腰椎椎间孔外椎体间融合术的三维有限元建模及分析

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1、腰椎椎间孔外椎体间融合术的三维有限元建模及分析杨明杰;曾诚;李立钧;潘杰;郭松;谭军【摘要】目的 采用三维有限元方法比较椎间孔外腰椎椎体间融合术（extraforaminal lumbar interbody fusion, ELIF）与传统经椎间孑 L腰椎椎体间融 合术（transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF）,在不同固定方式下的生物 力学稳定性方法将健康成年男性志愿者腰椎CT片读入Simpleware 2. 0,建立 L3 L5的三维几何模型利用Hypermesh,对模型进行有限元网格划分，建立完整 L3 L5节段有限元模型对完整模型进行不

2、同处理，分为正常标本对照组（C组）,单边 固定ELIF（E1组）,单边固定TLIF（T1组）,双边固定ELIF（E2组）,双边固定TLIF（T2组）, 单边固定ELIF+对侧经椎板关节突螺钉内固定（E3组）,单边固定TLIF+对侧经椎板 关节突螺钉内固定（T3组）利用Abaqus 6. 10,对处理组模型施加相应的载荷及运 动附加力,计算腰椎前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转6种工况下的L4L5节段 角位移及其他生物力学指标结果E1与T1组L4 L5活动度均较C组明显减小（P v 0. 01）. E1组各工况下的活动度小于T1组，尤以左侧屈及右旋时明显（Pv 0. 05）;E1组在各工况下的活动度

3、明显高于T2组（P v 0. 05）;E3组活动度明显低于E1 组（P v 0. 05）在400 N的载荷下,E2组与T2组、E3组与T3组活动度差异均无统 计学意义（P0. 05） 结论ELIF联合使用对侧经椎板关节突螺钉固定后稳定性得以 提高，与TLIF双侧椎弓根螺钉固定在限定载荷下相当，是一种安全有效，更加微创的 腰椎椎体间融合术式.Objective To establish a 3D-finite element model for evaluation of biomechanical stability of extraforaminal lumbar interbody fus

4、ion （ ELIF ） and traditional transforaminal lumbar interbody fusion（ TLIF） under different internal fixation. Methods The CT images of health adult males were applied to establish the L3-L5level 3D geometric model withSimpleware 2. 0 software. Hypermesh was used to divide the finite element mesh for

5、 establishment of L3-L5level intact finite element model. The biomechanical stability was analyzed by the established model with the following treatment: E1 ( unilateral fixation ELIF ) , T1 ( unilateral fixation TLIF ) , E2 ( bilateral fixation ELIF), T2 (bilateral fixation TLIF), E3 (unilateral fi

6、xation ELIF + contralateral translaminar facet screw) , T3 ( unilateral fixation TLIF +contralateral translaminar facet screw). The corresponding load and additional movement force were exerted in all treatment groups. The angular displacement of L4-L5 and other biomechanics index were calculated in

7、 anteflexion, extension, lateral flexion and rotation movement using Abaqus 6. 10 software. Results The range of motion ( ROM) of E1and T1 was significantly lower than that of C in the intact model ( PvO. 01). Compared with T1, the ROM of E1 was lower, especially in left lateral flexion and right ro

8、tation ( PvO. 05). Compared with T2,the ROM of E1 was significantly higher ( PvO. 05). The ROM of E3 was significantly decreased compared with E1(Pv0. 05). Moreover, the ROM of E3 was not significantly different with that of T2. Under the load of 400 N,there were no significant differences between T

9、2 and T3, and between T3 and E3 ( P0. 05).Conclusion The established 3D-finite element model shows that the stability of single pedicle screws fixation ELIF will be improved by use of contralateral translaminar facet screw,and it is a safe, more efficient and less invasive operation approach.期刊名称】同济

10、大学学报（医学版）年(卷),期】2018(039)003【总页数】7页(P41-47) 【关键词】 腰椎椎间融合;微创;三维有限元分析【作 者】 杨明杰;曾诚;李立钧;潘杰;郭松;谭军【作者单位】 同济大学附属东方医院脊柱外科,上海 200120;同济大学附属东方医 院脊柱外科,上海 200120;同济大学附属东方医院脊柱外科,上海 200120;同济大学 附属东方医院脊柱外科,上海 200120;同济大学附属东方医院脊柱外科,上海 200120;同济大学附属东方医院脊柱外科,上海 200120【正文语种】 中 文【中图分类】 R681.5目前，腰椎融合术仍为治疗腰椎退变性疾病的最常用术式1，

