斜外侧椎间融合术融合器放置位置联合双侧椎弓根钉棒固定在骨质疏松腰椎中的有限元分析
摘 要
目的：
运用三维有限元分析法研究骨质疏松腰椎应用斜外侧椎间融合术时融合器放
置不同位置的单纯融合固定（stand-alone）以及联合双侧椎弓根钉棒固定对腰椎生物力学的影响。
方法：
获取一名成年男性志愿者腰椎 DICOM 格式的 CT 扫描数据，运用 Mimics、Geomagic、Solidworks、ANSYS 软件建立 L3-L5 正常三维有限元模型（N）。对正常有限元模型进行验证后，通过调整模型的材料属性构建骨质疏松模型（OP），并以 OP 为基础在 L4-L5 节段分别建立融合器放置于 L5 上终板前、中、后 1/3 的单纯融合固定模型（S1、S2、S3）和双侧椎弓根钉棒固定模型（M1、M2、M3）。在L3 上表面施加 400N 垂直载荷及 10 N·m 力矩模拟脊柱前屈、后伸、左右侧弯和左右旋转等六种生理活动，记录各有限元模型不同工况下 L4-L5 节段相对活动度(rangeof motion, ROM)及 L5 上终板、融合器和钉棒系统内固定的应力峰值并比较差异。
结果：
在大部分运动状态下，单纯融合固定模型和联合双侧椎弓根钉棒固定模型的L4-L5 相对活动度、L5 上终板应力、融合器应力从小到大排序均为：S2＜S1＜S3、M2＜M1＜M3。除前屈后伸外，M2 的钉棒系统内固定应力最小。在同一融合器位置下，联合双侧椎弓根钉棒固定模型的 L4-L5 相对活动度、L5 上终板应力、融合器应力相比单纯融合固定模型均显著降低。M1 的 L4-L5 相对活动度、L5 上终板、融合器应力相比于 S1 分别最大降低了 89.37％、71.98％、78.38％；M2 相比于 S2 分别最大降低了 83.24％、70.71％、73.52％；M3 相比于 S3 分别最大降低了 74.28％、53.13％、54.16％。
结论：
斜外侧椎间融合术中将融合器放置于 L5 上终板中 1/3 可以降低 L5 上终板、融合器和内固定的最大应力，从而有助于减少骨质疏松腰椎术后融合器沉降、终板塌陷及后路钉棒系统断裂的风险。相比于 OLIF 单纯融合固定，联合双侧椎弓根钉棒固定能够为骨质疏松腰椎手术节段提供充足的稳定性，并进一步降低前述并发症的发生率。
本课题为山西省自然科学基金“骨肉瘤细胞 VEGF-C/VEGFR-3/iNOS 的信号调控机制及其促肿瘤周围血管形成的研究（编号：201801D121220）”。
关键词：有限元分析；斜外侧椎间融合术；融合器位置；骨质疏松；双侧椎弓根钉棒固定
前 言
腰椎椎间融合术（lumbar interbody fusion, LIF）是治疗腰椎退行性疾病的经典方法，可通过多种入路达成，每种入路各有其优势和不足。随着外科技术向精准、微创发展，出现了许多微创的椎间融合术式。近年来，斜外侧腰椎间融合术（oblique lateralinterbody fusion, OLIF）因其良好的手术效果[1-2]而备受推崇，但值得注意的是，因患者骨质疏松症或终板过度损伤导致术后融合器沉降甚至塌陷的发生率约为8.3%~9.4%[1.3]，往往需要附加后路内固定。有研究指出骨密度、融合水平、融合器位置、融合器高度、螺钉固定均与融合器沉降有关[4-5]。在 He 等人[6]的研究中，OLIF单独使用时融合器的沉降率为 15.6%，高于联合后路椎弓根螺钉固定(7.3％)。融合器下沉、椎间隙塌陷可能导致椎间孔再狭窄和节段性前凸丧失，从而导致持续性背痛或神经根病变，严重时需进行翻修手术[7-8]。
腰椎终板由中央终板和周围骺环组成，其中骺环是终板的主要负重结构，相关解剖学研究证实终板外侧区、前部、后部骺环结构的宽度分别约为 7.3mm、5.6mm、3.3mm[9]，故 OLIF 融合器与骺环的接触面积会随着放置位置的不同而变化，但这会对骨质疏松患者的腰椎生物力学有何影响却鲜有报道。
