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2024 , Vol. 51 >Issue 3: 88 - 97

DOI: https://doi.org/10.13543/j.bhxbzr.2024.03.009

机电工程和信息科学

不同固定方案的腰椎后路椎间融合术生物力学有限元分析

  • 程莹莹 1 ,
  • 梁畅 , 1, * ,
  • 许鹏 2 ,
  • 杨雷 1 ,
  • 张冰 1
展开
  • 1. 北京化工大学 机电工程学院, 北京 100029
  • 2. 上海长征医院 脊柱外科, 上海 200003
梁畅，E-mail：

程莹莹，女，1999年生，硕士生

收稿日期: 2023-07-17

  网络出版日期: 2024-06-01

版权

版权所有，未经授权。
收起

Biomechanical finite element analysis of lumbar posterior interbody fusion for different fixation schemes

  • YingYing CHENG 1 ,
  • Chang LIANG , 1, * ,
  • Peng XU 2 ,
  • Lei YANG 1 ,
  • Bing ZHANG 1
Expand
  • 1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029
  • 2. Department of Spinal Surgery, Shanghai Changzheng Hospital, Shanghai 200003, China

Received date: 2023-07-17

  Online published: 2024-06-01

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All rights reserved, without authorization
Fold

摘要

腰椎后路椎间融合术结合内固定系统已被广泛用于治疗腰椎滑脱等疾病。不同的内固定方案会使内固定系统和腰椎产生不同的力学响应，其结果会影响到内固定方案的选择。针对腰椎L5-S1骶骨节段轻度滑脱完全复位状态，在1例健康成年人腰椎模型的基础上，设计了3种不同节段的内固定手术方案：A组L5-S1融合固定、B组L4-L5-S1融合固定、C组L5-S1-S2融合固定，并建立相应的有限元模型。固定骶髂关节的耳状面，在L1椎体上表面施加垂直向下400 N的载荷和不同方向的7.5 N·m力矩，模拟脊柱前屈、后伸、侧弯和旋转等生理活动，比较不同方案模型中固定节段的钉棒应力情况、相邻近节段的椎间盘应力情况和各节段活动度的差异。结果表明，相比于A组模型，B组和C组模型的椎弓根螺钉和连接棒最大应力值较大；B组和C组椎间盘的应力最大值的集中区域明显大于A组；A组、B组和C组模型的腰椎活动总量较完整模型均有所减少。实验结果表明，采用A组L5-S1融合固定的方案可以降低内固定系统断裂的发生率，减少邻近节段椎间盘退变的发生率，在完成复位的情况下仍然可以保持一定的腰椎活动度，且A组方案的手术时间短、术中出血量少，是一种更优的内固定方案。

关键词： 腰椎滑脱; 椎弓根螺钉; 不同固定方案; 有限元分析

本文引用格式

程莹莹 , 梁畅 , 许鹏 , 杨雷 , 张冰 . 不同固定方案的腰椎后路椎间融合术生物力学有限元分析[J]. 北京化工大学学报（自然科学版）, 2024 , 51(3) : 88 -97 . DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2024.03.009

Abstract

Posterior lumbar interbody fusion combined with internal fixation has been widely used to treat lumbar spondylolisthesis and other diseases. However, different internal fixation schemes cause different mechanical responses of the internal fixation system and the lumbar region itself, which can affect the selection of internal fixation schemes. In this study, an intact finite element model of the L1-S1 was reconstructed by using CT data for a healthy adult. Three different internal fixation surgical schemes were designed, namely L5-S1 fusion fixation (group A), L4-L5-S1 fusion fixation (group B) and L5-S1-S2 fusion fixation (group C). Their corresponding finite element models were established. The auricular surface of the sacroiliac joint was fixed, and a vertical downward load of 400 N and a moment of 7.5 N·m in different directions were applied to the upper surface of the L1 vertebral body. By simulating physiological activities such as flexion, extension, lateral bending and rotation of the spine, the stress of nails and rods in the fixed segment, the stress of intervertebral discs in adjacent segments and the difference in mobility of each segment were compared for the different groups. The results show that the maximum stress of the pedicle screw and the connecting rod for groups B and C is larger than for group A. The maximum stress concentration areas of the intervertebral discs in groups B and C were significantly larger than that for group A. The total amount of lumbar motion in groups A, B and C was lower than that in the complete model. The results show that the L5-S1 fusion fixation (group A) can reduce the incidence of internal fixation system fracture and the incidence of intervertebral disc degeneration in adjacent segments whilst still maintaining a certain degree of lumbar mobility after the reduction. This study shows that L5-S1 fusion fixation (group A) is a better internal fixation scheme with shorter operation time and less intraoperative bleeding.

