有限元分析法在手术治疗的退行性脊柱侧弯患者生物力学研究中的应用

1. 内蒙古医科大学，内蒙古 呼和浩特 010000；2. 内蒙古医科大学第二附属医院脊柱外科，内蒙古 呼和浩特 010030）

摘要：目前退行性脊柱侧弯患者的主要治疗方法是手术治疗，由于退行性脊柱侧弯患者脊柱结构及症状的复杂性，使得其手术方案的制定显得尤为重要。有限元分析技术可以将患者术前及术后的 CT 图像利用计算机软件网格化后重建成三维图像，并进行生物力学分析。运用有限元分析法研究退行性脊柱侧弯患者术前与术后的脊柱受力情况的对比，分析不同固定方式钉棒系统在术后患者脊柱中的受力情况，并通过数据分析来指导患者在康复锻炼及日常生活中脊柱活动的注意事项，为患者提供个体化的康复指导，避免远期因不科学的康复锻炼及生活习惯所导致的术后并发症，如钉棒疲劳断裂，近端交界性后凸、假关节形成、内固定失败等，在保证患者生活质量的同时最大可能的避免远期并发症的出现。

关键词：有限元；脊柱侧凸；术后康复；生物力学

1 退行性脊柱侧弯发病原因的研究现状

退变性脊柱侧弯是指人成年后因脊柱退行性改变而出现的脊柱侧弯畸形；其纳入标准为：（1）青少年期无测凸病史；（2）病情发展缓慢，逐渐形成；（3）测弯顶点常常在 L2、L3 水平 4、腰椎侧凸 Cobb’s 角度多为 10°-40°，极少大于 60°。退行性脊柱侧弯的病理机制较为复杂，其与人体腰椎结构的退行性改变密切相关。1969 年 Vanderpool[1] 等根据其实验结果（实验组患病率是对照组的 6 倍）提出退行性脊柱侧弯与骨质疏松有密切关系。但是该项研究结果并未得到广泛认可，Robin[2] 等对 554 例 50-84 岁患者的随访中，有 394 位患者患有不同程度的腰椎侧凸，其结果并不支持骨质疏松与脊柱侧弯有明显相关性。研究者们 [3-5] 普遍认为造成退行性脊柱侧弯形成的原因主要是椎间盘的不对称性塌陷、小关节的肥厚内聚以及旋转性半脱位，椎间盘的不对称性退变及高度丢失导致椎体各结构应力改变，关节突关节面磨损的方向改变，小关节增生，内聚，变形，这种改变使得椎体倾斜和异常活动，使脊柱变得不稳，椎体发生侧移、旋转性半脱位，最终形成腰椎侧凸。同时应力改变与间盘不对称性退变在 DDS患者疾病发生发展过程中互为因果，形成恶性循环，使得病情不断进展恶化，直到边缘骨赘形成，使得脊柱系统通过骨赘形成代偿性的稳定系统后才会稍有减缓。椎体局部的侧方半脱位、前后移位、旋转畸形等改变加重了腰椎畸形。以上这些病理性改变，伴随黄韧带和关节囊的肥厚钙化导致侧隐窝和椎间孔狭窄不断进展，最终导致根性或神经源性跛行。

2 退变性脊柱侧弯的治疗及远期并发症的研究进展

退变性脊柱侧弯的治疗，首要目标是缓解患者症状，如腰背痛、下肢放射痛，其 宗旨是在缓解患者病痛的同时最大可能的进行矫形，相较于青少年的特发性脊柱侧弯并不追求完全的矫形，尤其是成年僵硬型的退行性脊柱侧弯，而是将解除合并症放在首位，如椎管狭窄、椎间盘突出或椎体滑脱等 [6]。与青少年特发性脊柱侧弯不同，退行性脊柱侧弯与年龄、激素水平、骨密度等因素密不可分。现行治疗方法主要是手术治疗，从固定阶段的长短主要分为长阶段固定和短阶段固定两种。近年，关于国际上关于 ADS 术后并症建立了完整的分类体系，研究人员们 [6-8] 将手术并发症分为十类。每个分类中，延长住院时间及需要有创治疗的定义为主要并发症，其余则为并发症。而远期并发症主要有两种，即与内置器械相关和与影像学相关，与内置器械相关的并发症有横连钩脱落、矫形棒脱落（断裂）、椎弓螺钉断裂、椎间融合器断裂、移位等；次要并发症有横联脱落、融合器下沉椎椎弓根螺钉位置不良、松动、螺定移位、与内置器械相关的疼痛及突起 [7]；影像学相关并发症中的主要并发症有，需再次手术治疗的交界性后凸以及假关节形成等，次要并发症包括无临床症状的交界性后凸、矢状 / 冠状面失平衡、侧弯失代偿、相邻阶段退变等 [8]。

