚强内固定后，腰4/腰5节段扭转活动度由2.38°减小到0.63°，腰3/腰4、腰5/骶1节段活动度由2.35°、2.25°分别增大到3.18°及3.19°，安装新型腰椎后路动态稳定系统后，腰4/腰5节段侧弯活动度减小到1.14°，较坚强内固定略高，腰3/腰4及腰5/骶1节段活动度增大到2.92°和3.00°，较坚强内固定略低，见图6。

图6 扭转活动度比较

2.5 椎间盘最大Mises应力比较

腰4/腰5节段应用坚强固定和动态稳定系统的椎间盘Mises最大应力均明显减小，腰椎后路坚强内固定减小程度大，提示更多应力通过固定物传递；邻近节段的椎间盘最大应力均增大，腰椎后路坚强内固定增大明显，提示腰椎后路坚强内固定系统的相邻节段椎间盘承受的应力较大，退变的趋势较小，见图7～图10。

图7 后伸时椎间盘最大Mises应力比较

图8 前屈时椎间盘最大Mises应力比较

3 讨论

椎间盘退变伴不稳由Knutsson[10]于1944年首先提出，他描述了X线下椎间盘退变伴随异常的屈伸滑动，动态X线下矢状面滑移超过3 mm即存在节段不稳。Kirkaldy-Willis等[11]于1982年描述了腰椎退变过程以及盘源性疼痛的病理改变，脊柱退变性不稳最初起于椎间盘退变，包括椎间盘脱水、纤维环张力减小。随后椎间盘高度降低，继之出现椎间关节肥大和黄韧带肥厚，最后出现椎管狭窄和退变性椎体滑脱，这会引起下腰痛的发生，一定程度影响患者的工作和生活。

20世纪，椎间盘相关性疼痛的手术治疗开始于椎间盘切除和减压，但是并没有取得良好的临床效果[12]。与单纯减压相比，减压加后外侧或椎间融合明显提高患者治疗效果。随后出现了内固定系统，并被广泛用于融合，其中刚性椎弓根螺钉内固定系统的出现，更是大大提高了融合的成功率。在过去的50年里，坚强内固定和融合成为外科治疗退变性腰椎间盘疾病的主流，达成了融合治疗共识。但系统性Meta分析研究评价显示，腰椎融合的满意率低至16%。坚强内固定系统导致邻近节段应力增加，诱导邻近节段退变。鉴于坚强内固定物加融合存在缺陷，人们研究如何避免坚强内固定对稳定节段和邻近节段的反面作用，在不影响稳定性的情况下载荷分担和可控的活动[13]。大量临床研究认为腰椎后路动态稳定系统可通过维持活动度，控制椎间异常活动，使通过脊柱运动单元上下结构的重力传递更加接近生理性载荷传递，达到消除疼痛的目的[14]。

本研究参考相关文献[15-16]采用有限元分析并设计了新型腰椎后路动态稳定系统，对于内固定桥接腰4/腰5节段,应用新型腰椎后路动态稳定系统和坚强内固定系统后，与正常腰椎节段相比，两套系统腰椎的屈伸、侧屈、轴向旋转方向上的活动度均明显减小，但坚强内固定系统的活动度减小更明显，新型腰椎后路动态稳定系统的活动度更接近于正常腰椎节段，同时两套系统的腰4/腰5椎间盘最大应力均减小，但坚强内固定系统的活动度减小更明显。新型腰椎后路动态稳定系统活动度更接近于正常腰椎节段，原因在于动态稳定系统通过压缩力对抗和弹性张力来分担脊柱各节段的负荷，保留被限制节段屈伸范围的同时不会增加纤维环后方与小关节的应力。对于邻近节段腰3/腰4、腰5/骶椎1，两套系统在屈伸、侧屈、轴向旋转方向上的活动度均有所增大，但坚强内固定系统的活动度增加更明显，新型腰椎后路动态稳定系统邻近节段活动度更接近于正常腰椎节段。

由此可见，新型腰椎后路动态稳定系统在屈伸、侧屈、轴向旋转方向明显降低了间盘内压力的变化，较合理地承载了间盘载荷。另外，腰椎退行性疾病的常见病变节段也是腰5/骶椎1，给予坚强内固定治疗，少数患者术后可发生内固定移位或脱落，可能与坚强内固定造成的活动度显著增大相关，由此进一步验证了新型腰椎后路动态稳定系统具有力学性能优势。两套系统的邻近节段椎间盘最大应力均增大，但坚强内固定系统增大更明显，新型腰椎后路动态稳定系统更接近于正常腰椎节段；两套系统的邻近节段的小关节应力峰值增大，新型腰椎后路动态稳定系统小关节应力增大较小，更接近正常腰椎模型。可见，与坚强内固定系统相比，新型腰椎后路动态稳定系统可以较理想地恢复失稳节段在各个方向活动范围，使之符合腰椎正常生理活动特性，实现较好的动态固定效果。本研究结果与文献报道类似[17]。

目前的腰椎后路动态稳定系统存在松动、植入物疲劳失败、椎间盘突出复发、腰椎不稳、不能延缓邻近节段退变及很高的再手术率等各种问题[18]，主要原因在于后路动态稳定系统的抗疲劳性能差，难以有效分担载荷及手术适应证过宽等。同时本文也存在以下不足。

(1)尽管有限元模型是基于医学数据基础上发展起来，且近年来不断更新迅速，但与人体模型的差异还较大，软件自身的短板致使结果可靠性仍有待大量临床案例考证。

(2)套管的长度与置入节段的运动相关，较长的套管可促进固定节段的运动范围与三维运动螺旋轴接近正常水平，但套管长度受限于最大允许值，本研究没有探讨不同套管长度的比较研究。