本研究采用有限元分析的方法，建立 L3-L5 单节段融合器放置不同位置的 OLIF单纯融合固定（stand-alone OLIF）和联合双侧椎弓根钉棒固定的骨质疏松三维有限元模型，分析其对腰椎生物力学特性的影响，可以在理论上筛选出较为合理的融合器植入位置，明确骨质疏松腰椎使用双侧椎弓根钉棒的优势，为临床医生提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 研究对象
选取健康成年男性志愿者 1 名，既往无腰椎疾病、创伤史。
1.1.2 实验软件及计算机工作站
软件：Mimics 17.0（Materialise 公司，比利时），Geomagic Studio 2017（Geomagic公司，美国），Solidworks 2016（达索公司，美国），ANSYS 16.0（Ansys 公司，美国）。
计算机工作站：CPU：intel（R）Core（TM）i5-9300H. 2.40GHz，16G 内存，
Windows10 操作系统。
1.1.3 CT 数据采集
采用 64 排螺旋 CT（西门子公司，德国）对该男性志愿者的腰椎进行连续薄层扫描（层厚 0.625mm），将获取的影像数据以 DICOM 格式进行保存。
1.2 方法
1.2.1 L3-L5 三维几何模型的建立
将获取的 DICOM 数据导入建模软件 Mimics，设置合适阈值分割出 L3-L5 腰椎的骨性结构，使用 3D 计算功能，并对模型进行平滑、包裹等处理。将获取的 L3-L5椎体模型以 STL 格式文件导入逆向工程设计软件 Geomagic 进行填孔、光滑、打磨、简化、构造曲面片等处理，之后以 Step 格式文件导入到机械设计软件 Solidworks，通过组合、删减等功能重建皮质骨、松质骨、椎间盘、软骨终板和关节突软骨，完成 L3-L5三维几何模型的建立（见图 1）。
椎间盘由髓核和纤维环构成，其中髓核约占椎间盘 40%。软骨终板与椎体上下表面紧密贴合，厚度约为 1mm；皮质骨厚度约为 1mm，松质骨与皮质骨紧密贴合。关节突软骨与关节突关节面紧密贴合，厚度约为 0.2mm。
1.2.2 融合器、椎弓根钉棒几何模型的建立
本课题基于上海三友楔石融合器的参数在 Solidworks 中建立融合器的三维几何模型。融合器长宽高分别为 50mm、17mm、10mm，前后不等高，上下表面约成 8°夹角，为降低建模时的复杂程度，用矩形面代替锯齿面。椎弓根螺钉模型长 50mm，直径 6.5mm，表面设计有螺纹；连接棒长 53mm，直径 5.5mm（见图 2）。
1.2.3 融合器放置不同位置的斜外侧椎间融合术模型的建立
用 Solidworks 软件将 L3-L5 几何模型与融合器、椎弓根钉棒几何模型进行装配。
Moro 等人[10]将椎体从前缘到后缘等分为Ⅰ~Ⅳ四个区域，本研究采用相同的方法，将L5 上终板前后径平均分为 4 部分，分界点分别记为：a、b、c，融合器最大横径与最大纵径的交叉点记为中心点 A，将融合器按其长轴平行于 L5 上终板左右径放置，在轴位上使 A 分别与 a、b、c 重叠，得到融合器位于 L5 上终板前 1/3（即 Moro Ⅰ~Ⅱ区）的单纯融合固定模型（S1）与双侧椎弓根钉棒固定模型（M1），融合器位于 L5 上终板中 1/3（即 Moro Ⅱ~Ⅲ区）的单纯融合固定模型（S2）与双侧椎弓根钉棒固定模型（M2），融合器位于 L5 上终板后 1/3（即 Moro Ⅲ~Ⅳ区）的单纯融合固定模型（S3）与双侧椎弓根钉棒固定模型（M3）（见图 3）。
腰椎终板与所选融合器匹配，所有手术模型均以 L4-L5 节段为手术节段，融合器为单枚、左侧置入，均移除 L4-L5 节段相应髓核、纤维环以及软骨终板。
1.2.4 有限元模型的建立
