斜外侧腰椎椎间融合术结合4钉固定法治疗两节段腰椎退变性疾病的有限元分析

葛挺 胡佰文 肖进 张峭霖 吴小川 夏冬冬

摘要：目的 探讨斜外侧腰椎椎间融合术（OLIF）结合4钉固定法治疗两节段腰椎退变性疾病的可行性。方法 构建并验证L3～S1节段腰椎有限元模型（M0），于M0模型上模拟L3/4及L4/5两节段OLIF手术构建M1模型。在M1模型上附加后路4钉或6钉固定，建立3个4钉固定模型（M2～M4）和1个6钉固定模型（M5）。分析不同内固定条件下融合节段和整体活动度以及上终板、融合器、后路钉棒所受应力峰值的变化。结果 在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6种运动下，与M1模型比较，M2模型L3/4和M3模型L4/5节段活动度增加，M4和M5模型L3/4、L4/5节段活动度明显下降。在不同运动下，M2模型L4上终板von Mises应力峰值最大，M3模型L5上终板von Mises应力峰值最大，M4和M5模型L4及L5上终板von Mises应力峰值较为接近；M2模型L3/4融合器von Mises应力峰值最大，M3模型L4/5融合器von Mises应力峰值最大，M4和M5模型各融合器von Mises应力峰值较为接近；M2～M5模型内固定最大应力峰值较为接近。结论 在两节段OLIF手术中，4钉固定可以有效替代6钉固定用于腰椎退变性疾病的治疗。

关键词：斜外侧腰椎椎间融合术；有限元模型；椎弓根螺钉；4钉固定；6钉固定

中图分类号： R687.3  文献标识码： A  文章编号：1000-503X（2024）03-0341-07

DOI：10.3881/j.issn.1000-503X.15878

Oblique Lumbar Interbody Fusion Combined With 4-Screw Fixation for Treating Two-Level Degenerative Lumbar Diseases：A Finite Element Study

GE Ting HU Baiwen XIAO Jin ZHANG Qiaolin2，WU Xiaochuan XIA Dongdong1

1Department of Orthopedics，The First Affiliated Hospital of Ningbo University，Ningbo，Zhejiang 315010，China

2Faculty of Sports Science，Ningbo University，Ningbo，Zhejiang 31521 China

Corresponding author：GE Ting Tel：18868627987，E-mail：gt511512@163.com

ABSTRACT：Objective To demonstrate the feasibility of oblique lumbar interbody fusion （OLIF） combined with 4-screw fixation for treating two-level lumbar degenerative diseases.Methods An intact finite element model of L3-S1 （M0） was constructed and validated.Then，we constructed the M1 model by simulating OLIF surgery at L3/4 and L4/5 segments on the M0 model.By attachment of posterior 4-screw or 6-screw fixation to the M1 model，three 4-screw fixation models （M2-M4） and one 6-screw fixation model （M5） were established.The segmental and overall range of motion （ROM） and the peak von Mises stresses of superior endplate，cage，and posterior screw-rod were investigated under each implanted condition.Results Under the motion modes of forward flexion，backward extension，bilateral （left and right） flexion，and left and right rotation，the L3/4 ROM of M2 model and L4/5 ROM of M3 model increased，while the L3/4 and L4/5 ROM of M4 and M5 models significantly decreased compared with those of M1 model.Under all motion modes，the L4 superior endplate in M2 model and the L5 superior endplate in M3 model showed the maximum peak von Mises stress，and the peak von Mises stresses of L4 and L5 superior endplates in M4 and M5 models were close.The L3/4 cage in M2 model and the L4/5 cage in M3 model showcased the largest peak von Mises stress，and the peak von Mises stresses of cages in M4 and M5 models were close.The peak stresses of internal fixation in M2-M5 models were close.Conclusion Four-screw fixation can replace 6-screw fixation in the OLIF surgery for treating two-level degenerative lumbar diseases.

