腰椎后路撐開小關(guān)節(jié)融合系統(tǒng)的的解剖學(xué)與三維有限元分析

陳堅樣 陸文杰 裘情密 莊培袁

（慈溪市人民醫(yī)院骨科 浙江 慈溪 315300）

椎弓根螺釘融合術(shù)是臨床上治療腰椎不穩(wěn)而導(dǎo)致的腰痛的主要方法之一[1-2]。臨床實踐證實實施腰椎內(nèi)固定融合治療時，患者融合率較高，但臨床滿意度較低，僅30%左右。手術(shù)期間會對患者相鄰節(jié)段等結(jié)構(gòu)造成一定損傷，損壞鄰椎小關(guān)節(jié)囊，最終將增加其鄰近節(jié)段活動度等，加速鄰近節(jié)段退變，遠(yuǎn)期的療效會受到了質(zhì)疑[3-4]。

1.腰椎后路撐開小關(guān)節(jié)融合系統(tǒng)的解剖學(xué)研究與設(shè)計

1.1 腰椎關(guān)節(jié)突椎弓根螺釘內(nèi)固定的解剖學(xué)研究

腰椎退行性疾病可引發(fā)腰椎間隙狹窄等病變，從而致患者馬尾神經(jīng)受壓等，對部分患者經(jīng)保守治療而無法顯著緩解者常需行手術(shù)治療。通過手術(shù)來解除患者神經(jīng)壓迫癥狀，改善患者生活質(zhì)量；然因患者脊柱后方與后外側(cè)植骨易被吸收，從而形成假關(guān)節(jié)而易致椎弓根內(nèi)固定系統(tǒng)斷裂等而使手術(shù)失敗。生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，椎間融合器具有穩(wěn)定作用，因此植入椎間融合器可到達(dá)牢固生物骨融合的目的。腰椎退行性疾病所致腰椎不穩(wěn)和腰椎管狹窄等是臨床脊柱外科常見疾病，該疾病中晚期采用保守療法效果不顯著，多數(shù)需采用手術(shù)治療。腰椎融合術(shù)中長需將后路穩(wěn)定結(jié)構(gòu)切除，如棘突、黃韌帶等，從而致患者腰椎穩(wěn)定性受到一定影響，此時需植入物以穩(wěn)定患者脊柱節(jié)段。撐開型椎間融合器是近年來應(yīng)用于臨床治療腰椎退行性疾病的新型椎間融合器，具有創(chuàng)傷小等優(yōu)點。撐開型椎間融合器體積小，因此可減少對脊柱后方結(jié)構(gòu)的破壞，植入方便，并發(fā)癥少。植入撐開型椎間融合器后可使椎間隙從類圓形變?yōu)殚L方形，增強(qiáng)融合器的穩(wěn)定性。撐開型椎間融合器手中建議保留患者椎間隙軟骨終板，以確保融合器被植入后，椎體可保持足夠負(fù)荷承載能力，保障融合器的穩(wěn)定性。采用撐開型椎間融合器延續(xù)了傳統(tǒng)融合器的優(yōu)點，摒棄了其缺點，有利于促進(jìn)軟骨終板的新生骨長入融合器，提高椎間融合率及椎間的穩(wěn)定性，對提高患者椎間功能具有重要意義。對10 套L3-S1 椎體的干燥標(biāo)本進(jìn)行線性測量和角度測量，男性、女性各5 套，共60 個關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)和80 個上關(guān)節(jié)突等，排除掉關(guān)節(jié)突退變和肥大和受損者。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)，50 例正常中老年個體中，正位片上進(jìn)針點到棘突中線的距離（L）及在側(cè)位片上的進(jìn)針點平面到棘突項部的高度（H），并計算得到其二者比值（R），得出關(guān)節(jié)突椎弓根螺釘?shù)陌踩冕數(shù)姆秶@得最好進(jìn)點與角度。測量置釘平面面積與上關(guān)節(jié)突外側(cè)緣切面，在不影響操作及損傷椎體節(jié)段血管小關(guān)節(jié)支的前提下確定理想的融合覆蓋面積，以到達(dá)最終有效廣泛融合[5]。

1.2 腰椎后路撐開小關(guān)節(jié)融合系統(tǒng)的設(shè)計

首先掃描目標(biāo)椎體，并保存掃描結(jié)果，然后進(jìn)行圖像后處理。建立椎體表面標(biāo)準(zhǔn)點、標(biāo)準(zhǔn)平面及點云數(shù)據(jù)庫，設(shè)計腰椎后路撐開小關(guān)節(jié)融合系統(tǒng)模型。提取椎板和棘突及關(guān)節(jié)突后面相關(guān)解剖形態(tài)，并結(jié)合解剖學(xué)研究理想融合覆蓋面積，通過建立與其解剖形態(tài)相符合的反向模板。結(jié)合解剖學(xué)研究理想置釘點與最佳插入角度將置釘通道與模板設(shè)計擬合成一體。n-HA/PA66 為復(fù)合材料，材料拉絲脆性較大，熱熔溫度較高，3D 打印條件和設(shè)備需要在實驗中進(jìn)行多次摸索測試。同時要打印出該系統(tǒng)的精細(xì)設(shè)計效果，需要對打印軟件重新編寫調(diào)試。

