可變向腰椎融合器在腰椎融合術中位置變化的生物力學研究*

張海平，郝定均，孫宏慧，朱 名，王 彪，鄭永宏，楊 明，姜永宏，白小帆

西安交通大學附屬紅會醫院脊柱外科(西安 710054)

近年來經腰椎間孔椎體間融合(Transforaminal lumbar interbody fusion，TLIF)聯合后路椎弓根螺釘固定已成為常規融合術式，腰椎融合器(Cage)的出現對椎間融合產生重大變革，可避免對患者取髂骨區帶來的疼痛、感染等并發癥。隨著科技及工業的飛速發展，Cage的材料不斷更新[1]，從最早的鈦金屬、碳纖維到現在應用的PEEK材料。同時，Cage的植入方式及形態也同樣出現改變：植入方式由傳統的雙枚Cage植入轉變為單枚Cage斜向植入，經過臨床應用證實單枚Cage具有手術操作簡單、出血及并發癥少等優點，逐漸成為當前流行的植入方式；形態上則從最早的圓柱形金屬螺紋開始變化，直到現在使用的類似解剖的腎形。隨著其廣泛應用，與之相關的并發癥也逐漸突顯，如Cage移位、沉降、不融合等問題，始終未得到徹底的解決。分析后移及沉降的原因，主要為初始位置不佳及術中操作時Cage轉向不良等。我們針對Cage植入時位置不良及轉向等問題進行有關改良，在融合器尾端及把持器內設置兩套推桿，通過旋轉把持器的螺母進行自動轉向，設計了可變向腰椎Cage并申請了國家發明專利。

目前文獻研究缺乏動態觀察腰椎Cage位于不同位置時的應力分布情況，從生物力學上尋找最佳植入位置。本研究通過建立L4-5節段的TLIF模型，動態觀察位于4種不同位置時腰椎Cage模型，利用有限元分析探討Cage位置不同時其應力分布特征，從力學上尋找到腰椎Cage應力分布最小及最為均勻的位置，從而指導臨床脊柱外科醫生在植入腰椎Cage時明確最佳位置，以減少并發癥發生，對提高臨床療效有重大的意義，現報告如下。

材料與方法

1 建立腰椎L3-5節段模型 ①選取1例25歲健康男性志愿者行腰椎薄層CT掃描(層距0.625 mm)，取其L3-5椎體原始CT數據導入Mimics 19.01圖像處理軟件中，讀取影像數據，分割組織，修復處理幾何，建立實體椎體模型，導出STL文件。②將STL文件導入3-matic文件中進行修復、光滑處理，設計椎間盤、韌帶等，導出STL文件。③將STL文件導入Geomagic軟件中，將模型實體化。④文件導入Ansys Workbench 17.0軟件中，定義有限元模型材料屬性參考相關文獻[2]。韌帶包括前縱韌帶(Anterior longitudinal ligament，ALL)、后縱韌帶(Posterior longitudinal ligament，PLL)、黃韌帶(Ligamenta flava，LF)、棘上韌帶(Supraspinal ligament，SSL)、棘間韌帶(Interspinal ligaments，ISL)、橫突間韌帶(Intertransverse ligaments，ITL)、關節囊韌帶(Capsular ligament，CL)。精確模擬解剖位置結構見圖1。

圖1 L3-5節段有限元模型

2 利用CREO建立可變向腰椎Cage模型 腰椎Cage的材料為PEEK，尺寸為30 mm×11 mm×10 mm(圖2)。

圖2 重建可變向腰椎Cage

3 建立在TLIF手術下植入可變向腰椎Cage模型 模擬TLIF手術模型：通過切除右側L4-5椎體單側關節突關節，保留棘突和棘上韌帶等結構，將正常模型中椎間盤內髓核移除，在上下終板間植入Cage，并輔以椎弓根螺釘系統固定(圖3)。在腰椎L4-5節段，通過在不同位置植入腰椎Cage，分別建立模型A-D，進行虛擬融合手術(圖4)。