将上述模型导入有限元分析软件 ANSYS 中添加韧带（包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带、横突间韧带和关节囊韧带），韧带采用仅承受拉力的Spring 单元代替。划分网格时采用四面体网格，为保证计算的精度及准确度，对皮质骨、松质骨、后部结构、椎间盘、软骨终板、融合器和后路双侧椎弓根钉棒的网格大小设置为 2.0mm，对关节突软骨网格大小设置为 1mm。设定腰椎结构为各向同性的线弹性材料，通过对各个模型赋予材料属性最终生成 L3-L5 正常三维有限元模型（N）、骨质疏松有限元模型（OP）、融合器位于 L5 上终板前 1/3 的单纯融合固定模型（S1）与双侧椎弓根钉棒固定模型（M1）、融合器位于 L5 上终板中 1/3 的单纯融合固定模型（S2）与双侧椎弓根钉棒固定模型（M2）、融合器位于 L5 上终板后 1/3 的单纯融合固定模型（S3）与双侧椎弓根钉棒固定模型（M3）（见图 4-5）。N 与 OP 均共计494853 个节点，294764 个四面体单元；S1 共计 481773 个节点，287346 个四面体单元；M1 共计 600224 个节点，352264 个四面体单元；S2 共计 482571 个节点，287938个四面体单元；M2 共计 600198 个节点，352173 个四面体单元；S3 共计 482521 个节点，287901 个四面体单元；M3 共计 599653 个节点，351875 个四面体单元。
骨质疏松模型通过调整模型的材料属性进行构建，定义是松质骨的弹性模量降低66%，皮质骨、终板和后部结构的弹性模量降低 33%，软组织结构保持不变[11]。L3-L5各组织结构及内植物的材料属性均来源于前人研究数据[12-14]，如表 1 所示。
1.2.5 接触对设置、边界条件的假定与载荷施加
小关节接触类型设置为“frictional”，系数设为 0.2，以保证关节突关节在维持脊柱功能结构的正常作用。融合器与椎间隙上下终板、螺钉与钉道、螺钉与钉棒接触类型均设置为“bonded”。将 L5 下终板固定，即在受力的条件下不发生位移和旋转，在 L3 上表面添加大小为 400N 的垂直载荷及 10 N·m 力矩，模拟人体前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转运动[15-16]。
1.2.6 主要观察指标
记录各有限元模型不同工况下 L4-L5 节段相对活动度(range of motion, ROM)及L5 上终板、融合器和钉棒系统内固定的应力峰值并比较不同模型之间的差异。
2 结 果
2.1 模型有效性验证
在正常有限元模型（N）的 L3 上表面施加前述载荷，测量 L3-L4、L4-L5 ROM。所得结果与 Shim 等[17]的尸体研究和 Zhong 等[18]的有限元研究的结果相近（见图 6），说明本研究所构建模型可用于进一步研究。
2.2 各运动状态下 L4-L5 节段腰椎相对活动度
单纯融合固定手术模型与 OP 相比，S1、S2、S3 L4-L5 节段腰椎相对活动度在各运动状态下分别减少 28.29％、43.06％、39.83％以上。除后伸状态外 L4-L5 节段腰椎相对活动度：S3＞S1＞S2。双侧椎弓根钉棒固定手术模型与 OP 相比，M1、M2、M3L4-L5 节段腰椎相对活动度在各运动状态下分别减少 80.56％、80.92％、84.13％以上。除后伸状态外 L4-L5 节段腰椎相对活动度：M3＞M1＞M2（见图 7）。
双侧椎弓根钉棒固定手术模型与单纯融合固定手术模型进行比较，M1 比 S1 在各运动状态下分别减少了 89.37％、72.89％、44.87％、28.94％、8.62％、4.08％；M2 比 S2 在各运动状态下分别减少了 83.24％、66.49％、48.67％、61.97％、2.39％、1.42％；M3 比 S3 在各运动状态下分别减少了 74.28％、71.09％、42.98％、32.27％、34.97％、23.60％。
