腰椎后路多節(jié)段內固定技術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構，不僅承受較大載荷，而且具有一定范圍的生理活動度，在復雜受力的條件下，腰椎極易出現(xiàn)退變導致?lián)p傷性疾病。因此，對腰椎解剖、生物力學和損傷機制的研究越來越受到臨床醫(yī)生的關注。
　　 腰椎生物力學研究是人體生物力

2、學研究中的重要組成部分。許多研究者指出生物力學因素在探求腰椎疾患的病因機制、治療和預防等方面起到重要的作用。以往對腰椎的生物力學研究多采用傳統(tǒng)實驗生物力學測試的手段，但是由于使用這種方法耗資巨大，實驗手段復雜，對于多種載荷下工況的模擬則耗費時間長，效率低，同時也存在無法準確反映出模型在各種工況下其內部的生物力學特性。近年來，隨著計算機技術和數(shù)字化技術的進步，研究者開始把數(shù)值計算的方法應用到生物力學的研究中，即以傳統(tǒng)的力學分析理論為基礎，

3、應用有限元方法(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力和變形進行分析，以求解決傳統(tǒng)實驗生物力學測試所存在的不足。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構、邊界條件和材料的不均勻性等問題的生物力學研究有了可能。
　　 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用于

4、人體生物力學中。而人體的腰椎骨關節(jié)、韌帶等結構復雜，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，大部分的結構建立不夠完善，無法用于長節(jié)段腰椎生物力學相關的研究。
　　 在總結以往研究的基礎之上，本我們對腰椎有限元模型的構建方法進行了有效的探索，構建出解剖結構比較精細的正常L3-S1的有限元模型，分別在模型中模擬行Dynesys動態(tài)中和內固定系統(tǒng)

5、、ISOBAR TTL半堅強動態(tài)內固定系統(tǒng)及USS傳統(tǒng)堅強內固定系統(tǒng)，比較三種動態(tài)內固定系統(tǒng)與傳統(tǒng)堅強內固定系統(tǒng)在生物力學上的差異以及三種動態(tài)內固定系統(tǒng)之間在生物力學上的差異。并對應用兩種彈性內固定系統(tǒng)的患者進行隨訪，觀察評價療效，以期為腰椎后路動態(tài)內固定技術的臨床應用提供實驗基礎和理論依據(jù)，評價其應用前景。
　　 目的:
　　 1.依據(jù)1名正常男性志愿者中立位下螺旋CT掃描的腰椎影像學資料，探討利用Mimics11.1

6、、Geomagic studio10.0、HyperMesh10.0和Abaqus6.8等軟件構建出解剖結構精細的正常腰椎(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堅強內固定系統(tǒng)、ISOBAR TTL半堅強內固定系統(tǒng)和DYNESYS動態(tài)中和內固定系統(tǒng)技術要求，重建三種術后

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、鄰段椎間盤應力、三種內固定系統(tǒng)應力分布及應力峰值。
　　 3.IsobarTTL內固定系統(tǒng)以及Dynesys內固定系統(tǒng)治療的腰椎退行性疾病（腰椎退行性滑脫、腰椎管狹窄、腰椎問盤突出），經臨床隨訪，對其進行療效與影像學分析。
　　 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、預處理、提取邊界坐標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格化，再導入Abaqus6.8軟件構建出正常人下腰椎(L3～S1)三維有限元模型。設定完邊界后，對模型施加150 N預載荷及10 Nm純力矩，使模型可以模擬產生前屈、后伸、左右側屈和左右旋轉運動狀態(tài)，計算出各種工況下的椎間活動度，與Yamamoto

9、的尸體標本生物力學實驗結果進行比較，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上，模擬L4～L5腰椎后路減壓、椎弓根內固定術，重建L3～S1內固定模型。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)各部件模型導入HyperMesh10.0，參照后路不同內固定系統(tǒng)(USS、ISOBAR TTL、DYNESYS)的手術固定方式，對內固定系統(tǒng)的每