11、临床上达到的共识 是尽可能保留后方的张力结构，减小附加创伤，可以保证术后短期的稳定性以及长 期的融合率。本研究设计的椎间孑L外腰椎椎体间融合术(extraforaminal lumbar interbody fusion, ELIF)，术中只切除增生内聚的上关节突，而保留下关节突及其 后方附着软组织，较之传统的经椎间孑L椎体间融合术(transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF)更加完整地保留后方结构，提高腰椎术后即刻稳定性2-4。 本研究建立了正常L3 L5的三维有限元模型，并在此基础上建立了采用不同内固 定融合方式的有限元模型，测量前屈、后伸、左

12、右侧屈及左右旋转各工况下模型的 稳定性、椎弓根螺钉连接棒上的应力及各种固定融合方式对于邻近节段的影响，为 临床应用提供理论力学依据。本研究比较ELIF手术与传统经典TLIF手术在各种内 固定条件下的腰椎运动节段的稳定性。1 资料与方法1.1 建立三维有限元模型健康成年男性志愿者1例（26岁，身高172cm，体质量67kg），既往无腰椎疾病 史，拍摄腰椎X线片排除腰椎病变。用64排螺旋CT机从L3上终板至L5下终板 进行连续扫描，层厚3mm，以通用DICOM 3.0格式读入医学有限元建模软件 Simpleware 2.0 ,建立L3 L5的三维几何模型。利用有限元软件Hypermesh , 采用

13、合适的单元类型和材料性质，对模型进行有限元网格划分，将各部位材料的弹 性模量、泊松比等材料系数及特征值输入模型5-9，见表1,完成人正常L3 L5 节段有限元模型（INT）的建立，见图1。表1 有限元模型各部分材料力学参数Tab.1 Mechanical parameters of 3D- finite element model项目杨氏模量/MPa泊松比横截面积/mm2材料皮质骨 12000.00.30 终板1200.00.29松质骨100.00.30后部结构3500.00.25 椎间盘 髓核1.00.49基质4.20.45 纤维环450.00.45韧带 前纵韧带 20.00.3063.7后

14、纵韧带20.00.3020.0横突间韧带58.70.303.6黄韧带 19.50.3040.0棘突间韧带11.60.3040.0棘上韧带15.00.3030.0关节囊韧带 32.90.3060.0 脊柱内固定（钛）110000.00.2820.0 椎间融合器（PEEK）3600.00.25 1.2 建立不同融合内固定模型将IGES格式的椎弓根螺钉系统与椎间融合器（DePuy spine,美国强生公司）图像文 件导入Hyperm-esh，根据以下要求分别对ELIF组与TLIF组进行有限元网格划分。 两组螺钉弹性模量为110000MPa，泊松比为0.3。椎间融合器为子弹头型融合器， 尺寸为9mmx

15、11mmx27mm,弹性模量为3700MPa，泊松比为0.25。螺钉直 径6.0mm，长45mm。ELIF组融合器与矢状面成80,从右侧斜行置入椎间隙内。 TLIF组融合器与矢状面成45,从右侧斜行置入椎间隙内。利用三维重建软件分别 建立正常标本对照组（C组），单边固定ELIF（E1组），单边固定TLIF（T1组），双边 固定ELIF（E2组），双边固定TLIF（T2组），单边固定ELIF+对侧经椎板关节突螺钉 内固定（E3组），单边固定TLIF+对侧经椎板关节突螺钉内固定（T3组）。试验模型 的设计完全按临床手术方法：E1,去除L5上关节突，切除L4 L5间隙全部髓核 及右后2/3纤维环，保

16、留后方的棘上韧带、棘间韧带、棘突及左侧结构，于L4、 L5右侧椎弓根各置入1枚螺钉（螺钉的入点选择上关节突与横突转折部中点，角度 约与矢状面呈45）; T1 ,去除L4下关节突及L5上关节突，切除L4 L5间隙全 部髓核及右后2/3纤维环，保留后方的棘上韧带、棘间韧带、棘突及左侧结构， 于L4、L5右侧椎弓根各置入1枚螺钉（螺钉的入点选择人字嵴的顶点，角度约与 矢状面呈30）; T2减压范围同T1,于L4、L5双侧椎弓根各置入2枚螺钉（置钉 方法同T1） ; E2为双边固定ELIF ; E3减压范围同E1,于L4、L5右侧椎弓根各置 入1枚螺钉，并经椎板置入对侧关节突螺钉；T3为单边固定TLI

