保留椎弓根下壁截骨术在治疗陈旧性胸腰椎骨折后凸畸形力学性能的三维有限元分析

［摘要］ 目的　采用三维有限元分析法建立胸腰椎模型，比较保留椎弓根下壁截骨术及 SRS-Schwab 四级截骨 术在前屈、后伸、旋转及侧弯时钉棒系统和椎体前缘内植物的应力及整体脊柱力的传导和分布。

方法　利用 CT 数 据建立正常男性脊柱 T11～L3 模型，以 L1 为拟手术椎体，建立 SRS-Schwab 四级截骨术式（A 术式）、保留 1/3 椎弓 根下壁截骨术式（B1 术式）、保留 1/2 椎弓根下壁截骨术式（B2 术式）三维有限元模型，采用钛笼支撑椎体前缘。比较 A、B1、B2 术式三维有限元模型在前屈、后伸、旋转、侧弯时的总应力、各椎间隙的活动度、各内植物的应 力情况，以及钛笼植入区域、剩余椎体部分、椎体剩余附属结构及钉棒系统 3 个部分分别的应力情况。

结果　在前 屈、后伸、旋转和侧弯时，B2 术式的总应力最小（205.6 MPa），其次为 B1 术式（207.0 MPa），A 术式最大（217.0 MPa）。3 种术式间各椎间隙活动度情况相似。内植物应力分析结果显示，B2 术式在前屈、后伸、旋转及侧弯活动时， 前路钛笼植入区域和后路椎体剩余附属结构及钉棒系统的应力均最小，分别为 22.2、187.7、105.8、141.6 和 75.4、 168.4、75.9、214.8 MPa；A 术式均最大，分别为 27.3、241.8、133.4、188.0 和 97.5、216.4、98.5、243.0 MPa，均远 小于钛合金的屈服应力和拉伸极限（分别为 760、860 MPa）。

结论　保留椎弓根下壁截骨术式（保留 1/2 椎弓根下壁） 在减少手术节段应力方面具有优势，尤其是其可以减少内植物的应力，从而降低断钉断棒风险，但在保留椎间隙活动 度方面与 SRS-Schwab 四级截骨术式相似。［关键词］ 三维有限元分析；胸椎；腰椎；截骨术；关节突关节；应力

      陈旧性胸腰椎骨折后凸畸形是一种常见的脊柱 畸形，常见于胸腰椎交界区，往往伴有严重的疼痛 及神经压迫症状，降低了患者的生活质量［1］。矫形 手术是彻底解除压迫、恢复脊柱生理曲度的重要治 疗手段，临床常采用 SRS-Schwab 三级或四级截骨术 进行矫形，其是理想的截骨策略，可以达到每一节 段 30°～40° 的矫正［2］。海军军医大学（第二军医大 学）长征医院周许辉团队 2015 年采用保留椎弓根下 壁截骨术对陈旧性胸腰椎骨折后凸患者进行矫形， 既保留了椎弓根下壁减少了神经根损伤，也取得了 与 SRS-Schwab 四级截骨术相似的矫形效果，并且患 者术后恢复良好［3］。然而，保留椎弓根下壁截骨术 是否具有生物力学优势并无相关报道。本研究采用 三维有限元分析法建立胸腰椎模型，比较保留椎弓 根下壁截骨术和 SRS-Schwab 四级截骨术在前屈、 后伸、旋转及侧弯时钉棒系统和椎体前缘内植物的 应力及整体应力的传导和分布。

1　资料和方法 

1.1　胸腰段正常脊柱三维有限元模型建立 对1名年龄 35 岁、身高 175 cm、体质量 70 kg、无腰骶 椎退行性病变病史的健康男子，以层厚 1 mm 进行 CT 扫描获得 T10 至骶骨中段 CT 数据。选取 T11～L3 数据，采用 Mimics 17.0 软件进行三维重建。将 Mimics 17.0 软件重建的模型导入 Materialise 3-matic 软件进行网格重建，构建各椎体的面网格和体网 格。将构建的骨骼数据在有限元网格划分前处理 软件 HyperMesh 中完成重新装配，并根据解剖特 征重新构建终板、椎间盘、韧带等结构（表 1）。皮质骨、松质骨根据 Mimics 17.0 软件中“帮助”文 件提供的经验换算数据，根据 CT 值转换每个体网 格的材料属性。将生成体网格的模型返回 Mimics 17.0 软件中，根据公式