Key words： lumbar spondylolisthesis; pedicle screw; different fixing schemes; finite element analysis

引言

腰椎滑脱是脊柱外科中常见的退行性疾病，表现为腰椎相邻两椎体发生相对滑移，使患者产生腰背痛或者下肢放射性疼痛[1]。脊椎滑脱的病因复杂，常发生在腰椎L4-L5和L5-S1骶骨节段，表现与腰椎管狭窄症有关，主要是椎管受到强大的压力而发生对位对线损伤，脊柱发生平面位移，同时伴有一定程度的脊髓、神经根等损伤[2]。其中，有20%的患者在保守治疗失败后接受手术治疗，手术治疗腰椎滑脱可减轻对硬膜囊和神经根的压迫，防止滑脱变性加重，矫正畸形，稳定腰椎[3-4]。
后路腰椎间融合术加椎弓根螺钉内固定是手术治疗腰椎滑脱最常用的方法，可成功实现骨融合[5-6]。随着技术的发展，这种手术方式可获得较好的生物力学稳定性和较高的融合率[7]。然而，腰椎滑脱的手术方案中椎弓根螺钉内固定的节段范围一直存在较大的争议。短节段固定远期可能出现内固定失败、残留后凸畸形等问题，而长节段固定则会出现牺牲更多的脊柱运动节段、增大手术创伤等问题[8]。
有限元分析技术是近年来发展起来的广泛用于腰椎生物力学研究的工具[9]。与实验研究相比，该方法可以更快速且方便地量化应力响应，具有经济性、便捷性和可重复性[10]。本文主要研究腰椎L5-S1节段轻度滑脱完全复位的3种内固定方案并分别建立模型：L5-S1内固定模型、L4-L5-S1内固定模型和L5-S1-S2内固定模型。通过加载不同的力学边界条件，研究不同人体姿态下内固定系统的断裂安全性和腰椎的应力与活动度响应，为临床应用提供理论依据。

1 腰椎有限元模型的建立

1.1 腰椎完整模型

采用螺旋CT对1例27岁健康男性志愿者的脊柱进行连续的横断面扫描，共有382张断层扫描图像，扫描范围为L1-骶骨。首先，将DICOM格式的图像数据导入三维重建软件Mimics21.0以获得冠状、矢状和水平位置的多层连续图像，并设置适当的灰度值以突出显示骨骼结构；其次，对L1-骶骨节段的椎骨进行阈值化、区域生长、编辑蒙板和计算3D以重建初步的三维几何模型；然后，将该模型以STL格式导入Geomagic studio2017软件进行模型修复和光滑处理，在精确曲面阶段将模型拟合到精确的NURBS曲面；最终，将NURBS曲面以STEP格式导入SolidWorks2021软件中进行处理装配，并建立相应的结构，包括椎间盘和小关节软骨。
根据椎间盘生理形态，通过建立草图、放样、移动面等命令进行椎间盘重建；通过等距曲面、裁剪等命令划分出上下椎体终板、纤维环和髓核。上下软骨终板紧贴椎体上下表面，各个软骨终板厚度为1 mm，髓核占整个椎间盘体积的40%左右，髓核位于椎间盘中后位置。关节突之间的关节软骨用结构体模拟。通过布尔运算的组合删减命令划分松质骨与皮质骨，皮质骨为厚度2 mm的壳状物，松质骨与皮质骨紧密相贴。

1.2 不同内固定方案模型

采用的融合器尺寸为26 mm×10 mm×10 mm(长×宽×高)，螺钉的直径为6 mm，螺钉长45 mm和35 mm，连接棒的直径为5 mm。模拟了单级L5-S1后路腰椎间融合术(posterior lumbar interbody fusion, PLIF)，PLIF的手术过程如下：切除部分椎板和L5的下关节突、棘突，显露椎间盘，将融合器与中线呈45°夹角植入L5-S1节段，并切除整个髓核、纤维环后部、棘上韧带、棘间韧带、黄韧带和后纵韧带[11]；将融合器放置在L5下终板和骶骨S1上终板之间，并用骨水泥填充，以模拟嵌入的骨移植物，如图 1所示。
图 1 融合器植入位置

