青年女性脊柱胸腰段后凸矫形术后上端固定椎近端椎间盘应力分布的有限元分析

王 辉，李朝辉，梁 晓，许星柱，刘庆涛，杨浦鑫，丁文元

脊柱胸腰段的后凸畸形常常继发于先天性的椎体发育不良或椎体骨折未及时有效治疗而出现的后凸加重，临床表现除了外观后凸外，脊髓持续性压迫可引起鞍区皮肤感觉异常、大小便功能障碍、肌力和肌张力改变，严重者会出现双下肢的不完全性瘫痪，甚至完全性瘫痪[1-2]。手术治疗是唯一的解决途径和方法，但由于此类患者畸形程度重且柔韧性差，手术治疗十分困难。2002年韩国的Suk教授等[3]尝试一期后路全脊椎切除截骨术（Posterior Vertebral Column Reseetion，PVCR）治疗严重脊柱后凸畸形取得了满意的后凸矫形效果，此后PVCR技术被国内外脊柱矫形医师普遍接受和应用[4-8]。邱勇教授尝试采用双节段PVCR联合卫星棒技术治疗胸腰段后凸超过100°患者，取得满意的畸形矫正并有效避免矫形丢失[7]。解京明教授应用PVCR治疗僵硬性脊柱畸形（>100°），后凸畸形的矫正可达30.4~95.9°[8]。尽管PVCR对于严重僵硬性脊柱畸形的矫形效果得到肯定，但其手术时间长、术中出血多、神经血管损伤风险高的特点也被广泛报道，术中神经损伤的发生率可达1.06~8.6%[9-11]。此外，矫形术后近端交界性后凸的发生不容忽视，目前其发生率及危险因素的相关临床研究较多，但是危险体位的生物力学的报道较为有限。

有限元分析是一种通过计算机建模和外部载荷计算分析得到骨性结构应力应变情况的研究技术，利用此项技术可以分析脊柱整体或局部结构在不同设定条件下的应力分布情况，可以提供在体或离体生物力学实验不能直接测得的外观和内部力学数据，具有其他力学实验不可替代的作用[12-14]。国内外学者采用该技术开展胸腰椎骨折的相关研究，建立了包括椎体、椎间盘及主要韧带结构的胸腰椎有限元模型[15-23]。Park等[24]通过构建单纯前路、单纯后路、前后路联合手术治疗胸腰段脊柱爆裂骨折的有限元模型，生物力学分析证实单纯后方使用钉棒固定明显增加术后脊柱僵硬度。张玉新等[25]构建了胸腰段椎体骨折经伤椎椎弓根钉固定的有限元模型，分析在轴向压缩、前屈、后伸、侧屈及轴向旋转工况条件下，伤椎固定的邻近椎间盘及椎体的应力分布情况，结果显示对于胸腰段单节段不完全骨折，经伤椎单节段椎弓根钉固定时邻近节段所承受的应力更小，临床优势明显。

有限元分析对于脊柱外科手术方案制定和内固定方式选择具有重要参考价值，本研究通过建立青年女性胸腰段脊柱后凸部分椎体切除矫形术后有限元模型，分析不同体位工况条件椎间盘不同位置受力情况，评估术后出现近端交界性后凸的潜在风险，为此患者术后的合理功能锻炼提供指导。

1 材料与方法

1.1 病例选择及数据提取 选取接受后路椎弓根钉棒固定前方椎体次全切除重建手术治疗的胸腰段先天性楔形椎伴后凸畸形青年女性患者一例作为研究对象（女性，22岁，胸背部进行性后凸伴疼痛13年），收集术前、术后2年随访时复查截骨范围内薄层CT扫描，SIEMENS 64排计算机断层扫描仪（Germany），螺旋扫描参数为：120 kV，36 mA，螺旋层厚0.5 mm，螺距1.25 mm，分辨率为512×512象素，扫描精度为0.414×0.414×0.67，CT扫描数据以DlCOM格式存储。术前侧位X线示L1楔形椎合并后凸畸形（Cobb角53°）；术前矢状位MRI示L1楔形椎，相应节段硬膜囊受压明显；术前矢状位CT示T12椎体前下缘与L2椎体前上缘靠近；术后矢状位CT示局部矢状位序列较术前改善，椎管内无明显压迫；术后冠状位CT示楔形椎左侧部分椎体切除，右侧部分椎体骨质保留，残留椎体置入椎弓根螺钉；术后水平位CT示楔形椎左侧部分椎体切除，装有自体颗粒骨的钛网置入截骨间隙，右侧部分椎体骨质保留，残留椎体置入椎弓根螺钉；术后2年正位X线示内固定物位置良好；术后2年侧位X线示局部矢状位序列良好（Cobb角6°），植骨获得骨性融合。CT扫描数据，见图1。