计算每个像素上的 CT 值，并映射至对应位置的体 网格上，得到赋值过后的椎体模型。其中 ρ 为材料 密度、E 为密度 - 弹性模量、V 为泊松比 （Poisson ratio）。

     根据参考文献［4］采用非线性弹簧模拟各 节段的关节韧带。由于韧带是只能承受拉伸载荷而在受压时响应为 0 的非线性材料，并且本研 究不涉及材料破坏，而考虑手术后的正常情况， 所以不定义与韧带断裂相关的模型和参数。根据 Schmidt 等［5］对人 7 种韧带的研究和校正，分别对 前纵韧带（anterior longitudinal ligament，ALL）、 后 纵 韧 带（posterior longitudinal ligament， PLL）、 黄 韧 带（flavum ligament，FL）、 横 突 间 韧 带（intertransverse ligament，ITL）、 棘 间 韧 带（interspinous ligament，ISL）、 棘 上 韧 带 （superspinous ligament，SSL）、 关 节 囊 韧 带 （capasular ligament，CL）赋予对应的非线性弹簧 单元力 - 位移曲线（图 1）。

1.2　三维有限元模型边界条件及载荷 本研究中， L3 水平面方向下端节点固定全部自由度。在 T11 椎 体上表面施加 200 N 轴向压缩载荷；在 L3 上终板 上方偏后的旋转轴上选择 1 个中性节点，将其与椎 体上终板节点建立耦合约束，该约束方式可以将中 性节点上的应力换算为均匀分布的载荷施加于 T11 上终板的所有从节点上。根据右手准则在中性节点 上施加不同方向的 7.5 N•m 纯扭矩载荷，同时保证 载荷的施加坐标系是中性节点的节点坐标系，分别 用来模拟胸腰椎有限元模型受到前屈、后伸、侧弯 和旋转 4 种载荷作用。相邻小关节面设为有限滑移 接触关系，接触后允许分开，其中摩擦系数为 0.1。

      使用 Abaqus 6.17-1 作为有限元运算的求解器 和后处理器，开启 Nlgeon 大变形计算开关。运用 Newton-Raphson 技术求解非线性平衡方程；设置 接触属性和计算迭代控制，并调整全局迭代次数、 计算时间、最大计算时间步长和最小计算时间步长 等参数以提高收敛性；由于小关节接触面之间距离 过大或接触面不平整，在计算开始时施加上述复合载荷，按照系统默认的设置会导致接触面碰撞和震 荡回弹，使接触关系不能平稳建立。所以为了保证 模型运算能够收敛，本研究将预载荷和扭矩分 2 步 施加。在第一步时施加一个很小的力（通常为 1～ 2 N），让接触关系平稳建立并达到一个稳定的状 态，第二步再进行大位移大变形运动（图 2）。

1.3　手术工况建模（以 L1 为截骨椎体） 工况 1：SRS-Schwab 四级截骨术式（A 术式）。保留 L1 约 1/3 椎体，切除椎弓根及后方小关节、后侧水平延 长线的对应棘突、上关节突关节，以及 T12/L1 椎间 盘。植入钛笼，并填入松质骨（图 3A）。

     工况 2：保留椎弓根下壁截骨术式（保留 1/3 椎弓根下壁，B1 术式）。保留 L1 约 1/3 椎体，切 除 L1 椎体椎弓根上 2/3、后侧水平延长线的对应 棘突、上关节突关节，以及 T12/L1 椎间盘。植入钛 笼，并填入松质骨（图 3B）。

     工况 3：保留椎弓根下壁截骨术式（保留 1/2 椎弓根下壁，B2 术式）。保留 L1 约 1/3 椎体，切 除 L1 椎体椎弓根上 1/2、后侧水平延长线的对应 棘突、上关节突关节，以及 T12/L1 椎间盘。植入钛 笼，并填入松质骨（图 3C）。

