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)代化社會進程，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)，迫切需求對其進行深入研究。
　　 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，對腰椎解剖、生物力學(xué)和損傷機制的研究越來越受到臨床醫(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制、治療和預(yù)防等方面起到重要的作用。以往對腰椎的生物力學(xué)研究多采用傳統(tǒng)實驗生物力學(xué)測試的手段，但是由于使用這種方法耗資巨大，實驗手段復(fù)雜，對于多種載荷下工況的模擬則耗費時間長，效率低，同時也存在無法準(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，隨著計算機技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的進步，研究者開始把數(shù)值計算的方法應(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)值計算的方法，通過進行非線性和線性的應(yīng)力和變形進行分析，以求解決傳統(tǒng)實驗生物力學(xué)測試所存在的不足。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題的生物力學(xué)研究有了可能。
　　 FEM具備強大的建模功能，能夠在動靜兩種狀態(tài)下對復(fù)雜的幾何形狀、材料參數(shù)和不同受力條件下的物體進行模擬仿真研究，并正在越來越多的被應(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和參數(shù)，因而在進行有限元建模時工作量較大，相對于其他大關(guān)節(jié)研究難度更大?，F(xiàn)有文獻報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，無法用于長節(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，本我們對腰椎有限元模型的構(gòu)建方法進行了有效的探索，構(gòu)建出解剖結(jié)構(gòu)比較精細的正常L3-S1的有限元模型，分別在模型中模擬行Dynesys動態(tài)中和內(nèi)固定系統(tǒng)

5、、ISOBAR TTL半堅強動態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)及USS傳統(tǒng)堅強內(nèi)固定系統(tǒng)，比較三種動態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)與傳統(tǒng)堅強內(nèi)固定系統(tǒng)在生物力學(xué)上的差異以及三種動態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)之間在生物力學(xué)上的差異。并對應(yīng)用兩種彈性內(nèi)固定系統(tǒng)的患者進行隨訪，觀察評價療效，以期為腰椎后路動態(tài)內(nèi)固定技術(shù)的臨床應(yīng)用提供實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)，評價其應(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)精細的正常腰椎(L3～S1)三維有限元模型的方法，并對其進行有效性驗證，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堅強內(nèi)固定系統(tǒng)、ISOBAR TTL半堅強內(nèi)固定系統(tǒng)和DYNESYS動態(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，比較各運動工況下椎間活動度、鄰段椎間盤應(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?。ㄑ低诵行曰?、腰椎管狹窄、腰椎問盤突出），經(jīng)臨床隨訪，對其進行療效與影像學(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軟件對掃描成像圖片進行篩選、預(yù)處理、提取邊界坐標(biāo)生成表面三維圖像和三維實體模型，然后通過HyperMesh10.0軟件將此實體模型進行網(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)運動狀態(tài)，計算出各種工況下的椎間活動度，與Yamamoto

9、的尸體標(biāo)本生物力學(xué)實驗結(jié)果進行比較，以驗證模型的有效性。
　　 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，對內(nèi)固定系統(tǒng)的每

10、一部件進行可視化調(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)對椎間融合術(shù)的需求進行椎間融合設(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)運動狀態(tài)，分別記錄各種模型不同工況下椎間活動度、鄰段椎間盤應(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年來自廣東、廣西、江蘇等多中心的臨床數(shù)據(jù)，對分別

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病（腰椎退行性滑脫、腰椎管狹窄、腰椎間盤突出）100例，通過日本矯外科協(xié)會下腰痛功能評分（JOA評分）來評價臨床效果，并對腰椎活動度變化的情況進行影像學(xué)測量評價。
　　 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。模擬加載的作用下，對模型進行前屈、后伸、左右側(cè)屈和左右旋轉(zhuǎn)作用下的各椎間活動

12、度進行測定，并與其他作者實測法所得的各椎間活動度進行比較，結(jié)果表明本模型在不同工況下的各椎間活動度，與Yamamoto實驗實測法所得的結(jié)果是吻合的。因此，可以認(rèn)為本模型是有效的，可以進一步用于臨床和實驗研究。
　　 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100MPa。三種內(nèi)固定系統(tǒng)重建后，IsobarTTL半堅強內(nèi)固定系統(tǒng)和Dyn

13、esys動態(tài)中和內(nèi)固定系統(tǒng)在各工況下的下腰椎整體活動度與正常模型無明顯差異，而USS內(nèi)固定系統(tǒng)的整體活動明顯下降，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.本實驗構(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范圍與國外相關(guān)文獻資料一致，驗證了模型的有效性，可進行下一步的生物力學(xué)實驗研究。
　　 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度，無明顯斷釘風(fēng)險。三種內(nèi)固定系統(tǒng)重建后，IsobarTTL半堅強內(nèi)固定系統(tǒng)和Dynesys動態(tài)中

15、和內(nèi)固定系統(tǒng)在各工況下的下腰椎整體活動度與正常模型無明顯差異，而USS內(nèi)固定系統(tǒng)的整體活動明顯下降，在屈伸工況下最為明顯。內(nèi)固定重建后鄰段節(jié)段的椎問盤應(yīng)力均有不同程度的改變，其中USS系統(tǒng)對鄰段椎間盤影響最大，Dynesys對鄰段椎間盤影響最小。因此，我們認(rèn)為2種動態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)IsobarTTL和Dynesys均能有效的維持術(shù)后腰椎活動度，同時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動態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)與術(shù)前活動度有改善，而Isobar TTL動態(tài)內(nèi)固定系統(tǒng)與術(shù)前活動度比較有輕度下降。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、動態(tài)穩(wěn)定方法。
　　 主要創(chuàng)新點:
　　 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)格劃分更加細密，包括32，341單元和162，節(jié)點。

17、>　　 2.首次運用有限元方法建立了腰椎(L3～S1)，并運用了三種不同內(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度、鄰段椎間盤應(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度，無明顯斷釘風(fēng)險;
　　 2.IsobarTTL半堅強內(nèi)固定系統(tǒng)和D

18、ynesys動態(tài)中和內(nèi)固定系統(tǒng)在各工況下的下腰椎整體活動度與正常模型無明顯差異，而USS內(nèi)固定系統(tǒng)的整體活動明顯下降，在屈伸工況下最為明顯;3.內(nèi)固定重建后鄰段節(jié)段的椎間盤應(yīng)力均有不同程度的改變，其中USS系統(tǒng)對鄰段椎間盤影響最大，Dynesys對鄰段椎間盤影響最小。
　　 3.對IsobarTTL半堅強內(nèi)固定系統(tǒng)和Dynesys動態(tài)中和內(nèi)固定系統(tǒng)進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