通過腰椎后路撐開小關(guān)節(jié)融合系統(tǒng)的臨床與實驗研究，能夠逐步完善后路三點固定的腰椎融合微創(chuàng)治療理念。為腰椎退行性疾病的外科微創(chuàng)治療提供新的技術(shù)支持，最大程度方便醫(yī)生手術(shù)操作，減少手術(shù)并發(fā)癥，有效減低患者手術(shù)費(fèi)用。

2.腰椎后路撐開小關(guān)節(jié)融合系統(tǒng)的三維有限元分析

2.1 正常人腰骶椎三維有限元模型的建立及有效性驗證

一個健康成年男子志愿者，由放射科采用Philips Brilliance 64 排螺旋CT 對L1-S1 各椎節(jié)進(jìn)行連續(xù)掃描，掃描層厚設(shè)定為0.625mm，將生成的橫斷面文件保存為Dicom 格式。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Materialise Mimics 16.0 軟件（Materialise 公司，比利時）中，通過調(diào)整閾值、區(qū)域增長分割出腰骶椎骨性結(jié)構(gòu)，每層圖像經(jīng)邊緣分割，并選擇性進(jìn)行編輯等處理，將多余數(shù)據(jù)去除，建立模型。將生成STL 文件導(dǎo)入并再次進(jìn)行優(yōu)化和處理，最后生成連續(xù)的NURBS 曲面模型，即實體模型。為完善腰骶椎三維幾何模型，重建模型上韌帶結(jié)構(gòu)；通過重建小關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和模擬其相關(guān)功能等，同時分析小關(guān)節(jié)受力情況，利用相關(guān)軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分并依照參考文獻(xiàn)將各部位材料的彈性模量，泊松比的材料系數(shù)以及特征值輸入模型完成建模。通過計算模型在多種情況下的腰椎活動度來與既往試驗結(jié)果進(jìn)行比對，并驗證其有效性。邊界條件設(shè)定：固定在模型的底部，最近段的L1 可以自由進(jìn)行活動。在模型L1 上終板附近某處耦合一點，垂直條件下施加500N 預(yù)載荷，同時附加扭矩為10N.m，通過模擬不同形態(tài)下運(yùn)動來記錄模型在各個運(yùn)動方向上的最大角位移作為腰椎活動范圍（Range of motion ROM）.

2.2 新型腰椎后路撐開小關(guān)節(jié)融合系統(tǒng)模型建立及虛擬植入

在UG NX8.0 軟件中建立新型棘突間撐開器系統(tǒng)模型，然后將重建的假體模型以stl 格式保存，再導(dǎo)入軟件中，并進(jìn)行優(yōu)化處理，并按標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)模式與L4/5 模型擬合，進(jìn)行虛擬植入裝配。再次導(dǎo)入Mimics 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。撐開器材料采用納米羥基磷灰石/聚酰胺66 復(fù)合復(fù)合材料彈性模量3000MPa，泊松比0.26。固定螺釘材料系數(shù)采用鈦合金彈性模量110000MPa，泊松比0.3。

2.3 新型腰椎后路撐開小關(guān)節(jié)融合系統(tǒng)的有限元分析

實驗所建立的新型棘突間撐開關(guān)節(jié)突椎弓根固定的L4-5 運(yùn)動節(jié)段三維有限元模型。把椎間盤和椎體上下軟骨終板間的關(guān)系定義為tie，同時將棘突間撐開器與上、下棘突接觸面間關(guān)系、L4-5 相鄰上、下關(guān)節(jié)突的關(guān)節(jié)面間關(guān)系均定義為tie。固定腰5椎體下終板，且無任何方向的旋轉(zhuǎn)和位移，向L3 椎體表面持續(xù)施加載荷均并使其均勻分布于整個L3 椎體的上終板表面，壓力方向垂直向下，大小相當(dāng)于人體質(zhì)量的2/3，取500N，運(yùn)動扭矩為7.5N.m，約束及載荷條件設(shè)定好之后，通過Abaqus6.12-1 軟件（SIMULIA 公司，USA）Solution 模塊求解，計算各工況下前屈、后伸、左右側(cè)屈及左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動下各椎間活動度、椎間盤壓力及撐開器本身、關(guān)節(jié)突椎弓根螺釘所受應(yīng)力。通過應(yīng)力云圖來展示前屈、后伸、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動狀況下新型棘突間撐開固定系統(tǒng)的應(yīng)力分布狀況，提取相關(guān)部位的MISES 應(yīng)力值，計算ROM，對新型腰椎固定系統(tǒng)的植入分析結(jié)果進(jìn)行評估[6-8]。