2.3 各运动状态下 L5 上终板的应力峰值
单纯融合固定手术模型 L5 上终板的应力峰值在除后伸状态外为：S3＞S1＞S2。S1、S2 在前屈时应力最大，S3 在前屈时的应力仅次于右侧弯，达到了 79.39MPa。双侧椎弓根钉棒固定手术模型 L5 上终板的应力峰值在各运动状态下均为：M3＞M1＞M2。M1、M2、M3 在前屈和右侧弯状态的应力明显大于其他运动状态，在后伸时应力则最小（见图 8）。
双侧椎弓根钉棒固定手术模型与单纯融合固定手术模型进行比较，M1 比 S1 在各运动状态下分别减少了 29.37％、71.98％、25.32％、12.71％、16.43％、10.98％；M2 比 S2 在各运动状态下分别减少了 29.85％、70.71％、17.26％、14.59％、8.14％、5.73％；M3 比 S3 在各运动状态下分别减少了 32.63％、53.13％、32.33％、27.75％、26.27％、9.58％。图 9 为各 OLIF 模型在前屈运动状态时的 L5 上终板应力分布，显示最大应力主要集中在与融合器接触的终板骺环区域。
2.4 各运动状态下融合器应力峰值
单纯融合固定手术模型融合器的应力峰值在除后伸状态外为：S3＞S1＞S2。S1、S2、S3 均在前屈时达到最大应力，在左旋转时应力最小。双侧椎弓根钉棒固定手术模型融合器的应力峰值在各运动状态下均为：M3＞M1＞M2。M1、M2、M3 在前屈时应力最大，而在后伸时应力最小（图 10）。
双侧椎弓根钉棒固定手术模型与单纯融合固定手术模型进行比较，M1 比 S1 在各运动状态下分别减少了 43.38％、78.38％、30.73％、14.84％、18.07％、23.46％；M2 比 S2 在各运动状态下分别减少了 42.37％、73.52％、18.97％、14.83％、14.10％、21.84％；M3 比 S3 在各运动状态下分别减少了 31.17％、54.16％、13.90％、10.65％、21.73％、17.82％。图 11 为各 OLIF 模型在前屈运动状态时的融合器应力分布，显示最大应力主要集中在融合器与终板骺环接触的区域。
2.5 各运动状态下钉棒系统内固定应力峰值
双侧椎弓根钉棒固定手术模型前屈时钉棒系统应力为：M3＞M2＞M1，后伸时钉棒系统应力为：M1＞M2＞M3，而在左右侧弯、左右旋转时 M2 钉棒系统应力最小（图 12）。图 13 为 OLIF 联合双侧椎弓根钉棒固定模型在左旋转运动状态时的钉棒系统内固定应力分布，显示最大应力主要集中在椎弓根钉与连接棒的交界处。
3 讨 论
腰椎间融合术(LIF)是治疗各种脊柱疾病的有效方法[19-20]，也是应用最广泛的手术方式[21]，但失血过多、肌肉失神经支配、医源性肌肉和软组织损伤等并发症是无法避免的[2]。随着微创技术的发展，微创外侧椎体间融合术(minimally invasive lateralinterbody fusion，MIS LIF)应运而生。其中 OLIF 最先由 Silvestre 等[22]在 2012 年报道，以腰大肌与腹主动脉之间的自然间隙作为手术入路进行操作，与前路腰椎间融合术（anterior lumbar interbody fusion, ALIF）相比，OLIF 避免了前方血管的牵拉，降低了腹膜后大血管损伤和逆行性射精的风险。同时，由于斜外侧入路不经过腰大肌，有效地避免了极外侧腰椎间融合术（extreme lateral interbody fusion, XLIF）或直接侧入路腰椎间融合术（direct lateral interbody fusion, DLIF）引起的腰丛或股神经损伤等并发症[2]。