腰椎后路撐開小關節(jié)融合系統(tǒng)的的解剖學與三維有限元分析

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）

椎弓根螺釘融合術是臨床上治療腰椎不穩(wěn)而導致的腰痛的主要方法之一[1-2]。臨床實踐證實實施腰椎內固定融合治療時，患者融合率較高，但臨床滿意度較低，僅30%左右。手術期間會對患者相鄰節(jié)段等結構造成一定損傷，損壞鄰椎小關節(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，遠期的療效會受到了質疑[3-4]。

1.腰椎后路撐開小關節(jié)融合系統(tǒng)的解剖學研究與設計

1.1 腰椎關節(jié)突椎弓根螺釘內固定的解剖學研究

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治療。通過手術來解除患者神經(jīng)壓迫癥狀，改善患者生活質量；然因患者脊柱后方與后外側植骨易被吸收，從而形成假關節(jié)而易致椎弓根內固定系統(tǒng)斷裂等而使手術失敗。生物力學研究發(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)需采用手術治療。腰椎融合術中長需將后路穩(wěn)定結構切除，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構的破壞，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 椎體的干燥標本進行線性測量和角度測量，男性、女性各5 套，共60 個關節(jié)突關節(jié)和80 個上關節(jié)突等，排除掉關節(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，正位片上進針點到棘突中線的距離（L）及在側位片上的進針點平面到棘突項部的高度（H），并計算得到其二者比值（R），得出關節(jié)突椎弓根螺釘?shù)陌踩冕數(shù)姆秶@得最好進點與角度。測量置釘平面面積與上關節(jié)突外側緣切面，在不影響操作及損傷椎體節(jié)段血管小關節(jié)支的前提下確定理想的融合覆蓋面積，以到達最終有效廣泛融合[5]。

1.2 腰椎后路撐開小關節(jié)融合系統(tǒng)的設計

首先掃描目標椎體，并保存掃描結果，然后進行圖像后處理。建立椎體表面標準點、標準平面及點云數(shù)據(jù)庫，設計腰椎后路撐開小關節(jié)融合系統(tǒng)模型。提取椎板和棘突及關節(jié)突后面相關解剖形態(tài)，并結合解剖學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。結合解剖學研究理想置釘點與最佳插入角度將置釘通道與模板設計擬合成一體。n-HA/PA66 為復合材料，材料拉絲脆性較大，熱熔溫度較高，3D 打印條件和設備需要在實驗中進行多次摸索測試。同時要打印出該系統(tǒng)的精細設計效果，需要對打印軟件重新編寫調試。

通過腰椎后路撐開小關節(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)治療提供新的技術支持，最大程度方便醫(yī)生手術操作，減少手術并發(fā)癥，有效減低患者手術費用。

2.腰椎后路撐開小關節(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)進行連續(xù)掃描，掃描層厚設定為0.625mm，將生成的橫斷面文件保存為Dicom 格式。將數(shù)據(jù)導入Materialise Mimics 16.0 軟件（Materialise 公司，比利時）中，通過調整閾值、區(qū)域增長分割出腰骶椎骨性結構，每層圖像經(jīng)邊緣分割，并選擇性進行編輯等處理，將多余數(shù)據(jù)去除，建立模型。將生成STL 文件導入并再次進行優(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，重建模型上韌帶結構；通過重建小關節(jié)結構和模擬其相關功能等，同時分析小關節(jié)受力情況，利用相關軟件進行有限元網(wǎng)格劃分并依照參考文獻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果進行比對，并驗證其有效性。邊界條件設定：固定在模型的底部，最近段的L1 可以自由進行活動。在模型L1 上終板附近某處耦合一點，垂直條件下施加500N 預載荷，同時附加扭矩為10N.m，通過模擬不同形態(tài)下運動來記錄模型在各個運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，再導入軟件中，并進行優(yōu)化處理，并按標準手術模式與L4/5 模型擬合，進行虛擬植入裝配。再次導入Mimics 軟件中進行網(wǎng)格劃分。撐開器材料采用納米羥基磷灰石/聚酰胺66 復合復合材料彈性模量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節(jié)突椎弓根固定的L4-5 運動節(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系定義為tie，同時將棘突間撐開器與上、下棘突接觸面間關系、L4-5 相鄰上、下關節(jié)突的關節(jié)面間關系均定義為tie。固定腰5椎體下終板，且無任何方向的旋轉和位移，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，大小相當于人體質量的2/3，取500N，運動扭矩為7.5N.m，約束及載荷條件設定好之后，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、左右側屈及左右旋轉運動下各椎間活動度、椎間盤壓力及撐開器本身、關節(jié)突椎弓根螺釘所受應力。通過應力云圖來展示前屈、后伸、側彎和旋轉運動狀況下新型棘突間撐開固定系統(tǒng)的應力分布狀況，提取相關部位的MISES 應力值，計算ROM，對新型腰椎固定系統(tǒng)的植入分析結果進行評估[6-8]。