Key words：oblique lumbar interbody fusion；finite element model；pedicle screw；4-screw fixation；6-screw fixation

Acta Acad Med Sin，2024，46（3）：341-347

斜外侧腰椎椎间融合术（oblique lumbar interbody fusion，OLIF）已被广泛应用于腰椎退变性疾病的治疗，该技术具有微创手术的常规优点，并且还保留了关节突关节、椎旁肌肉等组织结构，最大限度地维持腰椎的稳定性，避免神经损伤的发生［1-2］。单纯OLIF技术应用于单节段腰椎退变性疾病取得了良好的手术效果。而对于两节段OLIF手术通常需要通过附加后路6钉固定来提高脊柱的稳定性和融合率，但这种固定方式会增加手术的创伤程度和操作难度。本研究拟探讨4钉固定法治疗两节段腰椎退变性疾病的可行性，通过构建非线性三维有限元模型，对比3种不同4钉固定模式与6钉固定的差异，为4钉固定的临床应用奠定生物力学基础。

1 材料和方法

1.1 构建三维有限元模型

采集1名健康成年男性（身高175 cm，体重65 kg）的腰椎64排螺旋CT图像，扫描范围L3～S 层厚1 mm，导入比利时Materialise公司MIMICS 20.0软件，对图像进行分割处理，以获得腰椎的三维图像模型。采用Geomagic Studio 2013软件（Geomagic公司，美国）对模型进行光滑处理，并导入Solidworks 2020软件（SolidWorks公司，美国）以获得腰椎有限元模型。根据腰椎的解剖特点，在Soliodworks 2020软件中建立纤维环、髓核、终板和关节软骨，椎间盘由44％的髓核和56%的纤维环组成，骨皮质和终板的厚度都为1 mm［3-4］。在Ansys Workbench 19.0软件（Ansys公司，美国）中建立前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘上韧带、横突间韧带及棘间韧带，并使用弹簧元件来模拟椎体之间韧带。对模型进行网格划分，骨、软骨及其他组织均采用四面体固体单元网格类型，经网格敏感性测试确定网格长度为0.5 mm。本研究通过宁波大学附属第一医院伦理委员会审批（伦理审查编号：2022RS017）。

1.2 椎弓根螺钉和融合器的建立与装配

融合器由上海三友医疗器械股份有限公司生产，长、宽、高分别为50、18、12 mm。椎弓根螺钉的长度和直径分别为40.0、6.5 mm，连接棒直径为5.5 mm，按其规格由Solidworks 2020软件建立并进行装配。模拟两节段OLIF手术，从左侧将椎间盘中部纤维环及髓核去除，将融合器放置于L3/4及L4/5。M0模型为完整L3～S1节段，不放置融合器与椎弓根螺钉。4钉固定模型设计如下：M1模型仅放置L3/4及L4/5融合器，不放置椎弓根螺钉；M2模型放置L3/4及L4/5融合器，椎弓根螺钉固定L4/5节段；M3模型放置L3/4及L4/5融合器，椎弓根螺钉固定L3/4节段；M4模型放置L3/4及L4/5融合器，并用椎弓根螺钉固定L3及L5。M5模型为6钉固定模型，于L3/4及L4/5节段放置融合器，并用椎弓根螺钉固定L3～L5。最终共构建6个非线性三维有限元模型（图1）。

1.3 接触关系、材料属性、载荷和边界条件

有限元模型的接触关系在Ansys Workbench 19.0软件中定义，根据腰椎的生理解剖结构，椎间盘的纤维环和髓核之间的接触设置为绑定；椎体和椎间关节可在一定负荷下滑动，其之间的接触设置为摩擦，但由于存在滑膜结构，本研究摩擦系数确定为0.1。骨结构和椎间盘被模拟为各向同性的弹性材料。骨、椎间盘和韧带的材料特性通过实验文献确定［5-7］，根据杨氏模量、泊松比和刚度的差异来区分不同材料（表1）。将边界条件设置为S1椎体底部固定，所有结点无位移和旋转。在L3椎体上表面沿6个方向施加10 Nm的力矩和500 N［8］的轴向载荷以模拟6种动作：前屈、后伸、左侧屈、右侧屈、左旋转和右旋转，探究6种负载下腰椎模型的活动度和应力分布情况。