另外与后路腰椎间融合术（posterior lumbar interbody fusion, PLIF）或经椎间孔腰椎间融合术（transforaminal lumbar interbody fusion, TLIF）相比，OLIF 通过置入更大的融合器恢复椎间隙高度间接减压，不需打开椎管，对神经无干扰，不损伤后方肌肉、韧带和骨性结构，避免了术后相关并发症。融合器植入后通过“撑开-压缩张力带”效应为手术节段提供稳定性，使融合器处于自稳状态[23]，从而使得 OLIF 单纯融合固定成为可能，其良好的临床效果也已有报道[24-26]，但终板塌陷、融合器沉降仍是其常见的并发症之一。此外腰椎退变性疾病多为老年患者，受患者年龄、骨质条件、椎间隙处理技术等诸多因素影响，术后融合器的下沉、移位等并发症更加不容忽视[27]。对于骨密度 T 值<-1.0 的患者往往需要附加后方椎弓根钉棒系统内固定[28]。
近年来，学者们逐渐关注到术中融合器位置对术后融合器沉降的影响。研究报道，从 L1 到 S1，终板不同位置的强度存在差异，中央和前方的终板强度最低，后外方的终板强度最大[29-30]，因而融合器放置不同位置时腰椎生物力学特性也会存在差异，所以融合器位置是椎间融合术后融合器沉降、终板塌陷的重要影响因素。然而，对于放置融合器的最佳位置目前还有争议。Barsa 等[31]认为靠近椎间隙前部的融合器沉降率较低。Fukuta 等[32]提出融合器放置在终板中部是融合器沉降的重要危险因素之一。Abbushi 等[33]发现融合器放置于中部沉降率最高，放置于后方时沉降率最低，并建议在腰椎后路手术中将融合器放置于后方。然而，Ko 等[34]通过研究发现随着融合器位置后移，融合器沉降率增加。Polly 等[35]指出随着位置由后向前变化，融合器应力呈增加趋势。之前的研究显示，椎间隙上终板的强度比下终板高 40％[29]，下终板沉降的概率要明显大于上终板[7,36]，所以本课题通过分析 L5 上终板和融合器的应力来评估融合器位置对骨质疏松性腰椎生物力学的影响。
研究结果显示，与完整骨质疏松模型相比，单纯融合固定手术模型和双侧椎弓根钉棒固定手术模型的 L4-L5 ROM 在各运动状态下分别减少了 28.29%和 80.56%以上，表明单纯融合固定和双侧椎弓根钉棒固定均能为手术节段提供一定的稳定性。
这归因于 OLIF 术使用的宽大融合器，增加了其与终板的接触面积；上下表面的夹角也有助于改善腰椎序列。无论是单纯融合固定手术模型还是双侧椎弓根钉棒固定手术模型，在几乎所有运动状态下，当融合器放置于 L5 上终板中 1/3 时融合器及 L5 上终板的应力最小，而当融合器放置于 L5 上终板后 1/3 时融合器及 L5 上终板的应力最大。这可能与腰椎活动过程中不同放置位置的融合器与终板的接触面积不断变化有关，接触面积越大，应力分布则越小。在大部分运动状态下，融合器放置于 L5 上终板中 1/3时后路椎弓根钉棒内固定系统的应力也为最小。推测可能与融合器放置的不同位置影响了内固定系统的力臂、力矩等力学特性有关。而椎弓根钉棒系统较小的应力集中，其远期发生疲劳性断裂的可能性也将降低。Kim 等[4]认为融合器位置和较大的载荷是融合器沉降风险高的两个原因。基于以上结果可以发现，无论 OLIF 单纯融合固定还是联合双侧椎弓根钉棒固定，将融合器放置于 L5 上终板中 1/3 时能够降低 L5 上终板、融合器和内固定系统的应力，从而进一步有利于减少术后融合器沉降、终板塌陷、后路内固定断裂的发生率。这与腰椎斜外侧椎间融合术的临床应用指南[37]所推荐的融合器放置位置相一致。指南同时指出，是否应用单纯融合固定技术主要在于判断单纯应用融合器是否可提供足够的稳定性。本研究中，双侧椎弓根钉棒固定手术模型在各运动状态下的 L4-L5 ROM、L5 上终板应力、融合器应力均比同一融合器位置的单纯融合固定手术模型小，说明单纯融合固定在部分运动状态下并不能提供足够的稳定性，而其可能也是终板塌陷及融合器沉降的潜在危险因素。