1.4　研究方法 在每个工况模型中，将手术节段 分为 3 个部分：钛笼植入区域、剩余椎体部分、椎 体剩余附属结构及钉棒系统，各工况模型不同部分 应力云图见图 4。（1）比较 A、B1、B2 术式三维 有限元模型在前屈、后伸、旋转、侧弯时的总应力，以及钛笼植入区域、剩余椎体部分、椎体剩余 附属结构及钉棒系统 3 个部分分别的应力情况；

（2）比较 A、B1、B2 术式三维有限元模型各椎间 隙的活动度；（3）比较 A、B1、B2 术式三维有限 元模型各内植物的应力情况。

2　结　果   

2.1 3 种术式模型应力情况分析 在前屈位时，B2术式的总应力最小（205.6 MPa），其次为 B1 术式 （207.0 MPa），最大为 A 术式（217.0 MPa）；将 钛笼植入区域、剩余椎体部分、椎体剩余附属结 构及钉棒系统 3 个部分的应力分别进行比较，可见 B2 术式各部分应力均最小，A 术式最大，分别比 B2 术式高 11.5%、8.1%、2.0%（表 2）。

      在后伸位时，B2 术式的总应力最小（190.4 MPa），其次为 B1 术式（201.0 MPa），最大为 A 术式（201.7 MPa）；将钛笼植入区域、剩余椎体 部分、椎体剩余附属结构及钉棒系统 3 个部分的应 力分别进行比较，可见B2术式各部分应力均最小， A 术式最大，分别比 B2 术式高 15.0%、15.5% 和 7.4%（表 2）。

      在旋转位时，B2 术式的总应力最小（201.5 MPa），其次为 B1 术式（205.0 MPa），最大为 A 术式（207.4 MPa）；将钛笼植入区域、剩余椎体 部分、椎体剩余附属结构及钉棒系统 3 个部分的应 力分别进行比较，可见B2术式各部分应力均最小， A 术式最大，分别比 B2 术式高 4.1%、11.3%、9.2% （表 2）。

      在侧弯位时，B2 术式的总应力最小（191.6 MPa），其次为 B1 术式（199.5 MPa），最大为 A 术式（211.6 MPa）；将钛笼植入区域、剩余椎体 部分、椎体剩余附属结构及钉棒系统 3 个部分的应 力分别进行比较，可见B2术式各部分应力均最小， A 术式最大，分别比 B2 术式高 13.9%、12.3%、 18.7%（表 2）。

     2.2 3 种术式模型椎间隙活动度情况分析 A、 B1 和 B2 术式各椎间隙活动度情况相似：T11/T12、 L2/L3 椎间隙较其余椎间隙在前屈、后伸、旋转及 侧弯位活动度均较大；而T12/L1、L1/L2 椎间隙在前屈、 后伸、旋转及侧弯位活动度均较小（表 3）。

2.3 3 种术式内植物应力情况分析 B2 术式在前 屈、后伸、旋转及侧弯活动时，前路钛笼植入区域 的应力均最小，分别为 22.2、187.7、105.8、141.6 MPa；A 术式最大，分别为 27.3、241.8、133.4、 188.0 MPa。同样，B2 术式在前屈、后伸、旋转及 侧弯活动时，后路椎体剩余附属结构及钉棒系统 的应力均最小，分别为 75.4、168.4、75.9、214.8MPa；A 术 式 最 大，分 别 为 97.5、216.4、98.5、 243.0 MPa。在不同活动方向，3 种术式各内植物的 应力均远小于钛合金的屈服应力和拉伸极限（分别 为 760、860 MPa），因此不存在断钉断棒或钛网 压缩的风险。见表 4。