图1 CT扫描数据

1.2 有限元模型建立 计算机配置：处理器：Intel Core（TM）i7-2600，内存：DDR3 8G，64位操作系统：Windows 10，独立显卡。软件：（1） Mimics 14.0 （Materiaise's interactive medical image control system，Materalise公司，比利时）交互式的医学影像控制系统。（2）3-matic 5.1（Materialise公司,比利时）基于数字化CAD（STL）正向工程软件，通过该软件完成模型的后处理以及钉棒安装。（3）ANSYS 13.0（ANSYS公司，美国）是一款融合了结构、流体、电场、磁场、声场分析功能于一体的有限元分析软件，含有分析计算模块和后处理模块。（4）Pro/Engineer软件具有CAD/CAM/CAE模块，本病例有限元模型钛网和椎弓根螺钉的制作通过此软件完成。

建模过程：将已获取受试者DlCOM格式的CT断层图片数据导入Mimics 14.0软件，定义Anterior、Posterior、Left、Right、Top和Bottom六个方向，软件将依据所导入的断层数据自动调整生成冠状面、矢状面和横断面的图像。采用Mimics 14.0软件内置的阈值调整工具进行轮廓的提取。断层图中不同组织结构的灰度值差异明显，通过设置灰度值的范围可以完成不同组织的提取（阈值范围140-1 024 Hu）。利用选择性编辑功能消除毛刺，然后将选择性编辑好的文件经Calculate 3D生成脊柱模型并导入3-matic 5.1软件。材料属性的设定在软件Mimics 14.0中进行：在FEA Meshes组件中设置Materials，依据参考文献的数据对模型不同组成部分进行赋值，见表1。

表1 有限元模型中不同材料属性

在Pro/Engineer 4.0软件中，各种材料规格：椎弓根螺钉长度40 mm，螺钉周径4.5 mm；矫形棒直径4.5 mm，长度120 mm。螺钉模型通过梯形扫描形成螺纹。然后进行椎体和椎间盘、螺钉和矫形棒的模型组装。利用Mimics 14.0软件完成模型的几何清理，利用3-matic 5.1软件完成模型的网格划分，形成最终有限元模型，见图2。

图2 钛网、椎弓根螺钉、连接棒、横联模型、整合后模型

1.3 基于有限元模型的生物力学分析 应用ANSYS 13.0有限元模型加载软件，将下端固定椎下方椎体的下面单元进行完全约束，在X、Y、Z轴方向上的位移为0，以作为边界条件。测量在直立位、前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转七种工况下，上端固定椎上位椎间盘前缘、后缘、左侧缘、右侧缘以及中心区域的应力。直立位：上端固定椎上方椎体表面施加垂直向下的轴向压力（以Z载荷模拟），即600 N（牛顿）均匀加载于活动节段上表面的各个节点。屈曲位：模拟前屈位时胸腰段结构所承受的载荷，在施加600 N（牛顿）垂直载荷的基础上，将-30 N·m（牛顿·米）的矢状方向弯矩加在加载椎体第2层单元的上下两边（以Y载荷模拟）。伸展位：模拟后伸位时胸腰段结构所承受的载荷，在施加600 N垂直载荷的基础上，将30 N·m（牛顿·米）的矢状方向弯矩加在加载椎体第2层单元的上下两边（以Y载荷模拟）。左侧屈位：在施加600 N（牛顿）垂直载荷的基础上，将-30 N·m（牛顿·米）的冠状方向弯矩加在加载椎体第2层单元上下两边（以X载荷模拟）。右侧屈位：在施加600 N（牛顿）垂直载荷的基础上，将30 N·m（牛顿·米）的冠状方向弯矩加在加载椎体第2层单元上下两边（以X载荷模拟）。左旋转位：在施加600 N（牛顿）垂直载荷的基础上，将-30 N·m（牛顿·米）的水平方向弯矩加在加载椎体第2层单元上下两边（以Z载荷模拟）。右旋转位：在施加600 N（牛顿）垂直载荷的基础上，将-30 N·m（牛顿·米）的水平方向弯矩加在加载椎体第2层单元上下两边（以Z载荷模拟）。

2 结 果

直立位、屈、伸、左右侧屈及左右旋转七种工况下，上端固定椎上位椎间盘前缘、后缘、左侧缘、右侧缘、中心区域的应力分布，见图3。上端固定椎上位椎间盘前缘在前屈位受力最大、后缘在左旋位受力最大、左缘在左旋位受力最大、右缘在左旋位受力最大、中心在右旋位受力最大。