Fig. 1 Implantation position of fusion cage

再将长度为45 mm的椎弓根螺钉植入L4、L5椎体和骶骨S1中，其中在椎体L4、L5椎弓根螺钉的进钉点为椎体上关节突的外缘切线与其上横突平分线的交点，如图 2所示。骶骨S1则采用前内骶岬法：以L5、S1关节面下、外各1 mm为进钉点，矢状面尾侧倾斜25°~45°，与骶骨终板平行，与冠状面成20°内倾角至骶岬，如图 3所示；另外将长度为35 mm的椎弓根螺钉植入骶骨S2中，其中椎弓根螺钉的进钉点为两侧第一骶后孔下缘最低点连线与骶外侧嵴的交点；出钉点落在骶前孔内侧缘即骶前交感干与骶正中血管之间的安全区域，如图 4所示。
图 2 椎弓根螺钉进钉位置图

Fig. 2 Pedicle screw position map

图 3 前内骶岬法

Fig. 3 Anterior internal sacral promontory method

图 4 骶骨S2进钉位置图

Fig. 4 Location map of sacrum S2 nail insertion

根据临床手术中的常用方案，本研究建立3种内固定方案。A组：L5-S1节段融合，L5-S1节段植入双侧椎弓根螺钉；B组：L5-S1节段融合，L4-S1节段植入双侧椎弓根螺钉；C组：L5-S1节段融合L5-S2节段植入双侧椎弓根螺钉。在SolidWorks中建立3组内固定模型，如图 5所示。将3组模型保存为X-T格式，最后导入Ansys进行材料属性赋予、韧带添加、网格划分、接触关系设定和载荷与边界条件设置等有限元前处理。
图 5 不同内固定方案的腰椎有限元模型

Fig. 5 Finite element models of a lumbar spine with different internal fixation schemes

对模型进行韧带重建，并依据前人已发表的数据[12-13]对其材料属性进行赋值，各组织材料属性如表 1所示。
表 1 有限元模型的材料属性

Table 1 Material properties of finite element model

材料名称 弹性模量/MPa 泊松比 刚度/(N·mm-1)
皮质骨 12 000 0.30
松质骨 100 0.20
纤维环 4.20 0.45
髓核 1 0.49
终板 4 000 0.30
软骨 10 0.30
前纵韧带 8.74
后纵韧带 5.83
棘上韧带 15.38
棘间韧带 0.19
黄韧带 15.75
横突间韧带 2.39
椎弓根螺钉、连接棒 110 000 0.28
融合器 3 600 0.25
骨水泥 298 0.30
为保证仿真分析的精度，并兼顾仿真分析的效率，本研究将有限元网格大小设定为1 mm，并采用四面体单元与六面体单元进行划分。A组模型共计1 758 724个节点，996 543个单元；B组模型共计1 849 868个节点，1 045 382个单元；C组模型共计1 846 531个节点，1 043 174个单元。
根据腰椎生理解剖模型，椎间盘中髓核和纤维环的接触及椎间盘和椎体的接触设置为绑定。而椎体和椎间关节在生理解剖模型中存在着滑动，故将椎体和椎间关节的接触设置为滑动摩擦。融合器和椎弓根螺钉固定系统与椎体的接触设置为绑定。
将骶骨与髂骨接触面设定为在空间上6个自由度完全固定约束。对L1椎体上表面添加垂直向下载荷400 N以模拟志愿者上半身自重，并施加7.5 N·m纯力矩来模拟人体前屈、后伸、侧弯、旋转的不同人体姿态，记录内固定系统的椎弓根螺钉、连接棒和椎间盘应力情况以及各节段在不同运动状态下的活动范围。

2 有限元分析的结果与讨论

2.1 模型验证

对该志愿者腰椎完整模型(未添加内固定的腰椎模型)的L1椎体上表面添加150 N垂直向下载荷并施加10 N·m纯力矩，进行有限元分析，得出腰椎各节段的椎间活动度(range of motion, ROM)，结果与Yamamoto等[14]、Chen等[15]的体外研究对比，来验证模型的有效性。结果表明，正常模型组在不同生理活动状态下，腰椎各节段活动度与前人研究结论基本一致，如图 6所示。
图 6 本研究完整有限元模型的各椎间活动度与前人研究对比

Fig. 6 Comparison of our intervertebral ROM of the intact finite element model with previous studies

2.2 内固定系统的应力

在前屈、后伸、扭转和侧弯等4种载荷条件下，3组不同内固定系统所受应力的最大值主要集中在两端椎弓根螺钉颈部和螺钉与连接棒的连接处，如图 7所示，意味着这些区域可能面临更高的断裂风险。
图 7 不同内固定方案中钉棒系统的应力分布云图

Fig. 7 Stress distribution contours of nail-rod system for different internal fixation schemes