3　讨　论  

      陈旧性胸腰椎骨折后凸畸形常见于椎间盘破 坏、伤椎椎体高度丢失及关节突不稳定等综合损伤 因素下未获得良好稳定性治疗的患者，手术治疗是 目前唯一有效的治疗方式，目的是为了恢复正常的 脊柱序列、重建稳定性、解除压迫。常见的后路矫 形截骨术式有单节段经关节突“V”形截骨、经椎 弓根椎体闭合楔形截骨及SRS-Schwab四级截骨［6-8］ 。然而单节段经关节突“V”形截骨可恢复的角度较 小，同时前柱楔形截骨后椎体之间不能骨性接触［7］ ；经椎弓根椎体闭合楔形截骨后前中柱会过度短缩， 增加了脊髓屈曲和皱褶风险［8］ ；SRS-Schwab 四级 截骨会损伤关节突关节，增加了神经根损伤风险， 同时仍存在脊髓屈曲和皱褶风险［9］。本团队前期 提出的保留椎弓根下壁截骨术式［3］，采用钛笼前 路植骨使脊柱前柱垫高，从而恢复前柱高度，降低 了短缩造成脊髓皱缩风险［10］，提高了截骨矫正度 数及融合率，避免假关节形成、内固定失败，同时 保留神经通道减少了神经损伤风险［11］。

     保留椎弓根下壁截骨术式由于保留椎弓根，不 仅降低了手术的风险外，而且可获得良好的生物学 效应。从解剖学角度观察可以发现，腰椎的关节突 关节由上位椎体的下关节突与下位椎体的上关节突 构成，两侧关节突关节与前方椎间盘组成了脊柱运 动的三关节复合体，在维持腰椎稳定的过程中发挥 着重要作用［12］。

      Park 等［13］采用新鲜标本进行有限元分析，在 垂直载荷下，腰椎关节突关节承受腰椎尾侧节段的 应力载荷大于椎间盘。Csernátony 等［14］通过尸体 解剖也证实了这一观点，同时指出关节突关节的平 均极限垂直载荷为 338 N，且应变与应力成正比。同时，关节突关节也承载着腰椎各向活动产生的拉 伸、压缩、剪切扭转载荷，其中关节突关节承受的 压缩载荷占腰椎总载荷的 18%，承受的剪切扭转 载荷占总载荷的 1/3，而由于椎间盘具有弹性和不 稳定特性，几乎所有的剪切扭转载荷都由小关节承 受。研究表明当轴向旋转范围超过1°～3°时即可造 成关节突关节破坏［15］。因此，小关节的保留更有 助于腰椎稳定。在本研究中，无论是前屈、后伸、 旋转或侧弯，保留椎弓根下壁截骨所承受的总应力 均小于 SRS-Schwab 四级截骨，钛笼植入区域、剩 余椎体部分、椎体剩余附属结构及钉棒系统 3 个部 分所承受的应力同样较小，尤其是保留 1/2 关节突 的保留椎弓根下壁截骨术式具有更小的应力分布。这可能是由于关节突的保留更接近自然状态下人 体脊柱的力学状态，获得了更好的力学平衡及稳定 性。同时在分析内植物应力时，同样发现保留 1/2 关节突的保留椎弓根下壁截骨术式具有最小的内植 物应力，从而减小前路钛笼压缩及后路内固定断定 断棒的风险。本研究还测量了椎间隙活动度，并未 发现各术式间有明显差异，这可能是因为固定节段 相同而导致没有差异。

     本研究通过三维有限元分析，探究了保留椎 弓根下壁截骨术式与 SRS-Schwab 四级截骨术式的 生物力学效应，结果显示保留椎弓根下壁截骨术 式（保留 1/2 椎弓根下壁）在减小手术节段应力方 面具有优势，尤其可以减小内植物的应力，从而降 低断钉断棒风险，但在保留椎间隙活动度方面与 SRS-Schwab 四级截骨相似。

     本研究仍然存在以下局限性。首先，本研究开 发的计算模型不包括椎旁肌，椎旁肌在运动过程中 对脊柱稳定性和刚度有贡献，因此，模型的应力和 腰椎活动度的预测值可能与体内获得的值不同。其次，三维有限元技术对计算机速度和内存要求较 高，尤其是对内存要求高。2 G 内存的计算机不能 满足单元数较多的有限元模型运算（一般需达到 16 G 内存），难以构建更逼真的、解剖结构很复 杂的脊柱三维有限元模型。最后，椎间盘、椎体和 韧带等材料属性复杂多样，且不同个体退变程度不 同。目前脊柱各种材料属性研究以线性各向同性为 主，对于材料属性的基础研究尚处于发展阶段。

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