退變性腰椎側彎單節段與雙節段固定融合術后鄰近節段的生物力學分析

楊永宏，鄭杰，樓肅亮，張冬生

（解放軍第117醫院骨一科，浙江 杭州 310013）

退變性腰椎側彎是目前臨床骨科較為常見的脊柱退變性疾病，發病多見于50歲以上人群，有些患者因同時存在全身其他疾患，手術僅將緩解癥狀作為目的，從而選擇了創傷相對較小的單節段或雙節段減壓植骨內固定術，然而術后鄰近節段是否會發生退變、退變程度及對側彎發展的影響等卻不得而知，本文即利用有限元分析的方法對單節段和雙節段內固定+椎間融合術治療退變性腰椎側彎術后鄰近節段的生物力學變化進行研究。

1 資料與方法

1.1 一般資料 一例退變性腰椎側彎患者，女性，55歲，主訴“腰痛伴間歇性跛行半年余”，腰椎正側位片提示側彎冠狀面Cobb角10.8°，腰椎MRI提示：L4-5椎間盤突出、椎管狹窄，L3-4椎間盤突出，L1-2-3、L5-S1椎間盤退變。

圖1 a X線片正位提示側彎冠狀面Cobb角10.8°

圖1 b X線片側位提示L4椎體向前滑移，腰椎前凸角24.4°

圖1 c MRI提示L4椎體向前滑移，L4-5椎間盤突出、椎管狹窄，L3-4椎間盤突出，L1-2-3、L5-S1椎間盤退變

1.2 治療方法

1.2.1 三維有限元模型的建立 通過SOMATOM SENSATION 16螺旋 CT機對患者的T12、完整腰椎L1-L5、S1上段脊柱進行掃描，層厚0.75 mm，獲取連續胸腰椎各層的二維CT圖像383張，圖像數據以DICOM格式刻錄存盤，導入 E-feature Biomedical Modeler軟件，重建出T12-S1段高精度的三維實體模型，并直接將實體模型自動轉換生成有限元網格模型，根據退變性腰椎側彎的病理特點賦予模型特定的材料屬性[1，2]，建立三維有限元模型（圖2）。模型總計157635個單元，197374個節點。

1.2.2 固定融合術的模型設計及釘棒系統的模擬

根據患者的臨床表現及影像學特點設計固定融合術式，具體為：

單節段固定融合術：去除L4棘突、全椎板、部分關節突，行L4椎體提拉復位，L4-5椎間融合＋4枚椎弓根螺釘固定；

雙節段固定融合術：去除 L3、4棘突、全椎板、部分關節突，行L4椎體提拉復位，L3-4-5椎間融合＋L3-5節6枚椎弓根螺釘固定。

在E-feature Biomedical Modeler中建立椎弓根螺釘和連接棒的幾何模型，然后生成四面體單元，螺釘的直徑為4.5 mm，連接棒的直徑為 6.5 mm。螺釘、連接棒采用各向同性鈦質，彈性模量100000 MPa，，泊松比，0.3。螺釘與骨界面采用面－面接觸擬，摩擦系統為0.8[3]。根據臨床椎弓根螺釘置入方法（關節突外緣垂線與橫突中點水平線的交點為進釘點）置入螺釘，如圖3所示。

圖2 T12-S1段完整的退變性腰椎側彎三維有限元模型

圖3 單、雙節段椎管減壓＋椎間植骨融合＋椎弓根螺釘內固定術的有限元模型

1.2.3 模型的邊界條件與加載 約束S1椎體和棘突底面上所有節點平移和轉動共六個自由度，將各方向完全約束固定。分前屈、后伸、左側彎、右側彎、左旋轉、右旋轉6種情況分別以節點載荷的形式分10個子步加載力矩載荷10 N.m。

1.3 統計學分析 各項數據通過SPSS 17.0統計軟件，進行定量資料的t檢驗進行分析。

2 結果

2.1 術后模型在各種工況下的脊柱活動度

單節段固定組前屈時的活動度達到 47.7°，是術前模型（35.49°）的 1.34倍，比正常腰椎前屈 45°還大，但總的脊柱活動度與術前模型比較無統計學差異。雙節段固定組的活動范圍較術前模型及單節段固定組均有所減小，且兩兩比較具有統計學差異。

表1 單－雙節段固定融合術后及術前模型的脊柱活動度比較統計表

2.2 固定相鄰節段活動度變化值與模型最大活動范圍的比值

即用固定相鄰節段的活動度變化值除以模型的最大活動度。比如在L4-L5上進行椎弓根螺釘內固定，則用（L3的活動度－L4的活動度）除以模型的最大活動度，以觀察固定相鄰節段的相對活動度變化程度，比值越大，說明相鄰節段活動度越大。可以看出兩種內固定融合術均可增加固定鄰近節段的活動度，以單節段固定融合組明顯，但兩組比較無統計學差異。

表2 單－雙節段固定融合術后固定相鄰節段活動度變化值與模型最大活動范圍的比值

2.3 術后模型在各種工況下相鄰節段椎間盤的應力分布

可以看出兩種方法固定術后鄰近節段椎間盤應力均有所集中，以鄰近上節段明顯，且單節段固定組大于雙節段固定組，兩者比較有統計學差異；而兩者對相鄰下節段椎間盤應力變化無統計學差異。旋轉運動時對鄰近上節段椎間盤應力影響較大，后伸運動時對鄰近下節段椎間盤應力影響較大。