图3 不同体位上端固定椎上位椎间盘不同区域的应力分布

相比于直立位，前屈位、左旋位和右旋体位增加了上端固定椎上位椎间盘前缘的应力；前屈位、后伸位、左旋位和右旋位增加了上端固定椎上位椎间盘后缘的应力；左屈位、右屈位、左旋位和右旋位增加了上端固定椎上位椎间盘左缘的应力；左旋位和右旋位增加了上端固定椎上位椎间盘右缘的应力；上端固定椎上位椎间盘中心区域的应力在上述体位情况下均未表现与直立位较大差异。见表2。

表2 七种工况下上端固定椎上位椎间盘不同区域应力值（Mpa）

3 讨 论

本研究以胸腰段单椎体（T12）接受单侧PVCR的青年女性病例作为研究对象，采用参考文献中有限元造模和生物力学研究方法，对不同脊柱组织的物理特性赋值，利用患者的脊柱CT数据进行模型重建，成功地建立包括T12截骨矫形椎体在内的5个脊柱功能单元（T9-L2）的有限元模型，在此基础上测量上端固定椎上位椎间盘五个不同区域在不同体位下的应力值。生理状态下，脊柱2/3的重力载荷集中于中柱（三柱理论）[26-27]。依据三柱理论，轴向应力作用于椎间盘表现为纤维环后部应力集中，并向后外侧传导[28]。本研究Von Mises应力云图分布来看，直立体位状态下上端固定椎上方椎间盘后缘受力最大，其次为椎间盘中部，与文献报道相一致。

上端固定椎上方椎间盘前缘受力增加与矢状位近端交界性后凸的发生密切相关，本研究通过有限元分析发现前屈位和左右旋转位情况下前缘压应力增加，后伸位则造成前缘张应力增加。前屈位和后伸位的影响较易理解，分别作为危险因素和保护因素已被广泛认知[29-30]。从生物力学角度考虑，旋转位对于脊柱运动功能单元的影响主要体现在双侧关节突关节，旋转位对于椎间盘前缘应力的影响既往研究较为有限[31-32]。本研究纳入的病例接受椎体部分切除后凸矫形术，后凸顶点的重建存在差异，冠状位左侧截骨间隙内为钛网，右侧为保留的部分椎体，尽管两者力学及生物学属性差异显著，然而旋转位情况下对于椎间盘前缘应力的影响并未存在不同，均会增加前缘的压应力，可能的原因在于椎弓根螺钉的可靠固定抵消了截骨区重建差异对于近端椎间盘受力的影响。基于本研究发现，建议对于胸腰段矫形术后患者避免前屈位姿势和旋转活动对于降低近端交界性后凸的发生率具有积极意义。

相比于直立体位，上端固定椎上方椎间盘后缘受力在后伸位和左右旋转位明显增加。后伸位时后缘受力必然增加，与前缘受力情况向类似，旋转位同样增加了后缘的受力，可能的原因在于旋转体位下椎间盘纤维环的扭转受力显著增加。左侧缘和右侧缘在旋转体位状况下同样受力相比于直立位明显增加，验证了上述推论[33-34]。尽管本研究选择的病例在截骨矫形区前柱重建时与传统的PVCR方式存在差异[35-36]，上述差异但并未对左右侧屈体位情况下侧缘的受力造成明显影响。旋转体位对于椎间盘周围区域应力的影响远大于侧屈体位，因此建议术后功能锻炼时避免旋转体位的姿势。相比于直立体位，椎间盘中心区域在屈伸位、侧屈位和旋转位均未增加其所受应力，提示其作为运动中心的应力受体位因素干扰较小。

综上所述，对于胸腰段脊柱后凸畸形接受责任椎部分椎体截骨后凸矫形手术的青年女性患者，前屈、左右旋转三种体位状态上端固定椎上位椎间盘前缘受力增加，可能会增加术后发生近端交界性后凸的风险。本研究的不足之处在于：第一，选择的模型为接受后路椎弓根钉棒固定前方椎体部分切除重建手术治疗的胸腰段先天性楔形椎伴后凸畸形患者，截骨区域钛网与椎体弹性模量的差异可能对于生物力学分析造成影响。第二，选择的模型为年龄22岁的青年女性，其骨密度值与老年患者存在差异，本研究结果并不适用于各个年龄段的患者，有待于今后以不同年龄段、不同骨密度值模型进一步深入研究。