相比之下双侧椎弓根钉棒的使用在各运动状态下明显增强了手术节段的稳定性，降低了融合器和终板的应力，为骨质疏松腰椎更加安全地应用 OLIF 手术提供了重要保障。现有研究同样指出，伴有骨质疏松症或腰椎退变性失稳的老年患者，需要更强大的内固定把持力及稳定性来维持术后脊柱稳定[38]。此外值得注意的是，几乎所有手术模型在前屈时融合器及终板的应力最大，所以 OLIF 术后应一定程度上减少弯腰活动。
放置融合器时除考虑沉降因素外，恢复患者脊柱矢状位平衡和达到充分的减压效果也是临床大夫所必须考虑的。Kepler 等[39]和 Sharma 等[40]认为术中前后融合器的放置是决定术后脊柱排列的重要因素，前置融合器使腰椎前凸角度增大，而中/后置入的影响较小，并且在后方放置融合器后，新的神经功能缺陷率的差异可能会变得显著。
Park 等[41]建议 LLIF 术中将融合器放置在椎间隙的前 1/3 处，以在不影响间接减压的情况下实现节段角度的恢复。Jin 等[42]发现 OLIF 的融合器位置最常见位于中 1/3，并认为椎间隙中 1/3 比前 1/3 在恢复椎间隙、椎间孔的高度更加具有优势。然而，另一项研究[43]提出椎间隙融合器的位置对椎间隙高度、椎间孔及椎管面积的改变无明显影响，并认为术中将融合器放置在椎间隙中央部分是一种更容易和更安全的技术，所以在临床环境中，中心放置可能是更可取的。
笔者所在团队临床中倾向于一期通过斜外侧入路行 OLIF 术，术后观察患者症状改善情况，并通过影像学检查进行评估，以此决定是否进行二期后路经皮椎弓根螺钉内固定术。通过本项研究我们建议，若两期手术之间的影像学检查显示融合器移位到椎间隙偏后方的位置时，应及时补充后路椎弓根螺钉固定以降低术后并发症的发生。
通过有限元分析法来进行腰椎生物力学研究有诸多优势，本研究分别建立了骨质疏松性腰椎模型和手术模型，使得结果有一定意义，但其也存在着局限性。笔者对有限元模型进行了简化处理，手术节段未保留残余椎间盘，使用弹簧来代替韧带，建模时未建立脊旁肌肉，而脊旁肌对维持腰椎稳定性起着十分重要的作用，这与人体的实际结构有一定差别，而这会对研究有何影响还有待检验。此外，腰椎模型因人而异，本研究基于一个志愿者的腰椎模型进行分析，所得结果还有待大量临床研究进一步验证。
4 结 论
4.1 本研究所建立的 L3-L5 正常三维有限元模型有效可靠，可用于相关生物力学的研究。
4.2 在选择 OLIF 融合器放置位置时，应根据具体情况进行个体化选择。对于骨量减少及骨质疏松的腰椎，建议将融合器放置于椎间隙的中 1/3 处。而对于术前有明显矢状位失衡，需要矫正脊柱矢状位排列的腰椎，在不影响间接减压效果的前提下，建议将融合器放置在椎间隙的前 1/3 处。研究结果不建议将融合器放置于椎间隙后 1/3 处，因其神经损伤风险以及融合器、终板负荷均较大，容易发生终板塌陷、融合器沉降，并且如若在一期术后发现融合器移位到椎间隙后方，应及时行二期手术附加后路椎弓根钉棒内固定。
4.3 相比于 OLIF 单纯融合内固定，联合双侧椎弓根钉棒固定能够为骨质疏松腰椎的手术节段提供充足的稳定性，并进一步降低术后终板塌陷、融合器沉降、后路内固定断裂的发生率。
参考文献：略
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针对骨学、关节外科、普外科、囗腔科等提供医学力学有限元分析仿真、培训、临床手术模拟分析等；
代做有限元：脊椎、腰椎、颈椎、上下肢、假肢、前臂、血管支架、牙齿、骨关节等；
服务对象：各省市、自治区从事运动生物力学、生物医学工程、基础医学、临床医学、囗腔力学、骨骼力学的教学、研究与应用的教师、科研工作者、各级教练员等方面的相关人员；国内各重点大学、科研院所相关研究领域的博士、硕士相关研究生和学者等。
