腰椎后路多節(jié)段內(nèi)固定技術(shù)的有限元研究及臨床觀察.pdf

1、背景:
　　 隨著現(xiàn)代化社會(huì)進(jìn)程，特別是交通業(yè)和建筑業(yè)空前發(fā)展和人們生活觀念的改變，腰椎疾患的發(fā)病率逐年上升，病種也日趨復(fù)雜，使脊柱外科面臨新的挑戰(zhàn)，迫切需求對(duì)其進(jìn)行深入研究。
　　 腰椎是脊柱中重要的解剖結(jié)構(gòu)，不僅承受較大載荷，而且具有一定范圍的生理活動(dòng)度，在復(fù)雜受力的條件下，腰椎極易出現(xiàn)退變導(dǎo)致?lián)p傷性疾病。因此，對(duì)腰椎解剖、生物力學(xué)和損傷機(jī)制的研究越來(lái)越受到臨床醫(yī)生的關(guān)注。
　　 腰椎生物力學(xué)研究是人體生物力

2、學(xué)研究中的重要組成部分。許多研究者指出生物力學(xué)因素在探求腰椎疾患的病因機(jī)制、治療和預(yù)防等方面起到重要的作用。以往對(duì)腰椎的生物力學(xué)研究多采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)測(cè)試的手段，但是由于使用這種方法耗資巨大，實(shí)驗(yàn)手段復(fù)雜，對(duì)于多種載荷下工況的模擬則耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，效率低，同時(shí)也存在無(wú)法準(zhǔn)確反映出模型在各種工況下其內(nèi)部的生物力學(xué)特性。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步，研究者開(kāi)始把數(shù)值計(jì)算的方法應(yīng)用到生物力學(xué)的研究中，即以傳統(tǒng)的力學(xué)分析理論為基礎(chǔ)，

3、應(yīng)用有限元方法(finite element method，F(xiàn)EM)等數(shù)值計(jì)算的方法，通過(guò)進(jìn)行非線性和線性的應(yīng)力和變形進(jìn)行分析，以求解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)測(cè)試所存在的不足。利用FEM仿真模擬出各種脊柱疾患，從而使得對(duì)脊柱的骨骼幾何結(jié)構(gòu)、邊界條件和材料的不均勻性等問(wèn)題的生物力學(xué)研究有了可能。
　　 FEM具備強(qiáng)大的建模功能，能夠在動(dòng)靜兩種狀態(tài)下對(duì)復(fù)雜的幾何形狀、材料參數(shù)和不同受力條件下的物體進(jìn)行模擬仿真研究，并正在越來(lái)越多的被應(yīng)用于

4、人體生物力學(xué)中。而人體的腰椎骨關(guān)節(jié)、韌帶等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種組織有各自的屬性特點(diǎn)和參數(shù)，因而在進(jìn)行有限元建模時(shí)工作量較大，相對(duì)于其他大關(guān)節(jié)研究難度更大?，F(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的各種腰椎有限元模型，大部分的結(jié)構(gòu)建立不夠完善，無(wú)法用于長(zhǎng)節(jié)段腰椎生物力學(xué)相關(guān)的研究。
　　 在總結(jié)以往研究的基礎(chǔ)之上，本我們對(duì)腰椎有限元模型的構(gòu)建方法進(jìn)行了有效的探索，構(gòu)建出解剖結(jié)構(gòu)比較精細(xì)的正常L3-S1的有限元模型，分別在模型中模擬行Dynesys動(dòng)態(tài)中和內(nèi)固定系統(tǒng)

5、、ISOBAR TTL半堅(jiān)強(qiáng)動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)及USS傳統(tǒng)堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定系統(tǒng)，比較三種動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)與傳統(tǒng)堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定系統(tǒng)在生物力學(xué)上的差異以及三種動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)之間在生物力學(xué)上的差異。并對(duì)應(yīng)用兩種彈性內(nèi)固定系統(tǒng)的患者進(jìn)行隨訪，觀察評(píng)價(jià)療效，以期為腰椎后路動(dòng)態(tài)內(nèi)固定技術(shù)的臨床應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)，評(píng)價(jià)其應(yīng)用前景。
　　 目的:
　　 1.依據(jù)1名正常男性志愿者中立位下螺旋CT掃描的腰椎影像學(xué)資料，探討利用Mimics11.1

6、、Geomagic studio10.0、HyperMesh10.0和Abaqus6.8等軟件構(gòu)建出解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)的正常腰椎(L3～S1)三維有限元模型的方法，并對(duì)其進(jìn)行有效性驗(yàn)證，使其能反映正常腰椎(L3～S1)的生物力學(xué)特性。施加相同的載荷和扭矩，
　　 2.根據(jù)所建立的正常腰椎(L3～S1)的三維有限元模型，根據(jù)USS堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定系統(tǒng)、ISOBAR TTL半堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定系統(tǒng)和DYNESYS動(dòng)態(tài)中和內(nèi)固定系統(tǒng)技術(shù)要求，重建三種術(shù)后