17、F并经椎板置入对 侧关节突螺钉，见图2和图3。图1 正常腰椎L3 L5三维有限元建模Fig.1 3D-finite element models of normal lumbar图 2 ELIF 的三维有限元建模 Fig.2 3D-finite element model of ELIFA :单边 固定， B： 双边固定， C： 单边+关节突螺钉固定图 3 TLIF 三维有限元建模 Fig.3 3D-finite element model of TLIFA :单边固 定， B： 双边固定， C： 单边+关节突螺钉固定1.3 加载和记录方法将L5椎体的下表面全固定，在L3椎体上表面施加面载荷，

18、压力方向垂直向下， 均匀分布在整个L3椎体的上终板。对模型所施加的载荷为400N，运动附加力为 6Nm。进入Abaqus 6.10,在腰椎前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转六种工况下 进行计算。主要观察指标有：L4 L5活动范围（range of motion, ROM），用 节段角位移表示，测量L4、L5上表面最前点、最后点、最左点、最右点共4点的 空间位置坐标连接成线，各线间夹角代表相邻两椎体上表面间的夹角，加载前后夹 角差值的绝对值即为L4 L5节段角位移。以应力云图的形式表示各工况下椎 弓根螺钉连接棒及上位椎间盘的应力。记录L3 L4活动范围，用L3L4节段 角位移表示。1.4 统计学方法

19、采用SPSS 17.0软件对数据进行统计处理，所有计量资料采用表示数据进行独 立样本t检验。以PvO.O5有差异具有统计学意义。2 结 果2.1 模型有效性验证整个L3 L5三维非线性有限元模型包括皮质骨壳、松质骨核心、后部结构（包括 关节突关节）、椎间盘（基质、胶原纤维和髓核）和7种韧带，共14种材料。模型总 共含124528个单元、 49235个节点。定义好模型的约束和载荷条件后，在腰椎 前屈、后伸、左右侧屈及左右旋转六种工况下，计算L4L5节段角位移。结果表 明正常腰椎有限元模型在不同工况下L4 L5节段角位移与Vadapalli等10、陈 志明等11的有限元研究结果基本一致，见图4。认

20、为本模型在一定条件下有效， 可以应用于临床和试验研究。图4 本实验所用模型与正常模型的比较Fig.4 Comparison of different models2.2 L4L5活动范围单侧椎弓根螺钉固定时E1组与T1组活动度均较正常模型C组明显减小。当E1 组与T1组相比时，E1组各工况下的活动度小于T1组，尤以左侧屈及右旋时明显。 这可能是由于在E1组中，减压侧保留的部分上关节突能够与下关节突相关节，限 制了腰椎的左侧屈及右旋，使得稳定性有所提高，另外在E1组中，螺钉的外倾更 大，也有助于稳定性的提高。当E1组与T2组相比时，E1组活动度明显高于T2 组，这表明即使ELIF单边固定较传统T

21、LIF单边固定稳定性明显提高，但是仍无法 达到经典TLIF双边固定的稳定性。在E1组基础上辅以对侧经椎板关节突螺钉固 定的E3组各工况下的活动度，较E1组的活动度明显减小，并且在试验载荷范围 内与T2相比未见明显差异，见表2。表2各模型在不同工况下L4L5节段角位移Tab.2 The angular displacement of L4-L5in different loads ()组别前屈后伸左屈右屈左旋右旋C 组 2.161.701.401.840.900.96E1 组 0.710.410.380.110.260.28T1 组 0.880.480.870.120.280.60E2 组 0.