3 有限元法在脊柱生物力学的研究进展

Belytschko 等于 1973 年首先将有限元法 [9] 应用于脊柱生物力学研究中，而 Hkami 和 King[10] 将后部附件加入了单节腰椎模型中，分析了脊柱在静止和运动状态下的生物力学。有限元法是以数学形式将脊柱的结构形状、材料性能、载荷边界条件等概括出来，通过改变其中任一参数以观察其对整个结构的影响。现如今有限元法越来越多的应用于各种脊柱疾患的生物力学分析，内固定器械作用原理，手术方案制定，及手术疗效评估当中。近年来，有限元模型的建模方法已逐渐成熟稳定，当前的研究更趋向于对不同脊柱疾病的个体化，细致化分析，各种相关疾病的有限元方面的研究成果也越来越多的见于报道中。2004 年 Adam[11] 等利用特发性脊柱侧弯患者术前 CT 资料建立了有限元模型，并对矫形手术进行了模拟分析，结合术后疗效，认为该方法可以很好的预测手术疗效；2010 年汪学松 [12] 等运用有限元法对一例青少年特发性双弯型 PUMC Ⅱ d2 脊柱侧凸女性患者的 脊柱进行研究，通过该方法进行手术方案模拟并对三种不同手术方案的矫形效果进行力学分析，得出双弯矫形 ] 单纯上胸弯矫形﹥单纯下腰弯矫形。之后对于不同类型的特发性脊柱侧弯患者的类似分析不断涌现在各类文献中。2016[13] 年邓海棠等运用有限元法分析了单阶段胸腰椎骨折术后椎弓根钉应力分布，并得出不同固定方式在不同运动状态下的内固定器械应力分布情况及稳定性差异，其研究结果显示 6 钉2棒伤椎双侧固定在 5种骨折固定方式中具有最好的稳定性，4 钉 2 棒伤椎双侧固定的稳定性最差。有限元分析在脊柱退行性变方面也有较为广泛的研究，2009 年 Ruberte[14] 等建立了 L4- L5 和 L5- S1 阶段的有限元模型，用于分析不同载荷下的椎间盘应力变化情况，并得出在椎间盘退变过程中应力由最初的集中于髓核变为集中于四周纤维环的结论。2013年郑洁 [15] 等对退变性脊柱侧弯进行了有限元分析，在不同工况下对模型进行加载，计算分析了脊柱的活动度，椎体椎间盘及关节突软骨的应力分布情况，得出在旋转工况下关节突软骨应力最为集中，后伸次之，侧弯的顶点更容易出现应力集中，后伸和旋转运动可加重退变性脊柱侧弯的发展。由此可见有限元分析法在脊柱手术方面的应用已经日趋成熟，在术前规划及预后分析方面国内外取得了很多研究成果。但当今的主要成果都集中在术前模拟规划及根据模拟得来的数据进行的预后分析方面，而将这种方法运用于脊柱手术患者术后脊柱真实受力情况的对比还鲜有文献报道。

4 总结

现如今有限元分析技术在医学方面的应用已日趋成熟，通过模型模拟出术后患者在不同体位下脊柱受力及钉棒器械的受力情况已成为可能。在脊柱矫形术中每位患者的侧弯矫形程度、椎体旋转程度的矫正、后凸畸形的矫正因为各种原因肯定会各有不同，而有限元分析技术为每位患者进行个体化的术后康复指导提供了科学的依据，使患者受到最专业的指导与康复。

参考文献：略

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