10、一部件進行可視化調整，完成空間位置裝配。導入Abaqus6.8軟件，并根據(jù)三種內固定系統(tǒng)對椎間融合術的需求進行椎間融合設定，完成三種腰椎后路內固定系統(tǒng)術后重建的三維模型。對模型施加150N預載荷及10Nm力矩，使其模擬產生前屈、后伸、左右側屈和左右旋轉運動狀態(tài)，分別記錄各種模型不同工況下椎間活動度、鄰段椎間盤應力、三種內固定系統(tǒng)應力分布及應力峰值。
　　 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內固定系統(tǒng)以及Dynesys內固定系統(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測量評價。
　　 結果:
　　 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、左右側屈和左右旋轉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果是吻合的。因此，可以認為本模型是有效的，可以進一步用于臨床和實驗研究。
　　 2.在各加載模式下，三種內固定系統(tǒng)應力均主要分布在螺釘釘身處，應力峰值主要集中在螺釘中部。不同內固定系統(tǒng)應力峰值有差異，但應力峰值均不超過100MPa。三種內固定系統(tǒng)重建后，IsobarTTL半堅強內固定系統(tǒng)和Dyn

13、esys動態(tài)中和內固定系統(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。內固定重建后鄰段節(jié)段的椎間盤應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。
　　 結論:
　　 1.本實驗構建出了正常L3～S1的三維有限元模型，包括L3～S1腰椎椎體皮質骨和松質骨、腰椎椎間盤中的纖維環(huán)和髓核、上下終板、雙側關節(jié)突關節(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、棘韌帶和關節(jié)囊韌帶）。將該三維有限元模型在前屈后伸、左右側屈、左右旋轉的各種工況下的腰椎椎間活動范圍與國外相關文獻資料一致，驗證了模型的有效性，可進行下一步的生物力學實驗研究。
　　 2.三種內固定系統(tǒng)椎弓根釘應力分布主要集中在螺釘中部。而不同內固定系統(tǒng)應力峰值有差異，但均低于鈦合金屈服強度，無明顯斷釘風險。三種內固定系統(tǒng)重建后，IsobarTTL半堅強內固定系統(tǒng)和Dynesys動態(tài)中

15、和內固定系統(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。內固定重建后鄰段節(jié)段的椎問盤應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，我們認為2種動態(tài)內固定系統(tǒng)IsobarTTL和Dynesys均能有效的維持術后腰椎活動度，同時Dynesys系統(tǒng)能更有效的避免鄰段退變的發(fā)生。
　　 3.結合臨床療效及影像學隨訪觀

16、察，Dynesys動態(tài)內固定系統(tǒng)與術前活動度有改善，而Isobar TTL動態(tài)內固定系統(tǒng)與術前活動度比較有輕度下降。兩種彈性內固定系統(tǒng)在治療腰椎退行性病變的JOA評分在隨訪期間較術前均有改善，隨訪期內療效滿意，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固定系統(tǒng)(USS、ISOBAR TTL、DYNESYS)模擬L4～L5腰椎后路減壓、椎弓根內固定術，重建L3～ S1內固定模型。利用模型分析重建后不同工況下椎間活動度、鄰段椎間盤應力、三種內固定系統(tǒng)應力分布及應力峰值。研究結果表明:1.不同內固定系統(tǒng)應力峰值有差異，但均低于鈦合金屈服強度，無明顯斷釘風險;
　　 2.IsobarTTL半堅強內固定系統(tǒng)和D

18、ynesys動態(tài)中和內固定系統(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.內固定重建后鄰段節(jié)段的椎間盤應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半堅強內固定系統(tǒng)和Dynesys動態(tài)中和內固定系統(tǒng)進行臨床療效及影像學隨訪觀察，結果顯示:兩種內固定治療腰椎退行性病變的短期療效滿意