圖3 可變向腰椎Cage的TLIF有限元模型

4 模型受力及邊界條件設置 將L5椎體下表面固定，在L3椎體上表面添加150 N向下的預載荷、橫向8 N·m的力矩來模擬椎體前屈、后伸、左彎、右彎、左旋、右旋運動[3]。以上所有計算過程均輸入到Ansys Workbench 17.0中，并觀察融合節段(L4-5)可變向腰椎Cage不同模型下最大Von Mises應力變化情況。

圖4 可變向腰椎Cage不同位置模型

結 果

1 驗證模型有效性 各種模型完善后，在Ansys軟件中約束L5椎體下方。本研究使用Ansys求解器計算椎體的6種運動工況(前屈、后伸、左彎、右彎、左旋及右旋)，確定L3-4椎體移動度(Range of motion，ROM)。本研究結果與文獻[4]相近，證實了模型的合理性。

2 TLIF手術下各種模型Cage所受應力 給予相同的預載荷，約束L5椎體下方，在L3椎體上表面添加150 N向下的預載荷。在L3椎體上表面加載橫向8 N·m的力矩來模擬椎體前屈、后伸、左彎、右彎、左旋、右旋運動。根據4種不同位置時TLIF手術模型中腰椎Cage的Von Mises應力云圖(圖5)測量最大應力值，見表1。可變向腰椎Cage的應力分布也隨著生理活動和植入位置不同而存在差異，模型A在6種生理運動下Cage右旋時最大應力約是模型C的3.5倍，模型B約是模型C的3.1倍，而模型D約為模型C的2.45倍。由以上結果趨勢可以推斷：模型C中Cage表面應力分布較為均勻并最小。

圖5 模型C可變向腰椎Cage生理活動應力云圖

表1 不同模型在生理活動時Cage最大應力(MPa)

討 論

自1988年Bagby[5]和Kuslish首次報道Cage應用以來，Cage聯合后路椎弓根螺釘內固定技術已經成為目前腰椎融合術的經典術式。臨床醫生最初從后路進行腰椎間融合，多采用雙枚平行Cage植入，其優點在于即刻增加融合節段穩定性，缺點在于雙枚植入時出血較多，手術時間延長，并增加了硬膜撕裂的風險及手術費用等。隨后趙杰等[6]先后進行斜向單枚BAK植入生物力學研究和臨床應用單雙枚Cage進行比較研究，研究結論認為手術中使用單枚Cage和單側螺釘固定能夠獲得與雙枚Cage同樣的穩定作用，達到相同融合效果。Rahman等[7]的研究同樣證實了此觀點。單側斜向植入解決了雙側放置的缺點，然而隨著臨床應用和隨訪，發現單側植入Cage后移率明顯大于雙側。張凱等[8]報道術后Cage退出再手術的9例病例中，7例患者為單枚Cage植入，2例為雙枚Cage植入，并在翻修時建議調整Cage植入位置，盡量將Cage橫行放置，這樣操作可以減少Cage從原植入通道再次退出。隨著椎間融合材料的不斷更新，有學者提出對融合器形狀進行相關改進，以減少其后移的并發癥。王曉峰等[9]首選通過有限元分析論證了腎形Cage比單側斜行植入子彈頭形Cage終板應力分布更為均勻。而后Zhao等[10]通過5個脊柱外科中心對腰椎滑脫術后進行研究，發現腎形Cage后移發生率(0.28%)明顯低于矩形(3.11%)。同樣，趙軍然[11]對241例腰椎融合進行術后隨訪，發現Cage后移有8例，其中腎形3枚(占37.5%)，子彈頭形5枚(占62.5%)。因此，形態改進后的腎形Cage后移發生率確實低于其他形狀的Cage。從理論上來講，出現腎形Cage后移較為困難，因位于中線的Cage退出時要進行自身轉向方可從原植入口滑出。分析腎形Cage后移的原因發現，主要為初始位置不佳以及術中操作時損傷上終板所致等。因此，除了提高術者操作水平外，發現問題根源在于腎形Cage自身設計缺陷。我們對傳統腎形Cage進行分析后發現，將其推入椎間隙后，其前端會觸及不平整的終板、纖維環或之前植入顆粒骨后受阻，Cage前端被P點卡住，此時對B點施加推力F(圖6)，整個Cage實際是以P點為軸進行順時針旋轉，而Cage前端側是完全阻擋、無法移動的，因此Cage更不可能到達理想的最終位置，這時再繼續敲擊推桿會導致Cage后部撞擊椎體后上緣及終板而出現損傷。Zhang等[12]報道，使用腎形融合器后有7例患者出現后移，分析原因，均有間隙上終板后部的損傷。而我們設計的可變向腰椎Cage解決了該問題的關鍵(圖7)，同樣是推入極限位置后通過把持器上的卡勾勾住A點，使得旋轉軸從B點轉移到了A點，再施加推力F，可繞A點形成轉矩(M=FL)，推動Cage繞軸A旋轉，整個Cage是以A點為軸順時針旋轉變向，跨越前端阻礙并向前移動，利用把持器內裝的推桿將Cage精確安放于脊柱的前中線上(圖8)。