2 结果

2.1 模型有效性验证

在前屈、后伸、左右侧屈和轴向旋转施加相同负载条件下，M0模型活动度与尸体生物力学研究结果［9］相近（图2），验证了M0模型的有效性。

2.2 腰椎活动度

在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6种运动下，M1～5模型L3/4、L4/5、L3～5活动度相较于M0模型均有所减少。与M1模型比较，M2模型L3/4节段活动度增加，M3模型L4/5节段活动度增加，M4和M5模型L3/4和L4/5活动度明显下降。各模型L3～5活动度由小到大依次为M5、M4、M2、M3、M1、M0模型（表2）。

2.3 终板应力峰值

在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6种运动下，M2模型L4上终板von Mises应力峰值最大，其次为M1模型，M3、M4、M5模型L4上终板von Mises应力峰值较为接近；M3模型L5上终板von Mises应力峰值最大，其次为M1模型，M2、M4、M5模型L5上终板von Mises应力峰值较为接近（表3）。

2.4 椎间融合器应力峰值

在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6种运动下，M2模型L3/4融合器von Mises应力峰值最大，其次为M1模型，M3、M4、M5模型的L3/4融合器von Mises应力峰值较为接近；M3模型L4/5融合器von Mises应力峰值最大，其次为M1模型，M2、M4、M5模型的L4/5融合器von Mises应力峰值较为接近（表4）。

2.5 内固定应力峰值

在前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6种运动下，M2模型内固定von Mises应力峰值分别为300.25、321.61、486.82、475.41、153.91、129.80 MPa，M3模型内固定von Mises应力峰值分别为326.31、384.32、505.61、480.54、77.27、90.15 MPa，M4模型内固定von Mises应力峰值分别为291.14、353.61、539.94、566.89、137.81、128.62 MPa，M5模型内固定von Mises应力峰值分别为284.40、310.47、476.54、467.91、133.35、123.54 MPa，M2～M5模型内固定von Mises应力峰值较为接近，其中M2模型与M5模型最接近，M4模型略高于M5模型；在前屈、后伸、左右侧屈4种运动下，M5模型内固定von Mises应力峰值最小。

3 讨论

两节段OLIF手术为保证手术效果通常需要附加后路内固定来增加脊柱的稳定性，并促进脊柱融合。但后路附加选择4钉固定还是6钉固定相关生物力学研究报道较少。本研究构建了4钉及6钉固定的两节段OLIF手术有限元模型，结果显示从活动度上看，M5模型的稳定性最佳，其次是M4模型，M1模型最差。M4模型的4钉固定模式可以为两节段OLIF手术提供足够的生物力学稳定性。从终板及融合器应力分析上看，相较于M4及M5模型，M1模型的L4和L5上终板以及椎间融合器所受应力最大，容易出现融合器下沉甚至终板骨折的情况。融合器下沉可导致椎间隙高度下降，进而造成椎间孔狭窄，再次压迫神经，是Stand-alone术后需要行翻修手术的主要原因［10］。目前，附加后路椎弓根螺钉固定是预防融合器下沉最有效的方法［11］。本研究发现附加后路椎弓根螺钉固定后，无论M4或M5模型均可以显著减少L4及L5上终板所受应力。因此，与M5模型的6钉固定相比，M4模型的4钉固定可同样有效地减少终板应力并预防融合器下沉。