A组、B组和C组模型中椎弓根螺钉和连接棒中应力峰值比较如图 8所示。在前屈、后伸、侧弯和扭转时，A组模型中椎弓根螺钉表现出比B组和C组更小的应力峰值。B组模型中椎弓根螺钉应力峰值在前屈、侧弯和扭转时比A组螺钉增加55.0%、31.1%和40.2%。在后伸中，相对于A模型，B模型中椎弓根螺钉峰值增加一倍多。C组模型中椎弓根螺钉应力峰值在前屈、后伸、侧弯和扭转时分别比A组螺钉增加79.4%、11.7%、31.1%和21.4%。A组模型中连接棒也表现出比B组和C组更小的应力峰值。此外，与B组相比，A组降低了连接棒在前屈、侧弯和扭转时的最大应力，扭转时的差异最多可达一倍。后伸时，A组与B组的连接棒应力峰值相差不大。与C组相比，A组降低了连接棒在前屈、后伸、侧弯和扭转时的应力峰值。
图 8 不同内固定方案中钉棒系统应力峰值比较

Fig. 8 Comparison of the peak stress of nail-rod system for different internal fixation schemes

因此，相比于A组模型，B组和C组模型的椎弓根螺钉和连接棒在前屈、后伸、侧弯和扭转时产生了更大的应力响应，导致发生断裂的风险更高。由此可以判断，A组是断裂风险最小、最为安全的内固定方式。

2.3 相邻节段椎间盘的应力

应力分布图显示L3-L4和L4-L5椎间盘的应力主要集中在外周的纤维环，中间的髓核所受应力小。B组和C组的L3-L4和L4-L5椎间盘的应力最大值集中的区域明显大于A组(图 9、图 10)；在前屈、后伸、侧弯和扭转4个生理活动中，A组的L3-L4和L4-L5椎间盘所受的最大应力虽大于B组和C组(图 11)，但应力集中的区域A组明显小于B组和C组。由文献[16]报道可知较大应力区域越大，退变风险越高，所以A组椎间盘发生退变的可能性较低。
图 9 不同内固定方案中L3-L4椎间盘的应力分布云图

Fig. 9 Stress distribution contours of the L3-L4 intervertebral disc for different internal fixation schemes

图 10 不同内固定方案中L4-L5椎间盘的应力分布云图

Fig. 10 Stress distribution contours of the L4-L5 intervertebral disc for different internal fixation schemes

图 11 不同内固定方案中相邻椎间盘应力峰值比较

Fig. 11 Comparison of the maximum stress of adjacent intervertebral discs for different internal fixation schemes

2.4 椎间的活动度

与完整模型相比，A、B和C 3组模型在所有生理活动中的腰椎椎间活动度总量均减少。这是由于脊柱行内固定术后，活动度减小，腰椎稳定性提高，如表 2所示。
表 2 不同内固定方案中相邻节段的ROM比较

Table 2 Comparison of ROM values of adjacent segments for different internal fixation schemes

生理活动 ROM/(°)
L1-L2 L2-L3 L3-L4 L4-L5 L5-S1 腰椎ROM总量
前屈
        完整模型 3.12 3.55(100%) 4.21(100%) 4.27(100%) 2.72(100%) 17.87
        A组 2.00 1.87(52.7%) 1.68(40.0%) 1.90(44.5%) 0.16(5.9%) 7.61
        B组 2.01 1.88(53.0%) 1.67(39.7%) 0.30(7.0%) 0.06(2.2%) 5.92
        C组 1.99 0.70(19.7%) 0.61(14.5%) 0.67(15.7%) 0.09(3.3%) 4.06
后伸
        完整模型 2.73 3.70(100%) 3.01(100%) 3.68(100%) 1.85(100%) 14.97
        A组 1.82 2.55(68.9%) 2.76(91.7%) 2.54(69.0%) 0.14(7.6%) 9.81
        B组 1.82 2.57(69.5%) 2.77(92.0%) 0.52(14.1%) 0.31(16.8%) 7.99
        C组 1.68 1.37(37.0%) 0.84(27.9%) 0.55(14.9%) 0.07(3.8%) 4.51
侧弯
        完整模型 2.56 3.83(100%) 3.23(100%) 2.75(100%) 0.96(100%) 13.33
        A组 1.74 2.14(55.9%) 2.06(63.7%) 0.88(32.0%) 0.13(13.5%) 6.95
        B组 1.76 2.15(56.1%) 1.94(60.1%) 0.18(6.5%) 0.04(4.2%) 6.07
        C组 1.74 1.37(35.8%) 1.57(48.6%) 0.85(30.9%) 0.11(11.5%) 5.64
扭转
        完整模型 1.77 2.00(100%) 1.75(100%) 2.17(100%) 1.04(100%) 8.73
        A组 1.77 1.97(98.5%) 1.78(101.7%) 1.21(55.7%) 0.07(6.7%) 6.80
        B组 1.78 1.97(98.5%) 1.87(106.9%) 0.24(11.1%) 0.08(7.7%) 5.84
        C组 1.77 1.44(72.0%) 1.36(77.7%) 0.77(35.5%) 0.07(6.7%) 5.41