7、腰椎模型有限元模型。施加相同的載荷和扭矩，比較各運(yùn)動(dòng)工況下椎間活動(dòng)度、鄰段椎間盤(pán)應(yīng)力、三種內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力分布及應(yīng)力峰值。
　　 3.IsobarTTL內(nèi)固定系統(tǒng)以及Dynesys內(nèi)固定系統(tǒng)治療的腰椎退行性疾病（腰椎退行性滑脫、腰椎管狹窄、腰椎問(wèn)盤(pán)突出），經(jīng)臨床隨訪，對(duì)其進(jìn)行療效與影像學(xué)分析。
　　 方法:
　　 1.選擇一位26歲正常男性，身高177cm，體重75 kg，采用0.625 mm薄層CT掃描，利用Mi

8、mics11.1、Geomagic studio10.0軟件對(duì)掃描成像圖片進(jìn)行篩選、預(yù)處理、提取邊界坐標(biāo)生成表面三維圖像和三維實(shí)體模型，然后通過(guò)HyperMesh10.0軟件將此實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格化，再導(dǎo)入Abaqus6.8軟件構(gòu)建出正常人下腰椎(L3～S1)三維有限元模型。設(shè)定完邊界后，對(duì)模型施加150 N預(yù)載荷及10 Nm純力矩，使模型可以模擬產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算出各種工況下的椎間活動(dòng)度，與Yamamoto

9、的尸體標(biāo)本生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證模型的有效性。
　　 2.在正常人L3～S1三維有限元模型基礎(chǔ)上，模擬L4～L5腰椎后路減壓、椎弓根內(nèi)固定術(shù)，重建L3～S1內(nèi)固定模型。利用逆向工程軟件Geomagicstudio10.0的建模功能，繪制連接棒、腰椎的實(shí)體模型。將腰椎后路釘棒系統(tǒng)各部件模型導(dǎo)入HyperMesh10.0，參照后路不同內(nèi)固定系統(tǒng)(USS、ISOBAR TTL、DYNESYS)的手術(shù)固定方式，對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的每

10、一部件進(jìn)行可視化調(diào)整，完成空間位置裝配。導(dǎo)入Abaqus6.8軟件，并根據(jù)三種內(nèi)固定系統(tǒng)對(duì)椎間融合術(shù)的需求進(jìn)行椎間融合設(shè)定，完成三種腰椎后路內(nèi)固定系統(tǒng)術(shù)后重建的三維模型。對(duì)模型施加150N預(yù)載荷及10Nm力矩，使其模擬產(chǎn)生前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分別記錄各種模型不同工況下椎間活動(dòng)度、鄰段椎間盤(pán)應(yīng)力、三種內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力分布及應(yīng)力峰值。
　　 3.自2007年至2012年來(lái)自廣東、廣西、江蘇等多中心的臨床數(shù)據(jù)，對(duì)分別

11、使用IsobarTTL內(nèi)固定系統(tǒng)以及Dynesys內(nèi)固定系統(tǒng)治療的腰椎退行性疾?。ㄑ低诵行曰摗⒀倒塥M窄、腰椎間盤(pán)突出）100例，通過(guò)日本矯外科協(xié)會(huì)下腰痛功能評(píng)分（JOA評(píng)分）來(lái)評(píng)價(jià)臨床效果，并對(duì)腰椎活動(dòng)度變化的情況進(jìn)行影像學(xué)測(cè)量評(píng)價(jià)。
　　 結(jié)果:
　　 1.建立了正常腰椎L3～S1三維有限元模型，包括32，341單元和162，044節(jié)點(diǎn)。模擬加載的作用下，對(duì)模型進(jìn)行前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)作用下的各椎間活動(dòng)

12、度進(jìn)行測(cè)定，并與其他作者實(shí)測(cè)法所得的各椎間活動(dòng)度進(jìn)行比較，結(jié)果表明本模型在不同工況下的各椎間活動(dòng)度，與Yamamoto實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)法所得的結(jié)果是吻合的。因此，可以認(rèn)為本模型是有效的，可以進(jìn)一步用于臨床和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 2.在各加載模式下，三種內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力均主要分布在螺釘釘身處，應(yīng)力峰值主要集中在螺釘中部。不同內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力峰值有差異，但應(yīng)力峰值均不超過(guò)100MPa。三種內(nèi)固定系統(tǒng)重建后，IsobarTTL半堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定系統(tǒng)和Dyn