22、560.060.120.050.080.10T2 组 0.630.080.220.060.100.14E3 组 0.640.100.240.100.170.16T3 组 0.650.150.280.170.190.242.3 L3 L4活动范围4试验组L3 L4节段的活动度与正常对照组相比无明显差异，这表明无论采用椎 弓根螺钉固定或椎弓根螺钉固定辅以对侧经椎板关节突螺钉固定，均不会对邻近椎 体间的活动造成明显影响，见表3。表3各模型在不同工况下L3L4节段角位移Tab.3 The angular displacement of L3-L4in different loads ()组别前屈后伸左

23、屈右屈左旋右旋C 组 2.240.891.451.380.760.75E1 组 2.240.911.441.330.740.75T1 组 2.250.821.451.360.690.73E2 组 2.230.881.411.380.740.75T2 组 2.231.431.381.321.041.02E3 组 2.241.201.431.331.020.89T3 组 2.211.181.401.351.060.922.4 ELIF及TLIF有限元模型椎弓根螺钉连接棒及椎间融合器的应力分析ELIF组及TLIF组连接棒上的最大应力集中部位在钉帽结合处，而且近端应力大于 远端；单侧椎弓根螺钉固定时各

24、工况下的连接棒应力大于双侧椎弓根螺钉固定，见 图5。比较E1组与T1组连接棒应力时，E1组应力小于T1组，尤以右侧屈时明 显，见图6。这是因为在ELIF组中所保留的下关节突能够分担连接棒上的部分应 力，所以，理论上看ELIF组断棒的概率较TLIF组偏低。在单侧椎弓根螺钉固定的 基础上辅以对侧经椎板关节突螺钉，连接棒的应力较单侧固定时减小。腰椎模型前 屈后伸时，上位椎间盘纤维环的最大应力出现在其前部；左侧弯时，最大应力出现 在其左半部分；右侧弯时，最大应力出现在其右半部分；椎弓根螺钉固定组与完整 组并无明显差异。当比较ELIF与TLIF的融合器所受的应力时，两组在各工况下无 明显差异，因融合器的

25、作用在于前柱支撑，后柱结构的保留对其应力影响不大，见 图7。图5单边固定ELIF(A)及双边固定ELIF(B)之连接棒的应力比较Fig.5Comparison of load share in rod between unilateral(A) and bilateral ELIF(B)图6单边固定ELIF(A)与单边固定TLIF(B)的连接棒的应力比较Fig.6Comparison of load share in rod between unilateral ELIF(A) and TLIF(B)图7单边固定ELIF(A)与单边固定TLIF(B)的融合器的应力比较Fig.7 Compari

26、son of load share in cage between unilateral ELIF(A) and TLIF(B) 3 讨 论 腰椎退变性疾病主要表现为腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄症，该病已成为腰腿痛的 最常见原因12-14。研究1表明，腰椎融合术已成为保守治疗无效的腰椎病的重 要治疗手段。腰椎融合术包括减压、固定、融合三大内容。减压是解除患者症状的 关键步骤；固定以提供术后的即刻稳定性，便于早期活动，避免卧床并发症；而融 合则是长期效果的保障。腰椎管狭窄症包含了中央椎管狭窄和侧方椎管狭窄两种类 型，对于侧方椎管狭窄，椎间隙高度降低、椎间盘突出特别是上关节突的相对内聚 增生肥大是最

27、主要的原因。相对于PLIF手术，TLIF手术对侧方椎管的减压具有更 好的针对性，但是为了达到手术目的首先切除了与病变无关的下关节突。因为下关 节突在大多数情形下不涉及椎管，不参与椎间孔区域结构构成，切除下关节突的惟 一目的是为切除上关节突创造视野和空间条件，所以切除入路必经的下关节突属于 无效创伤15-16，破坏了脊柱稳定性。因此，常规TLIF手术均需要辅以后方双侧 椎弓根螺钉固定，以提高术后即刻稳定性。然而，双侧椎弓根螺钉固定使得手术时 间及出血增加，神经损伤风险增加，手术费用加大。近年来，TLIF单边固定成为 研究热点10,17-19，但是在该技术中，Sluckv等20啲生物力学研究表明，

28、单侧 椎弓根螺钉的固定强度仅有双侧椎弓根螺钉固定时的一半；而且由于其固有的不对 称，使得抗旋转力较差，容易出现应力集中；另外，单侧内固定有造成侧凸及内固 定失效的风险21。在保证手术疗效的基础上，本着更加微创、更加稳定的原则， 本研究设计了 ELIF手术，其手术理念即是在TLIF入路的基础上继续向外侧延伸， 将下关节突旋出视野，完全暴露上关节突，就可以在不切除下关节突的基础上切除 上关节突，对侧方椎管进行有效的减压，进而实现椎间融合。ELIF手术较TLIF手 术的优点在于： 最大程度保留了后方结构、下关节突及其背侧关节囊以及附着的 韧带、肌肉组织，对保证脊柱术后即刻稳定性优势明显。此外，ELI

