模擬新型脊柱彈性內固定術對相鄰節段關節突關節應力的影響

穆尚強，王宇，梅繼文，高峰，黃銳

(吉林醫藥學院附屬醫院，吉林吉林132013)

?

模擬新型脊柱彈性內固定術對相鄰節段關節突關節應力的影響

穆尚強，王宇，梅繼文，高峰，黃銳

(吉林醫藥學院附屬醫院，吉林吉林132013)

摘要：目的探討模擬新型脊柱彈性內固定術對相鄰節段關節突關節應力的影響。方法根據1例35歲健康男性志愿者的脊柱CT檢查結果，采用SolidWorks2012軟件建立新型脊柱彈性內固定(應用自制“X”形彈性脊柱內固定器，觀察組)及傳統椎弓根內固定(對照組)的三維有限元模型，模擬進行L4、L5節段內固定手術。術后固定兩組模型的下表面(L5椎體下方),在兩模型上表面(L3椎體上方)施加500 N的垂直壓縮載荷,于L3椎體上表面分別施加15 N·m的前屈、后伸、左側側彎及左側旋轉力矩。于兩組L3、L4左側關節突關節均勻隨機選取16個節點，記錄不同作用條件下的應力值。結果觀察組和對照組垂直壓縮時L3、L4左側關節突關節的應力值分別為(0.15±0.10)、(0.24±0.11)MPa，前屈時分別為(0.09±0.04)、(0.14±0.07)MPa，后伸時分別為(12.35±6.25)、(16.83±8.25)MPa，左側側彎時分別為(18.35±8.94)、(25.02±14.47)MPa，左側旋轉時分別為(13.56±7.69)、(20.58±9.59)MPa；觀察組各應力值均低于對照組，P均<0.01。結論與傳統椎弓根內固定術比較，新型脊柱彈性內固定術對相鄰節段關節突關節應力的影響較小,有助于預防鄰近節段退變。

關鍵詞：內固定術；腰椎；彈性；退行性變；有限元分析

脊柱椎間融合術是目前脊柱外科最為常用的手術方法[1，2]，但術后相鄰節段應力明顯增加，引起生物力學的變化，從而加速退行性改變，是術后遲發性腰背部疼痛的主要原因之一[3，4]。脊柱彈性內固定術是一種通過內固定裝置既固定病變節段，又允許其在限制范圍內活動的手術，具有避免脊柱在異常范圍內活動的前提下，達到增加載荷分享、減少應力遮擋和應力集中的作用[5，6]。國內外許多學者研發了各種樣式的脊柱彈性內固定器，并進行了相關的基礎研究及小范圍的早期臨床效果評估，取得滿意效果[7]。但目前尚無一種脊柱彈性內固定器得到廣泛認可并大量用于臨床[8]。“X”形連接棒充分運用了記憶合金棒本身和“X”形結構的彈性原理，結合椎弓根釘技術，完成脊柱三維彈性固定器械的設計。2011年5月～2015年4月，我們采用自制“X”形彈性脊柱內固定器行模擬脊柱彈性內固定術，并觀察其對相鄰節段關節突關節應力的影響，旨在為“X”形彈性脊柱內固定器的推廣應用提供理論依據。

1材料與方法

1.1材料自制“X”形彈性脊柱內固定器的制作：固定器由4個椎弓根螺釘和兩根彈性連接棒構成，在4個椎弓根螺釘上固定連接有呈“X”形、相互固定連接的兩根彈性連接棒。“X”形彈性連接棒由兩根相同的呈彎曲形的彈性連接棒在中點固定、連接組成，材質為東莞市勤加緣金屬材料有限公司生產的醫用鎳鈦合金，鎳含量為50.6%～51.4%，并獲得自主知識產權(專利號：ZL201120199934.4)。SolidWorks2012軟件(美國SolidWorks公司)，Mimics11.1軟件(比利時Materialise公司)，Ansys work bench12.1軟件(美國Ansys公司)。128排螺旋CT(荷蘭PHILIPS公司)。