表3 單－雙節段固定融合術后固定相鄰上節段椎間盤應力比較統計表（MPa）

表4 單－雙節段固定融合術后固定相鄰下節段椎間盤應力比較統計表（MPa）

2.4 術后模型在各種工況下相鄰節段關節突關節軟骨的應力分布

可以看出兩種方法固定術后對固定相鄰下節段關節突關節軟骨的應力影響較大，對相鄰上節段影響相對較小，但單－雙節段固定融合術對關節突關節軟骨的影響無統計學差異。旋轉運動時對鄰近上節段關節突關節軟骨應力影響較大，旋轉、側彎運動時對鄰近下節段關節突關節軟骨應力影響相對較大。

表5 單－雙節段固定融合術后固定相鄰上節段關節突關節軟骨的應力比較統計表（MPa）

表6 單－雙節段固定融合術后固定相鄰下節段關節突關節軟骨的應力比較統計表（MPa）

3 討論

退變性腰椎側彎是脊柱發育完成到成年以后由于退變而導致的新的側彎，對于其手術治療目前國內外仍無統一、固定的標準，對于手術入路、固定、融合節段等均存在很多爭議[4]。因其發病人群多為高齡，且有許多患者的癥狀是由于腰椎間盤突出或腰椎管狹窄[5，6]所致，故退變性腰椎側彎的手術以緩解腰腿痛作為主要目的[7，8，9]，而創傷較小的短節段內固定融合術（本文以單，雙節段固定融合術作為研究對象），僅對椎間盤突出或椎管狹窄的節段進行了1～2個椎間隙減壓、固定，因為手術解除了神經根的壓迫，近期效果比較明顯，但通過本研究來看，術后固定鄰近節段的生物力學也同時發生了重大變化，對鄰近節段的力學研究可進一步了解術后退變性側彎的進展及預后，以評判短節段固定融合術是否適合退變性腰椎側彎的治療。

本文通過單－雙節段內固定融合術后脊柱活動度、椎間盤壓力、鄰近關節突軟骨壓力的有限元分析可以看出，固定融合術后鄰近節段的活動度有代償性增大，且相鄰節段椎間盤及關節突關節的應力均有所增高，從而可加重鄰近節段椎間盤及關節突關節的退變。對于固定融合的相鄰上節段或下節段哪里更容易發生退變，不同的學者研究得出不同的結論。有學者認為上方鄰近節段常比下方鄰近節段更易發生退變[10]，上方相鄰節段的發生率為25.5%，下方相鄰節段僅為2.6%[11]；Yashuior[12]的研究則表明，在下方相鄰節段受到的壓力更為集中，更容易出現退變。從本文的研究來看，退變性腰椎側彎行單－雙節段內固定融合術后均可造成固定相鄰上下節段的椎間盤應力增加，但對固定相鄰上節段椎間盤的影響大于下方，且旋轉運動時對鄰近上節段椎間盤應力影響較大，后伸運動時對鄰近下節段椎間盤應力影響較大；而對固定相鄰節段關節突關節軟骨的應力則以固定相鄰下節段較為明顯，且以旋轉、側彎運動時表現明顯，而旋轉運動時對鄰近上節段關節突關節軟骨應力影響較大。有研究認為，由于短節段固定融合術對側彎的矯形效果有限，術后由于側彎的存在，鄰近節段不對稱的應力集中，可導致正位椎間角的進行性增大[13]，從而產生多米諾效應，更加重鄰近節段椎間盤及關節突關節的退變，形成惡性循環導致側彎的發展；且短節段固定術式多為解除椎間盤突出或椎管狹窄節段的神經壓迫，固定多位于側彎的頂椎附近，對側彎的進展無明顯阻滯作用，因此為了防止短節段固定融合術后退變性側彎的進展，最好減少脊柱的旋轉運動，以減少旋轉應力帶來的鄰近節段椎間盤及關節突關節的退變加重。

對于鄰近節段退變與融合節段相關性的問題，普遍認為融合節段越長，相鄰運動節段應力越集中，越容易出現退變。然而從本文的研究來看，就固定融合術后脊柱的活動情況來看，雙節段固定融合組的活動范圍較術前模型及單節段固定組均有所減小，說明的確隨著固定節段的增多，脊柱的活動范圍有所減小，但從固定相鄰節段活動度變化值與模型最大活動范圍的比值來看，單節段固定融合組的比值卻高于雙節段固定融合組，單節段固定組前屈時的活動度達到 47.7°，比正常腰椎前屈45°還大，說明了單節段固定融合組更能增加鄰近節段的活動范圍。另外從固定融合節段對鄰近節段椎間盤應力的影響來看，單節段固定融合組對固定鄰近上節段椎間盤應力的影響也大于雙節段固定組，但對關節突關節軟骨的影響單－雙節段固定融合組無明顯差異。因此來看，單節段固定融合似乎比雙節段固定融合更能促進退變性腰椎側彎固定鄰近節段的退變發生，但隨著固定節段的增多，其發生規律是否發生變化仍需進一步探討和研究。

總之，以單，雙節段固定融合術為代表的短節段固定融合術治療退變性腰椎側彎，短期可帶來良好的手術效果，但由于術后增加了鄰近節段活動度、鄰近節段椎間盤及關節突關節的應力集中，可造成鄰近節段的退變加重，有可能導致側彎的進一步發展，然而側彎發展與臨床癥狀及需要再次手術干預的比率等仍需要進一步的臨床研究。

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