13、esys動(dòng)態(tài)中和內(nèi)固定系統(tǒng)在各工況下的下腰椎整體活動(dòng)度與正常模型無(wú)明顯差異，而USS內(nèi)固定系統(tǒng)的整體活動(dòng)明顯下降，在屈伸工況下最為明顯。內(nèi)固定重建后鄰段節(jié)段的椎間盤(pán)應(yīng)力均有不同程度的增加，其中USS系統(tǒng)增幅最大，Dynesys系統(tǒng)增幅最小。
　　 結(jié)論:
　　 1.本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建出了正常L3～S1的三維有限元模型，包括L3～S1腰椎椎體皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨、腰椎椎間盤(pán)中的纖維環(huán)和髓核、上下終板、雙側(cè)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎板、椎弓根、橫突、

14、棘突、主要韌帶（前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘韌帶和關(guān)節(jié)囊韌帶）。將該三維有限元模型在前屈后伸、左右側(cè)屈、左右旋轉(zhuǎn)的各種工況下的腰椎椎間活動(dòng)范圍與國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)資料一致，驗(yàn)證了模型的有效性，可進(jìn)行下一步的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。
　　 2.三種內(nèi)固定系統(tǒng)椎弓根釘應(yīng)力分布主要集中在螺釘中部。而不同內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力峰值有差異，但均低于鈦合金屈服強(qiáng)度，無(wú)明顯斷釘風(fēng)險(xiǎn)。三種內(nèi)固定系統(tǒng)重建后，IsobarTTL半堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定系統(tǒng)和Dynesys動(dòng)態(tài)中

15、和內(nèi)固定系統(tǒng)在各工況下的下腰椎整體活動(dòng)度與正常模型無(wú)明顯差異，而USS內(nèi)固定系統(tǒng)的整體活動(dòng)明顯下降，在屈伸工況下最為明顯。內(nèi)固定重建后鄰段節(jié)段的椎問(wèn)盤(pán)應(yīng)力均有不同程度的改變，其中USS系統(tǒng)對(duì)鄰段椎間盤(pán)影響最大，Dynesys對(duì)鄰段椎間盤(pán)影響最小。因此，我們認(rèn)為2種動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)IsobarTTL和Dynesys均能有效的維持術(shù)后腰椎活動(dòng)度，同時(shí)Dynesys系統(tǒng)能更有效的避免鄰段退變的發(fā)生。
　　 3.結(jié)合臨床療效及影像學(xué)隨訪觀

16、察，Dynesys動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)與術(shù)前活動(dòng)度有改善，而Isobar TTL動(dòng)態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)與術(shù)前活動(dòng)度比較有輕度下降。兩種彈性內(nèi)固定系統(tǒng)在治療腰椎退行性病變的JOA評(píng)分在隨訪期間較術(shù)前均有改善，隨訪期內(nèi)療效滿意，是治療腰椎退行性病變的一種有效的非融合、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定方法。
　　 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn):
　　 1.建立了幾何相似度較高的腰椎(L3～ S1)有限元模型。相比以往模型，網(wǎng)格劃分更加細(xì)密，包括32，341單元和162，節(jié)點(diǎn)。

17、>　　 2.首次運(yùn)用有限元方法建立了腰椎(L3～S1)，并運(yùn)用了三種不同內(nèi)固定系統(tǒng)(USS、ISOBAR TTL、DYNESYS)模擬L4～L5腰椎后路減壓、椎弓根內(nèi)固定術(shù)，重建L3～ S1內(nèi)固定模型。利用模型分析重建后不同工況下椎間活動(dòng)度、鄰段椎間盤(pán)應(yīng)力、三種內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力分布及應(yīng)力峰值。研究結(jié)果表明:1.不同內(nèi)固定系統(tǒng)應(yīng)力峰值有差異，但均低于鈦合金屈服強(qiáng)度，無(wú)明顯斷釘風(fēng)險(xiǎn);
　　 2.IsobarTTL半堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定系統(tǒng)和D

18、ynesys動(dòng)態(tài)中和內(nèi)固定系統(tǒng)在各工況下的下腰椎整體活動(dòng)度與正常模型無(wú)明顯差異，而USS內(nèi)固定系統(tǒng)的整體活動(dòng)明顯下降，在屈伸工況下最為明顯;3.內(nèi)固定重建后鄰段節(jié)段的椎間盤(pán)應(yīng)力均有不同程度的改變，其中USS系統(tǒng)對(duì)鄰段椎間盤(pán)影響最大，Dynesys對(duì)鄰段椎間盤(pán)影響最小。
　　 3.對(duì)IsobarTTL半堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定系統(tǒng)和Dynesys動(dòng)態(tài)中和內(nèi)固定系統(tǒng)進(jìn)行臨床療效及影像學(xué)隨訪觀察，結(jié)果顯示:兩種內(nèi)固定治療腰椎退行性病變的短期療效滿意