1.2建模方法隨機選擇一名排除腰椎疾病的35歲健康男性志愿者，采用128排螺旋CT自L1椎體上緣至股骨大轉子下進行CT平掃。將CT數據導入Mimics11.1軟件，建立L3～L5的三維有限元模型。采用SolidWorks2012軟件制成與之匹配的新型脊柱彈性內固定模型(應用自制“X”形彈性脊柱內固定器，觀察組)與傳統椎弓根螺釘內固定模型(對照組)，模擬進行L4、L5節段內固定手術，兩模型均未行椎間盤摘除及椎間融合，并忽略手術可能對棘上韌帶及棘間韌帶的破壞。兩組各組成部分的實驗材料力學參數見表1。

表1　兩組各組成部分的實驗材料力學參數

1.3應力分析將兩組術后三維有限元模型導入Ansys work bench12.1軟件進行分析。固定兩組模型的下表面(L5椎體下方),于模型上表面(L3椎體上方)施加500 N的垂直壓縮載荷,于L3椎體上表面分別施加15 N·m的前屈、后伸、左側側彎及左側旋轉力矩。兩組分別在垂直壓縮、前屈、后伸、左側側彎及左側旋轉時于L3、L4左側關節突關節均勻隨機選取16個節點，記錄其應力值。

2結果

觀察組垂直壓縮、前屈、后伸、左側側彎及左側旋轉時的應力值均低于對照組，P均<0.01。見表2。

表2　兩組不同作用條件下的應力值比較±s)

注：與對照組比較，*P<0.01。

3討論

脊柱椎間融合可改變脊柱結構的運動力學,使鄰近節段活動度被迫增大,應力集中于椎間盤和關節突,加速了退變的進程[9]。Morishita等[10]研究發現，脊柱彈性內固定術后鄰近節段退變發生率明顯低于傳統堅強內固定。但是目前尚無一種脊柱彈性內固定器得到臨床普遍認可。

鎳鈦合金是一種優良的合金材料，其伸縮率在20%以上，阻尼特性高于普通的鋼制彈簧，疲勞壽命長，耐腐蝕性能優于醫用不銹鋼，達到醫學使用要求。超彈性是指材料在力的作用下發生超過其彈性極限變量的應變，在卸載之后可自行恢復的現象。本研究“X”形內固定器的設計建立在鎳鈦合金獨特的運動超彈性的基礎上，其彈性可達到8%，超過普通材質，不遵守胡克定律，且超彈性的性能與溫度無關[11]。目前金屬材料的彈性模量一般為100～200 GPa,與人骨骼彈性模量(1～30 GPa)差別很大。彈性模量的巨大差異容易造成內固定物附近骨骼的弱化和吸收。鎳鈦合金的彈性模量在奧氏體相約為67 GPa，馬氏體相僅為26 GPa，作為生物醫用材料，與人體的彈性模量接近。本研究以“X”形的彈性外觀與鎳鈦合金的材料結構特性為基礎成功自制“X”形彈性脊柱內固定器。

有限元分析目前已廣泛應用于生物力學研究[12]，在脊柱生物力學仿真模擬領域尤為深入。Mimics等軟件的出現和廣泛應用使得建立高度仿真的椎體三維模型成為可能,且可給模型附加比如椎間盤、韌帶、肌肉等附屬結構，并賦予相應的力學性能。研究顯示其與用傳統方法通過尸體實驗得到的結果基本上是一致的。有限元的優勢在于反映測試物體內部的應力變化，有限元分析應用于醫學領域并取得了巨大的進步與發展，顯示出明顯的優越性。比如尸體模型有著失去活性，缺乏相應的物理變化，且取材困難、費用高、可重復性低等缺點。有限元分析法直接測量實驗模型局部和內在的力學反應，彌補了傳統生物力學方法的缺陷，具有不可代替的作用，是離體實驗的有效補充。