括号表示以下值：(完整模型、模型A、模型B或模型C的ROM/完整模型的ROM)×100%

对于融合段(L5-S1)，A、B和C 3组的ROM减少量均较多，其活动度都在0.31°以下。此外，在扭转状态下，A、B和C 3组ROM相似；对于相邻段(L4-L5)，B组的ROM较A组和C组的ROM减少量多一些，这是由于B组在L4-L5的后部进行固定。对于节段(L2-L3、L3-L4)而言，C组的ROM减少量较多，A组和B组的ROM相似。此外，与完整模型相比，A组和B组在扭转时的活动度出现代偿性的增加。而在节段(L1-L2)A、B和C 3组模型的ROM相似。

2.5 讨论

随着人口老龄化程度的不断加深，腰椎退行性病变的发生率不断攀升，给患者和社会带来沉重的经济负担。腰椎滑脱严重影响着脊柱平衡与稳定，常需要内固定融合手术治疗。然而，鲜有对同一病例进行3种不同固定方案治疗腰椎滑脱的生物力学报道，故本文建立了不同内固定方案的有限元模型进行对比研究。
关于治疗腰椎滑脱所采用的内固定方案较多，不同的学者对其各自的优势持有不同的观点。刘少华等[17]提倡采用短节段椎弓根螺钉内固定治疗严重滑脱，取得了良好的术后效果；Shen等[18]在治疗腰椎滑脱时发现6根椎弓根螺钉固定者未发生椎弓根螺钉断裂的问题；也有研究人员认为L4-L5-S1植骨融合和L5-S1植骨融合在改善高级别L5-S1脊椎滑脱患者的短期功能方面同样有益[19]。对于内固定系统，研究人员认为由于弯曲和疲劳载荷，内固定系统中的峰值应力是椎弓根螺钉和连接棒断裂的主要原因[20]。绝大多数螺钉断裂发生在长节段内固定系统的尾部和连接棒的中间部分[21]。为了尽量减少断裂风险，应选择短节段内固定。对于相邻椎间盘应力，一些学者推测，长节段固定会促使正常节段退变，因为多节段融合产生的较长力臂会在剩余的自由节段上产生更多的应力[22]。有研究[23]报道，就较长的节段固定而言，短节段固定可以避免腰椎活动的完全丧失，减少手术创伤，并降低内固定成本。活动度方面，Freudiger等[24]发现与完整脊柱相比，内固定模型在前屈、后伸和侧向弯曲方面减少了ROM。
本文建立了3种内固定的手术方案，研究它们在轻度腰椎滑脱完全复位的手术中腰椎及内固定系统的受力情况。通过三维有限元分析可知，相比于A组模型，B组和C组模型的椎弓根螺钉和连接棒在前屈、后伸、侧弯和扭转时的最大应力值较大，导致发生断裂的风险更高。虽然A组的L3-L4和L4-L5椎间盘所受的最大应力均大于B组和C组，但是通过椎间盘的应力分布云图可以发现，与A组相比，B组和C组椎间盘的应力最大值集中的区域明显大于A组，故B组和C组椎间盘可能更容易发生退变。与完整模型相比，A组、B组和C组模型在前屈、后伸、侧弯和扭转时的腰椎活动总量都发生减少，且C组的减少量大于B组也大于A组。因此A组在获得一定的腰椎稳定性的同时仍然可以为患者保留更多的运动节段。

3 结论

综上，A组L5-S1融合固定的方案可以降低内固定系统断裂的发生率，减少邻近节段椎间盘退变的发生率，在完成复位的情况下仍然保持一定的腰椎活动度，且手术时间短、术中出血量少，是一种更优的内固定方案。
本文的局限在于未考虑对骨质疏松的椎体进行复位和内固定的情况，而B组和C组的长节段固定可能在骨质疏松椎体滑脱复位时具有一定的优势[16]，但该问题不在本研究的范围内，因而未做研究与讨论。

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