筆者在臨床中發現，植入Cage時的位置主要依靠術者經驗，術中通過利用推桿敲擊Cage尾部并借助C形臂X線機透視來完成手術，但在調整Cage時仍有困難，術后CT顯示腎形Cage旋轉不足或旋轉至對側常有發生。本研究模擬臨床出現的現象，通過有限元分析設計4種逐步植入模型，模型A和模型B多見于開展該手術早期，模型C為該手術植入理想位置。Grant等[13]應用11具尸體收集55個腰椎終板并進行生物力學研究的結果表明，腰椎終板的力學結構強度中央最弱，邊緣最強，終板前部小于后部，最強的部分位于終板后外側，而下終板的力學強度比上終板高40%，從解剖上推測Cage植入在終板前方或后方下沉應該小于其中央區。黃誠謙等[14]回顧性研究了83例行單節段L4-5TLIF手術的腰椎患者，發現中央組Cage的沉降率為32.4%，明顯大于邊緣組的13.0%，建議術中植入Cage時應放于終板邊緣區域，以降低術后Cage沉降的風險。Fukuta等[15]發現，中心位置組的Cage下沉程度均較植入椎間前緣組的大，下沉的程度和Cage終板外側占有率之間存在顯著的線性關系，因此Cage應盡量放于椎間隙的前緣，以防下沉。本研究中發現，預載荷后模型C中Cage所占用終板外側的面積最大且應力分布最為均勻；從模型A到模型C，Cage應力分布出現由高到低的趨勢；當Cage偏右側、前屈時，模型A應力為58.58 MPa，旋轉至模型C時可降為20.94 MPa，Cage承受應力大幅下降；在模型C中，Cage應力分布在左右側彎時分別有20.24 MPa和18.28MPa，轉向模型D后則為53.25 MPa、46.19 MPa，應力分布增加2.5～2.6倍，而模型D多見于臨床醫生選擇的Cage過小或擊入時力量過大而旋轉至對側。這對臨床有很大指導意義，若發現位置不佳時考慮術后延長佩戴腰部支具的時間，因腰部支具對左右側屈有明顯限制作用。

綜上所述，本研究通過對比4種模型探討Cage位置變化時應力分布的特性，發現腰椎Cage放于椎體前中線(模型C)可以獲得最佳生物力學穩定性，應力分布最為均勻且最小，建議單枚Cage植入時選擇可變向Cage，其優勢明顯大于斜向植入。但因建模時無法精確模擬人體脊柱肌肉組織結構，以及建模時采用的材料屬性多為國外研究數據，缺乏中國人的數據，因此有限元分析存在誤差。今后需要進一步總結和研究國人數據和經驗，以更加真實地模擬中國人的人體生物力學特性。