不同椎间融合方法对腰椎动态特性的影响

2022-03-01王庆东郭立新张东祥

东北大学学报（自然科学版） 2022年1期

王庆东, 郭立新, 张驰, 张东祥

(东北大学机械工程与自动化学院, 辽宁沈阳 110819)

多年来,为了恢复腰椎活动节段的稳定性,缓解严重的下背痛,越来越多的腰椎椎间融合方法被提出[1-2].前路腰椎椎间融合(anterior lumbar interbody fusion, ALIF)、后路腰椎椎间融合(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)、经椎间孔腰椎椎间融合(trans-foraminal lumbar interbody fusion, TLIF)和直接外侧腰椎椎体间融合(direct lateral lumbar interbody fusion, DLIF)是4种常用的腰椎融合方法[3].

虽然每种手术方法都有其各自的优缺点,但所有融合方法的目标就是促进椎骨融合,同时减少并发症.因此,学者们针对这几种方法进行了一系列的实验研究,并取得了一些有价值的成果.尽管众多学者已经提供了大量的有价值的实验结果来帮助大家了解腰椎椎间融合方法对腰椎生物力学特性、融合结果和并发症的影响,但是大多数研究是在静载荷下进行的,并没有考虑到当腰椎处在全身振动状态下的情况.

全身振动(whole-body vibration, WBV)通常存在于车辆振动环境中,被称为导致脊椎疾病的严重危险因素之一[4].无论是临床、实验结果还是众多的仿真数值研究结果都表明,WBV会导致腰痛、椎间盘损伤、坐骨痛和其他腰椎疾病[5].目前,在人们日常生活中,驾驶汽车或乘坐公共汽车等所造成的全身振动是非常常见的且不可避免的.由于器械的存在和患病腰椎缺乏稳定性,因此WBV会导致接受腰椎融合术的患者的腰椎更加脆弱.因此,WBV对接受腰椎融合术患者的影响更为值得关注.Rohlmann等[6]通过人体内部临床实验探究了公共交通引起的全身振动对接受腰椎融合手术患者的影响,他们发现驾驶汽车或使用公共交通所造成的植入器械所受负荷要比步行所造成的负荷低,因此,接受手术后不久就可以使用公共交通或驾驶汽车.Xu等通过有限元分析研究了WBV对术后脊柱侧凸患者的影响,并指出融合手术使得术后脊柱侧凸患者的共振频率高于健康受试者[7].本文研究的目的是通过比较ALIF,PLIF,TLIF和DLIF融合方法对WBV下相邻节段和融合节段的影响,并找出哪种腰椎融合方法更能降低并发症的风险,更有利于椎骨融合.

1 材料和实验方法

1.1 ALIF,PLIF,TLIF和DLIF腰椎模型的建立

本文在之前验证过的完整L1—L5脊柱有限元模型[8]基础上进行了改进,以模拟L4—L5腰椎节段的ALIF,PLIF,TLIF和DLIF方法，见图1.由于腰椎L4—L5节段患病率要高于其他的腰椎节段,所以选择该节段为融合节段[9].

图1 ALIF,PLIF,TLIF和DLIF方法的有限元模型Fig.1 Finite element model of ALIF, PLIF, TLIF and DLIF methods (a)—L1—L5腰椎模型; (b)—ALIF; (c)—PLIF; (d)—TLIF; (e)—DLIF.