本研究中M2和M3模型将两节段OLIF手术改良为后路4钉固定其中1个节段，另1个节段采取Stand-alone模式。经有限元模型分析发现，M2模型L4/5节段在附加内固定后，其活动度、L5上终板及融合器最大应力均显著低于M1模型，且与M5模型较为接近。而M2模型L3/4节段因无附加内固定，同时受下方L4/5节段内固定的影响，出现了应力集中现象，导致L3/4活动度、L4上终板及融合器最大应力均高于M1模型。同样，M3模型L4/5节段也出现了应力集中现象。已有生物力学研究表明，腰椎融合术后会导致临近节段应力增加，出现应力集中现象［12-13］。但这种压力增加量通常并不显著，这表明OLIF融合器可以提供较强的生物力学稳定性，在没有附加内固定的情况下仍能保证融合节段的稳定，降低融合器下沉的发生率［14-15］。此外，本研究发现M2模型L3～5活动度低于M3模型，其原因可能是由于L4/5节段的特殊解剖位置［16］导致M3模型因应力集中引起L4/5活动度增加量大于M2模型所致。在左右侧屈及右旋转上，M3模型L4/5融合器所受最大应力相较于M1模型有较为明显的增加，而M2模型L3/4融合器所受最大应力相较于M1模型增加并不显著。本研究结果表明L4/5节段相较于L3/4节段更容易发生应力集中，Stand-alone OLIF手术对维持L4/5节段的稳定性具有一定的难度，采用M2模型的4钉固定模式要优于M3模型，而M4和M5模型在L3/4及L4/5两节段整体稳定性上均优于M2和M3模型。

研究发现前柱的椎体间支撑可以有效减轻后路钉棒的应力，降低后路钉棒断裂的风险［17］。与腰椎后路椎体间融合相比，侧方融合器具有更好的生物力学支撑效果，可显著降低后路内固定应力［18］。Wu等［19］研究表明所有4钉及6钉固定的钉棒应力峰值均显著低于钛合金屈服强度（825～895 MPa）。因此，后路椎弓根螺钉数量的减少并不会增加4钉固定模型内固定断裂的风险。因此，对于存在Stand-alone禁忌证的患者，不推荐使用M2和M3模型的4钉固定模式，可采用M4模型的4钉固定模式替代6钉固定。对于不存在Stand-alone禁忌证的患者，首选M4模型的4钉固定模式，其次是M2模型，最后推荐M3模型。

本研究存在一定的局限性。首先，有限元模型未能考虑体重、椎旁肌肉、椎体形态等因素的个体差异性对实验结果的影响。其次，本研究仅检测了静态生物力学的即时特征，动态力学特性还需进一步验证。此外，为了便于计算，对融合器表面锯齿形状做了光滑处理，融合器与终板的接触界面与实际情况有一定出入。最后，未能在尸体脊柱标本上进一步验证研究结果，有限元分析结果不能完全等同于临床实际结论，还需要进一步的临床研究加以证实。

综上，本研究结果表明，对于两节段OLIF手术4钉固定可以有效替代6钉固定，并根据模型的力学稳定性明确了3种4钉固定模式的具体临床应用场景，这为腰椎退变性疾病的治疗提供了一种更为经济且微创的治疗思路，具有较广阔的临床应用前景。

利益冲突 所有作者声明无利益冲突

作者贡献声明 葛挺：研究选题、实验设计、论文起草、数据分析及解释、文稿定稿、对研究诚信问题负责；胡佰文：研究选题、对重要学术性内容做出关键性修订、学术问题解答、对研究诚信问题负责；肖进：对重要学术性内容做出关键性修订、数据搜集、文稿审阅、对研究诚信问题负责；张峭霖：对重要学术性内容做出关键性修订、学术问题解答、数据搜集、数据分析及解释、对研究诚信问题负责；吴小川：对重要学术性内容做出关键性修订、数据搜集、文稿审阅、对研究诚信问题负责；夏冬冬：数据分析及解释、文稿定稿、对研究诚信问题负责

参 考 文 献

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（收稿日期：2023-10-11）