29、F的手术入路 决定了术中植入椎间融合器的外倾角度较传统入路加大（例如本模型的椎间融合器 的植入角度为80，能够有效避免TLIF手术植入单侧椎间融合器不对称的问题22，提高稳定性，防止沉降；同时由于手术入路偏外，椎弓根螺钉的入点可以较 常规TLIF更加偏外，加大螺钉的外倾角度，增加稳定性。为明确以上稳定性的增 加能否使得ELIF手术单边固定成为可能，本试验构建了不同内固定条件下的有限 元模型，并将经典TLIF双边固定模型的稳定性作为参照。该模型数据分析表明， ELIF单边固定后，各工况下的稳定性均优于TLIF单边固定，其中尤以左侧屈及右 旋时明显；但明显弱于TLIF双边固定模型。这点提示，ELI

30、F单边固定后即使其稳 定性较TLIF单边固定有所提高，但仍无法达到双侧固定时的稳定性。因此，不论 TLIF与ELIF均存在单边固定失稳的可能。此时，当在ELIF单边固定的基础上，辅 以对侧经椎板关节突螺钉时，其活动度均较ELIF单边固定时明显减小，与经典 TLIF双边固定模型相比活动度无明显差异。该结果提示ELIF单边固定加用对侧经 椎板关节突螺钉可以明显提高稳定性，而且其稳定性与双侧椎弓根螺钉固定相当， 因此该技术满足融合手术所需的稳定性要求。近年来，为避免常规腰椎融合术 (PLIF与TLIF)的创伤较大的弊端，融合方法的改进颇多，如ALIF和XLIF分别采 用前方入路和侧方入路23-24，

31、完全保留了后方结构，具有明显微创优势；但是 该两种手术目前只能对后方椎管及神经根管进行间接减压，手术适应证相对较窄。 而ELIF较ALIF和XLIF，则可以进行更有效的直接减压操作，且手术范围局限在 脊柱外科医生熟悉的后方入路，避免了经前路手术及侧路手术的并发症，增加手术 的安全性、可靠性。此外，ELIF单边固定辅以对侧经椎板关节突螺钉，仅需单侧 切开皮肤，既能完成减压，融合过程又可以固定对侧关节突，提高术后即刻稳定性， 手术创伤更小，出血更少，美容效果更佳。因此，该手术能够成为一种更加有效的 微创腰椎融合术。然而，ELIF也有其一定的局限性：由于其暴露范围小，术中切 除的骨性结构较少。减压的

32、范围较传统术式(TLIF和PLIF)相对较小。随着手术技 巧的提高，其减压范围可以达到椎管中线。另外，对于L5 S1侧方椎管狭窄，由 于髂骨的遮挡，使得手术操作难以完成。Park 等25 关于腰椎邻近节段退变(adjacent segment degeneration, ASD)的研 究认为，内固定可能是ASD早期发展的危险因素。但本研究通过分析不同手术组 L3 L4椎间盘的活动度和纤维环的最大应力，发现各内固定组并没有增加L3 L4 的活动度及椎间盘的应力。Adams等26研究表明，退变的椎间盘，其应力分布 高度不规则，纤维环特别是后外侧部位应力明显升高。退变椎间盘即使较小的活动 度变化也可

33、能导致明显的应力升高，加速其退变。然而，对于健康没有退变的椎间 盘，其分布应力是基本均匀的，活动度的变化不会导致应力的明显升高，因此，本 试验未出现固定后L3 L4椎间盘应力的增加。本研究存在的不足： (1) 是对模型进行部分简化和材料特性的理想化，虽然这些简 化都是在合理的前提下进行的，但是不可避免对模型的计算结果产生一定影响，所 得的结果并不是精确的数值，而是代表一种趋势。(2) 未建立包括椎旁肌肉在内的 全腰椎模型，仅选取了其中2个腰椎的运动节段，不能完全模拟ELIF与TLIF的软 组织环境。(3) 受条件所限，研究仅停留在三维几何模型分析，对尸体标本的生物 力学研究将在后期开展。【参考

34、文献】【相关文献】1 PHILLIPS F M, SLOSAR P J, YOUSSEF J A, et al. Lumbar spine fusion for chronic low back pain due to degenerative disc disease： a systematic reviewJ. Spine, 2013,38(7) ： E409.2 YANG M, ZENG C, GUO S, et al. Digitalized design of extraforaminal lumbar interbody fusion： a computer-based simul

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