为模拟ALIF入路的腰椎融合术,腰椎的融合节段(L4—L5节段)的髓核、部分椎板、部分纤维环和前纵韧带被切除.融合器(L32 mm,W25 mm,H10 mm)通过纤维环的切口从腰椎前路被植入到椎间盘间隙中(图1b).为模拟PLIF入路的腰椎融合术,腰椎融合节段(L4—L5节段)的髓核、部分椎板、部分下关节突、部分纤维环、黄韧带、棘上韧带、棘间韧带和后纵韧带被切除.融合器(L22 mm,W10 mm,H10 mm)通过纤维环切口被植入到椎间盘间隙中,融合器与椎间盘的中线对称(图1c).为模拟TLIF入路的腰椎融合术,腰椎融合节段(L4—L5节段)的髓核、部分椎板、部分纤维环和单侧上关节突被切除.融合器(L28 mm,W12 mm,H10 mm)通过纤维环斜侧切口被植入到椎间盘间隙中(图1d).为模拟DLIF入路的腰椎融合术,腰椎融合节段(L4—L5节段)的髓核、部分椎板、部分纤维环被切除.融合器(L42 mm,W20 mm,H10 mm)通过纤维环切口被植入到椎间盘间隙中(图1e).为模拟手术中椎间融合器紧密安装到椎间盘间隙的状态,本文的研究将该融合节段(L4—L5节段)分解,首先融合器放置于L5上终板上且与之保持对齐,然后L4椎体的下终板下落到L5椎体上终板和L4椎体下终板之间的间隙略高于椎间盘间隙时停止,此时完成椎间融合器的植入装配[10].为研究腰椎椎体间融合器对腰椎的长期影响,假设终板和椎间融合器的界面为绑定状态.

腰椎椎体间融合术与椎弓根钉固定系统配合可实现腰椎椎骨的环向融合,提高椎骨融合的成功率,并防止融合器塌陷和假性关节病[11].本文研究中的所有入路的融合术(ALIF,PLIF,TLIF和DLIF)均采用双侧后路椎弓根钉固定系统.椎弓根钉固定系统包括椎弓根螺钉(长55 mm×直径6 mm)和连接杆(长45 mm×直径5.5 mm).椎弓根螺钉和连接杆为接触面绑定状态.椎弓根螺钉及连接杆采用的材料为钛合金,弹性模量为120 GPa,泊松比为0.3,密度为4.51×10-6kg/mm3.椎间融合器的材料为聚醚醚酮(PEEK),弹性模量为3 600 MPa,泊松比为0.3,密度为1.32×10-6kg/mm3.其他部位的相应材料性能可以参考文献[8].

1.2 边界与负载条件

整个振动模拟过程中的边界条件为腰椎末端椎骨下表面全方位固定,即接受ALIF,PLIF,TLIF和DLIF融合术的腰椎有限元模型中的L5椎体的下表面在各个方向上的自由度被固定.腰椎的载荷施加分为两部分:第一部分,为模拟人体上身重力及肌肉所造成生理压缩载荷[12],本文通过沿腰椎两侧放置的热各向同性桁架单元对L1—L5腰椎模型施加400 N的跟随载荷.第二部分,当人体处于振动环境中,人体上身会对腰椎产生循环载荷.经查阅相关文献[13],本文选取了最具代表性的5 Hz,40 N正弦轴向载荷施加到L1椎体上表面模拟人体的垂直振动,该载荷被认为是许多车辆运输中人体振动的主要原因.同时为模拟在振动环境下人体上身质量对腰椎的影响，本文将40 kg的质量点施加到L1椎体上表面,该质量点位于L3—L4椎体中心前1 cm处[14].本文对L4—L5融合节段相邻节段椎间盘应力、椎间盘内压力(intradiscal pressure, IDP)、融合器应力、节段前凸角、椎间盘高度、界面压应力、终板应力进行了分析比较.在整个研究过程中,0～0.8 s的振动是比较有代表性的.具体的边界条件和负载条件如图2所示.

1.3 模型验证

本文所采用的L1—L5腰椎模型早已在先前研究中验证过[15].该模型计算结果与已有的实验数据和数值计算结果一致,可用于进一步的分析.

2 结果与讨论

2.1 腰椎邻近节段的结果分析

本文将4个不同融合术在腰椎相邻节段(L1—L2,L2—L3和L3—L4节段)的结果进行了比较.由图3可以看出,无论是整个振动模拟过程中纤维环基质的最大应力还是椎间盘的最大内压力,4种入路的椎间融合术之间没有明显差异.然而,与其他三种入路的融合术相比,ALIF方法降低了L1—L2,L2—L3和L3—L4节段的纤维环基质应力及椎间盘内压力的振幅.