本研究結果表明，與傳統椎弓根內固定術比較，應用自制“X”形彈性固定器的新型脊柱彈性內固定術對相鄰節段關節突關節應力的影響比較小,有助于預防鄰近節段退變，是一種較好的脊柱內固定裝置。本研究結果證實，該“X”形彈性脊柱內固定器已初步達到了設計要求及預想，隨著對彈性內固定術研究的不斷深入，這種新型脊柱彈性內固定器通過進一步評估及改良有可能成為脊柱內固定的理想醫用器械。本研究的不足之處在于有限元分析可能會有一定誤差及局限性，如有限元模型不能體現出機體生長和退變的過程，肌肉材料難以模擬，缺乏嚴謹可靠的實驗參考數據等。

參考文獻：

[1] Karamouzian S, Ebrahimi-Nejad A, Shahsavarani S, et al. Comparison of two methods of epidural steroid injection in the treatment of recurrent lumbar disc herniation[J]. Asian Spine J, 2014,8(5):646-652.

[2] Kim KT, Lee SH, Son ES, et al. Surgical treatment of "chin-on-pubis" deformity in a patient with ankylosing spondylitis: a case report of consecutive cervical, thoracic, and lumbar corrective osteotomies[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2012,37(16):1017-1021.

[3] Saavedra-Pozo FM, Deusdara RA, Benzel EC. Adjacent segment disease perspective and review of the literature[J]. Ochsner J, 2014,14(1):78-83.

[4] Takahashi T, Hanakita J, Watanabe M, et al. Systematic review of complications for proper informed consent(12)decompression or fixation surgery of the lumbar spine[J]. No Shinkei Geka, 2014,42(3):249-267.

[5] Liu HY, Zhou J, Wang B, et al. Comparison of topping-off and posterior lumbar interbody fusion surgery in lumbar degenerative disease: a retrospective study [J]. Chin Med J (Engl), 2012,125(22):3942-3946.

[6] Ohtonari T, Nishihara N, Suwa K, et al. Dynamic stabilization for degenerative spondylolisthesis and lumbar spinal instability[J]. Neurol Med Chir (Tokyo), 2014,54(9):698-706.

[7] 葉葆青,梁偉國,葉偉雄,等.Bioflex彈性椎弓根釘內固定系統對全椎板切除術與椎間植骨融合術后腰椎活動范圍的影響[J].中國矯形外科雜志,2012,20(24):2298-2301.

[8] Chao S, Malloy JP, Bono CM. Complications specific to mo tion-sparing devices in the lumbar spine[J]. Seminars in Spine Surg, 2011,23(2):123-134.

[9] Xia XP, Chen HL, Cheng HB. Prevalence of adjacent segment degeneration after spine surgery: a systematic review and meta-analysis[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2013,38(7):597-608.

[10] Morishita Y, Ohta H, Naito M, et al. Kinematic evaluation of the adjacent segments after lumbar instrumented surgery: a comparison between rigid fusion and dynamic nonfusion stabilization[J]. Eur Spine J, 2011,20(9):1480-1485.

[11] 王啟,賀志榮,王芳,等.Ti-Ni形狀記憶合金超彈性的研究進展[J].材料導報,2010,24(7):85-88.

[12] 翟國德,齊山美,龐琦,等.側腦室角部周圍易發腦水腫的生物力學機制有限元分析[J].山東醫藥,2015,55(13):7-9.

·基礎研究·

收稿日期：(2015-05-15)

中圖分類號：R681.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-266X(2015)48-0027-03

doi:10.3969/j.issn.1002-266X.2015.48.008

通信作者：王宇，E-mail: uygnaw0@126.com

基金項目：吉林市科技計劃項目(201133104)；吉林醫藥學院附屬醫院青年醫師科研課題(院資2014-3號)。