图2 模型的边界与负载条件Fig.2 Boundary and load conditions of the models (a)—负载类型； (b)—边界条件.

2.2 腰椎融合节段的结果分析

融合器被植入到椎骨间隙中与终板紧密接触,因此融合节段的终板很容易受伤.而终板的最大应力与融合器的下沉并发症有关,融合器的最大应力与融合器失效有关.由图4中L4下终板和L5上终板的应力分布可以发现,与其他方法的融合术相比,DLIF方法的融合术明显减小了应力集中区域.

L4和L5终板最大应力的动态响应表明,与其他三种融合方法相比,DLIF降低了整个振动模拟过程中终板的最大应力(图5).DLIF模型中的L4下终板和L5上终板的最大应力的最大值分别为0.704 9和0.902 9MPa.PLIF融合术使得L4下终板和L5上终板的最大应力的最大值在4个融合术模型中最高,其L4下终板和L5上终板的最大应力分别为1.329 8和1.193 5 MPa.在4种不同的融合方法中,DLIF模型中融合器的最大应力最低,PLIF模型中融合器的最大应力最高(图6).DLIF模型和PLIF模型中融合器的最大应力的峰值分别为9.044和19.124 MPa(表1).而且,DLIF模型中融合器最大应力的振幅最小(1.994 MPa),PLIF模型中融合器最大应力的振幅最高(5.390 MPa).

图3 融合模型中相邻节段的动态特性Fig.3 Dynamic characteristics at the adjacent segments for fusion models

图4 整个振动模拟过程中ALIF，PLIF，TLIF和DLIF模型中L4下终板和L5上终板的Von-Mises最大应力分布图Fig.4 Maximum Von-Mises stress distribution for the L4 inferior and L5 superior endplates in ALIF， PLIF, TLIF and DLIF models during the entire vibration simulation process (a)—L4下终板； (b)—L5上终板.

融合器与融合节段终板间的压应力是与融合结果密切相关的重要指标.通过观察图7可以发现,DLIF模型中的压应力显著低于其他融合方法.例如,在压应力的峰值方面,TLIF最高(L4为0.379 MPa;L5为0.348 MPa),DLIF最低(L4为0.293 MPa;L5为0.269 MPa)(图8a).DLIF模型在整个模拟振动过程中产生的L4下终板和L5上终板的压应力振幅在4种融合方法中最小(图8b).

图5 ALIF,PLIF,TLIF和DLIF模型Von-Mises最大应力的动态响应Fig.5 Dynamic response of the maximum Von-Mises stress in ALIF, PLIF, TLIF and DLIF models (a)—L4下终板； (b)—L5上终板.

图6 模型中融合器Von-Mises最大应力的动态响应Fig.6 Dynamic response of the maximum Von-Mises stress of the cage in the models

表1 整个振动过程中融合器最大应力的峰值、底值和振幅

图7 整个振动过程中压应力的动态响应Fig.7 Dynamic response of the compressive stress during the vibration process (a)—融合器与L4下终板接触面的压应力； (b)—融合器与L5上终板接触面的压应力.

图8 压应力最大值及振幅Fig.8 Maximum values and vibration amplitudes of the compressive stress

3 讨论

不同椎间融合方法之间的比较研究受到了广泛关注,但大多数研究都是在静态载荷下进行的，而关于不同方法的融合术(ALIF,PLIF,TLIF,DLIF)在振动条件下的腰椎动力学特性的比较研究还不多见.因此,本文研究探讨了全身振动状态下不同方法融合术的动态特性研究,以寻找对腰椎影响较小、并发症较少、更有利于椎骨融合的腰椎融合术.本研究利用L1—L5腰椎有限元模型模拟4种不同入路方法的腰椎融合术,并比较了垂直全身振动状态下腰椎的生物力学特性.最后,本文引进了与融合术并发症及融合结果相关的一些指标,并进行了比较和分析.

由于腰椎是一个相对脆弱和神经敏感的部位,而且振动载荷比静载荷更容易损伤腰椎,所以全身振动状态下腰椎生物力学特性被广泛关注.一些研究成果表明,处于WBV状态下会增加腰痛和坐骨神经痛的风险[16].本文采用的振动载荷为40 N,频率为5 Hz的垂直正弦振动负载.之所以采用这种振动载荷模式是因为Wilder等[17]的实验结果证明,当人体处于坐姿状态且腰椎顶部的循环载荷约为40 N时,5 Hz的振动载荷使得腰椎的振动输入显著增强.

腰椎融合术所导致的最常见并发症之一就是邻近节段病变.大量研究表明,腰椎融合术可能导致其相邻节段的退变.许多体外实验和有限元数值研究表明,腰椎融合术会导致相邻节段椎间盘纤维环基质应力和椎间盘内压力的增加.不同入路的椎间融合方法(ALIF,PLIF,TLIF和DLIF)对WBV下相邻节段的影响,比如对相邻节段纤维环基质应力和椎间盘内压力的影响,显示了各种融合方法的抗振能力.纤维环基质应力和椎间盘内压力的最大值表明,4种不同入路的融合方法对相邻节段的影响几乎没有差异.Fan等[18]基于L4—L5节段融合的L1—S1腰椎模型预测了不同入路的融合术对腰椎相邻节段的影响,也得到了与本研究相似的趋势.其结果表明,与其他方法相比,ALIF降低了纤维环基质应力和椎间盘内压力的振幅.结合本文结果推断,当腰椎处于振动状态时,ALIF融合方法可以为相邻腰椎节段提供一个更稳定的环境,并且该融合方法具有最好的抗振能力.

同样地,腰椎融合术还存在如椎间融合器下陷、椎间融合器失效等并发症.研究表明,融合节段的终板应力与融合器应力和上述并发症密切相关.由于植入骨需要放置于融合器中成长以实现椎骨融合,所以融合器稳定的力学环境同时与融合结果密切相关.在本文的研究中,PLIF融合腰椎模型中L4下终板和L5上终板的应力是4种不同入路融合方法中最大的，而这一研究结果与Fan等[18]的研究结果一致.与ALIF和TLIF相比,PLIF明显增加了L4下终板和L5上终板的应力.而DLIF减少了L4下终板和L5上终板的应力集中区域,并且降低了终板的最大应力.基于本文的研究结果,认为DLIF可以降低人体振动状态下椎间融合器的沉降风险.在本研究中,DLIF椎间融合器的最大应力在4种不同入路的融合模型中最低,而PLIF模型中融合器的最大应力最高.此结果与Xu等[19]的研究结果一致,与TLIF相比,PLIF可能会增加椎间融合器的失效风险和限制.

而且,DLIF椎间融合器最大应力在振动过程中的振幅在4种不同入路的融合模型中最低.此项发现意味着与ALIF,PLIF和TLIF相比,DLIF方法可以降低振动状态下椎间融合器沉降和失效的风险,更有利于椎骨融合.

随着研究的不断深入,与融合结果有关的重要指标(即终板界面的压应力)也被发现.许多研究表明,融合结果与椎骨细胞的生长密切相关,而接触界面的压应力可能会抑制椎骨细胞的生长[20].与ALIF,PLIF和TLIF相比,DLIF在整个振动过程中降低了椎间融合器与L4上终板、L5下终板间界面的最大压应力,而且其对应的压应力振幅最小.经查阅Bylski-Aaustrow等[21]进行的活体研究报告,获取了椎骨细胞的应力生长曲线,该曲线表明,压应力会抑制椎骨细胞的生长,而且在较低的压应力范围内,细胞的生长对应力的敏感性可能更高.根据本文结果, DLIF可以为振动状态下的椎骨细胞提供一个更稳定、更合适的生长环境,从而获得更好的融合结果.